Estado de oxidación

Los electrones pueden perderse o ganarse cuando algunos átomos interactúan con otros átomos y se enlazan o reaccionan con ellos. ¿Por qué son importantes los estados de oxidación en este contexto?

Los estados de oxidación son utilizados por los químicos para deducir y llevar la cuenta del número de electrones transferidos o compartidos durante las reacciones químicas. Los estados de oxidación también son útiles para los químicos a la hora de nombrar los compuestos inorgánicos.

• En primer lugar, definiremos el término estado de oxidación.
• A continuación, veremos las reglas del estado de oxidación, así como sus excepciones.
• Después, exploraremos cómo se relacionan los estados de oxidación con la denominación de los compuestos.
• Por último, haremos cálculos del estado de oxidación de varios compuestos e iones.

En Redox, aprendiste que muchas reacciones implican un movimiento de electrones. Una especie pierde electrones y se oxida, por lo que aumenta su estado de oxidación: se vuelve más positivo o menos negativo. La otra especie, en cambio, gana electrones y se reduce, por lo que disminuye su estado de oxidación: se vuelve más negativo o menos positivo. En general, llamamos a estos procesos reacciones Redox. Los estados de oxidación nos ayudan a saber qué especie se oxida y qué especie se reduce en una reacción de este tipo.

¿Qué son las valencias y los números o estados de oxidación?

¿Cómo calcular los estados de oxidación o números de oxidación?

Hay algunas reglas que pueden ayudar y simplificar la forma de calcular los estados de oxidación.

• El estado de oxidación de todos los elementos en su estado libre es 0. Esto se debe a que el elemento no ha perdido ni ganado electrones y, por tanto, es neutro. Este es el caso de los metales puros o las moléculas biatómicas.
  • Por ejemplo: Zn, H y Cl.
• La suma de los estados de oxidación de todos los átomos o iones de un compuesto neutro es igual a 0.
  • Por ejemplo: en el NaCl, el estado de oxidación del Na es +1 y el del Cl es -1. La suma de estos números da como resultado 0.
• La suma de los estados de oxidación de un ion es igual a su carga del. Esto se aplica tanto a los iones monoméricos como a los complejos.
  • Por ejemplo: el estado de oxidación del ion monatómico F^- es -1.
  • Por ejemplo: en el ion CO₃^2-, el C tiene un estado de oxidación de +4 y los tres O tienen un estado de oxidación de -2. Entonces, 4 + 3 (-2) = -2, que es la carga del ion.
• En un ion o un compuesto, el elemento más electronegativo suele tener el estado de oxidación más negativo. Recuerda que la electronegatividad disminuye hacia abajo de un grupo y aumenta a través de un período.
  • Por ejemplo: en el F₂O, el F es más electronegativo que el oxígeno, por lo que tiene el estado de oxidación más negativo. Aquí, el F tiene un estado de oxidación de -1 y el O tiene un estado de oxidación de +2.

Los números de oxidación o estados de oxidación en la tabla periódica

Para ayudarte a calcular los estados de oxidación de los distintos compuestos, aquí tienes una imagen de la tabla periódica con los estados de oxidación comunes, por grupo.

Fig. 1: Tabla periódica con los estados de oxidación de los elementos dentro de sus grupos.

Sin embargo, debes recordar siempre las excepciones a las reglas del estado de oxidación. Las veremos con más detalle a continuación.

Tabla de valencias

Muchos elementos tienen el mismo estado de oxidación en todos sus compuestos:

Tabla 1. Tabla de valencias o estados de oxidación.

Excepciones del estado de oxidación

Como hemos aprendido, hay algunas excepciones a los estados de oxidación de los elementos dentro de los compuestos.

Estado de oxidación del hidrógeno

El hidrógeno suele tener un estado de oxidación de +1. Pero en los hidruros metálicos, como el NaH o el KH, tiene un estado de oxidación de -1. Debido a que la suma de los estados de oxidación en un compuesto neutro es siempre 0, y que los metales del grupo 1 tienen siempre un estado de oxidación de +1, en un hidruro metálico el hidrógeno debe tener un estado de oxidación de -1, ya que 1 + (-1) = 0.

Estado de oxidación del oxígeno

El oxígeno suele tener un estado de oxidación de -2. Pero, en los peróxidos como el H₂O₂, tiene un estado de oxidación de -1. Una vez más: se trata de un compuesto neutro y, por tanto, la suma de los estados de oxidación debe ser cero.

El oxígeno también se desvía de su estado de oxidación habitual en los compuestos con flúor. Esto se debe a que sabemos que el elemento más electronegativo toma el estado de oxidación más negativo, y el flúor es más electronegativo que el oxígeno.

Estado de oxidación del cloro

Del mismo modo, el cloro toma un estado de oxidación distinto en compuestos con oxígeno o flúor. Otra vez, esto se debe a que el oxígeno y el flúor son más electronegativos que el cloro.

Estados de oxidación y nomenclatura de los compuestos

Aunque acabamos de aprender algunas reglas para asignar los estados de oxidación, estas no cubren todos los elementos. De hecho, muchos elementos pueden adoptar muchos estados de oxidación posibles, lo que puede causar confusión en muchos compuestos. Pero, no te preocupes: te daremos algunos consejos que te ayudarán:

Si existe algún riesgo de ambigüedad, el estado de oxidación específico de un elemento en un determinado compuesto se indica con números romanos. Sin embargo, esto solo se aplica a los estados de oxidación positivos.

Esto suele ocurrir en los metales de transición, que pueden tener varios estados de oxidación.

Prefijos y sufijos

También podemos utilizar prefijos y sufijos para dar información sobre la fórmula de un compuesto, lo que nos ayuda a calcular el estado de oxidación de cada elemento:

Los compuestos que contienen oxígeno terminan en -ato o -ito:

Hay una diferencia entre ambos: el compuesto con -ato siempre tiene un oxígeno más que el compuesto con -ito.

• Si encontramos un compuesto con un oxígeno más que el compuesto -ato, añadimos el prefijo per-.
• Si encontramos un compuesto con un oxígeno menos que el compuesto -ito, añadimos el prefijo hipo-.

También lo podemos ver desde el punto de visto de los estados de oxidación: Si hay 4 estados de oxidación del átomo, el compuesto con el estado de oxidación mayor tiene el prefijo per- y el sufijo -ato, el segundo mayor tiene solo el sufijo -ato, el segundo menor -ito y el menor hipo-clorito.

Resolvamos un par de ejercicios:

Los ácidos inorgánicos que contienen oxígeno

Los ácidos inorgánicos son aquellos que no contienen carbono. En el caso anterior, vimos el estado de oxidación de aniones, o sales de manganeso y cloro. Si analizamos los ácidos de los cuales provienen, hay que poner el sufijo -ico si tienen estado de oxidación alto; y -oso, si tiene estado de oxidación menor

Empezamos con los de cloro:

• El ion perclorato (HClO₄^-) proviene de H₂ClO_4, el ácido perclórico
• El ion clorato (ClO₃^-) proviene de HClO₃, el ácido clórico
• El ion clorito (ClO₂^-) proviene de HClO₂, el ácido cloroso
• El ion hipoclorito (ClO^-) proviene del HClO, el ácido hipocloroso.

Los de manganeso:

• El permanganato de potasio (KMnO₄) proviene de HMnO₄, ácido permanganico
• El manganato de potasio (K₂MnO₄) proviene de H₂MnO₄, ácido manganico
• El hipomanganato de potasio (K₃MnO₄) proviene de H₃MnO₄, ácido manganoso
• El manganito de potasio (K₂MnO₃) proviene de H₂MnO₃, ácido hipomanganoso

Ejemplos de cálculo del estado de oxidación

Ya sabemos, por las reglas de asignación de estados de oxidación, que la suma de todos los estados de oxidación de un compuesto neutro debe sumar cero, y la suma de todos los estados de oxidación de un ion complejo debe sumar la carga del ion. Pero, ¿cómo calculamos los estados de oxidación de cada uno de los elementos del compuesto o ion? Para ello, podemos aplicar nuestros conocimientos sobre los estados de oxidación fijos y calcular los estados de oxidación desconocidos por deducción.

Puede ser útil seguir este proceso:

1. Fíjate en la carga del ion o compuesto, si la hay. Esto te ayudará a saber cuál es tu objetivo.
2. Identifica los átomos con estados de oxidación fijos.
3. Deduce los estados de oxidación de los átomos restantes, asegurándote de que la suma de todos los estados de oxidación coincida con la carga del ion o del compuesto.

Ahora, te toca a ti. Intenta calcular los estados de oxidación de algunos elementos, utilizando las reglas que hemos explicado anteriormente. Si te quedas atascado, trabajaremos juntos en las soluciones.