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viernes, 25 de abril de 2025

Reglas de los estados de oxidación y ejercicios resueltos




Como se vio en la sección anterior, la carga neta de una entidad poliatómica, ya sea molecular (neutra) o iónica (cargada), depende directamente de los números de carga individuales de cada elemento que la componen. El problema surge porque la mayoría de los elementos pueden presentar más de un número de carga, dependiendo del compuesto o sustancia específica en la que se encuentren, mientras que unos pocos elementos poseen números de carga más constantes y predecibles. Estos valores posibles están sistematizados en la tabla periódica bajo la propiedad conocida como estado de oxidación o también llamado número de oxidación, que resume la variedad de comportamientos electrónicos que un elemento puede exhibir en distintas combinaciones químicas.

Figura 1. Los estados de oxidación que aparecen en la tabla periódica presentan dos problemas principales. El primero es que no se incluye el estado cero de oxidación, aunque todos los elementos tienen un estado cero en alguna sustancia. Este estado cero es considerado irrelevante en la tabla, pero su ausencia puede llevar a malentendidos, ya que muchos metales puros, como el hierro (Fe) o el oro (Au), tienen un estado cero de oxidación en su forma elemental, aunque no se refleje explícitamente en la tabla. El segundo problema es que algunos elementos no presentan todos sus posibles estados de oxidación. Por ejemplo, el oxígeno tiene el estado de oxidación −1 en los peróxidos, 0 en el dioxígeno (O₂) y +2 en compuestos con flúor, pero estos estados no siempre son evidentes en la tabla periódica.

La estructura de los estados de oxidación en la tabla periódica es un resumen codificado diseñado para simplificar la interpretación de los comportamientos electrónicos de los elementos. Por ejemplo, la expresión ± se utiliza para indicar que el número de carga puede ser positivo o negativo, pero solo afecta al número inmediatamente a la derecha. En ausencia de esa indicación, se asume que el número de carga es positivo a priori. Además, todos los elementos tienen un estado de oxidación cero en su forma elemental. Por ejemplo, para el cloro (Cl), que tiene los estados de oxidación ±1, 3, 5, 7, los estados que debemos leer son −1, 0, +1, +3, +5, +7. Es importante recordar que existen estados de oxidación menos comunes, como el +4 en el dióxido de cloro (ClO₂), que no aparece como habitual en la tabla periódica. Por lo tanto, es necesario tener flexibilidad al interpretar los estados de oxidación, ya que pueden presentarse sorpresas según el contexto o el compuesto específico

Esta flexibilidad es fundamental para un entendimiento completo de la química de los elementos, ya que algunos estados de oxidación que no son comunes en la tabla periódica pueden surgir en condiciones específicas, como en compuestos menos frecuentes o en reacciones que implican elementos con estados de oxidación inusuales. Por ejemplo, el oxígeno puede presentar un estado de oxidación de +2 en compuestos con flúor, aunque su estado más frecuente es −2. Además, ciertos elementos de transición y actínidos pueden exhibir múltiples estados de oxidación, lo que aumenta la complejidad de las interacciones y reacciones químicas en las que están involucrados.

 Tabla. 1. En la siguiente tabla, exponemos las reglas de inferencia de estados de oxidación. Algunos elementos representativos, como el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el flúor (F), los metales alcalinos y los alcalinoterreos, tienen estados de oxidación más constantes que otros. Esto nos permite inferir con mayor facilidad la carga de muchos de estos elementos sin necesidad de aplicar la ley de la conservación de la carga de forma explícita en cada caso. Estos elementos presentan estados de oxidación predecibles que no suelen variar ampliamente, lo que facilita el proceso de identificación y balanceo de reacciones químicas. Por ejemplo, el flúor (F) siempre tiene un estado de oxidación de −1, el hidrógeno (H) generalmente es +1, y el oxígeno (O) es casi siempre −2 en compuestos, lo que simplifica mucho las tareas de análisis y predicción química.

ElementoCasos de referenciaEstado de oxidación
HidrógenoElemento H20
HidrógenoEnlace con elementos más electronegativos H2O, HNO3+1
HidrógenoEnlace con elementos menos electronegativos como metales LiH, CaH2-1
OxígenoElemento O2, O30
OxígenoIon óxido O2- como en óxidos Na2O, hidróxidos NaOH o ácidos H2SO4-2
OxígenoIon peróxido O22- como en el peróxido de sodio Na2O2-1
OxígenoIon oxígeno O2+ en el fluoruro de oxígeno OF2+2
Halógenos (grupo del flúor)Elementos como F2, Cl2, Br2, I20
Halógenos (grupo del flúor)Iones halogenuro generalmente contra metales o hidrógeno HCl, NaBr-1
Halógenos (grupo del flúor)En óxidos o fluoruros (varía y debe calcularse)+z
Anfígenos (grupo del oxígeno)Formas elementales como S, S8, P40
Anfígenos (grupo del oxígeno)Iones anfigenuro, excepto oxígeno (es óxido) con elementos menos electronegativos como el H o metales Na2S-2
Anfígenos (grupo del oxígeno)Cuando se enlazan con oxígeno o aniones potentes como en H2SO4 (varía y debe calcularse)+z
Metales alcalinosMetal puro como Na, Fe0
Metales alcalinosCualquier otra sustancia NaCl excepto aleaciones+1
Metales alcalinotérreosMetal puro como Ca0
Metales alcalinotérreosCualquier otra sustancia excepto aleaciones como en CaO, CaCl2+2
Otros metalesForma metálica como Ti, Fe0
Otros metalesCualquier otra sustancia excepto aleaciones como TiO+z

Ejercicios tipo 1. Calculando o confirmando la carga neta.

Cuando calculamos la carga neta de una molécula o un ion, la ley de la conservación de la carga para una entidad poliatómica polielemental. Es decir, cada número de carga (positivo o negativo) debe multiplicarse por el subíndice correspondiente del elemento y luego sumarse o restarse según corresponda. En este proceso, es crucial indicar correctamente la polaridad (positiva o negativa) de cada carga para evitar errores. Este enfoque garantiza que la carga total de la entidad se refleje adecuadamente, lo que es esencial para el análisis de reacciones químicas y el balanceo de ecuaciones redox.

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Ejercicios tipo 2. Calculando o confirmando la carga de un elemento.

Cuando calculamos la carga de un átomo en una molécula con un número indeterminado de elementos, lo que hacemos es despejarla a partir de la información disponible sobre los otros átomos presentes. Este proceso se basa en aplicar las reglas de los estados de oxidación y la ley de la conservación de la carga para encontrar la carga desconocida. En la descripción de la siguiente figura, podrá observarse el proceso de despeje, el cual recibe el nombre de "prueba matemática" o "demostración algebraica". Este método consiste en organizar las cargas de los diferentes átomos de la molécula y resolver una ecuación para encontrar la carga del átomo desconocido. De este modo, garantizamos que la carga neta de la molécula o ion se mantenga equilibrada.

Figura 2. El teorema para calcular la carga de un elemento incógnita en función de las cargas de los demás elementos y la carga neta total es un cálculo que debe internalizarse. Es decir, debe hacerse de manera mental o intuitiva a medida que avancemos en este curso de química general. Aunque su formalismo puede parecer difícil, con práctica podrá intuir los estados de oxidación, que al final se reducen a simplemente echar un vistazo. La demostración del teorema se puede ver en este enlace.

 

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Ejercicios tipo 3. Calculando o confirmando la carga de un ion.

Para el caso de determinar la carga de un ion, el proceso es en realidad una simplificación del teorema dado en la figura 1, ya que la cantidad de entidades involucradas se reduce a dos: positiva y negativa. Dado que en el caso de la carga de un ion no conocemos cuál será el ion involucrado en la pregunta, y para evitar la proliferación de ecuaciones, lo que haremos será asumir que tenemos dos iones cualquiera: (a) el ion incógnita y (b) el ion con carga conocida, sin importar cuál sea positivo o negativo. De esta forma, podemos generalizar el cálculo sin necesidad de especificar los signos de las cargas. Esta representación se ilustra en la Figura 2.

Figura 4. Teorema de la carga de un ion en un par anión-cation: en este caso no es necesario plantear una prueba, ya que simplemente se resuelve la suma indeterminada mostrada en la Figura 3. Este proceso implica pasar de una colección intermedia de partículas a una sola partícula, que corresponde a la pareja del ion incógnita, al que denominamos "ión dado" (b).

 

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Referencias.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2015). Chemistry the Central Science.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry, the central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill New York.

Chang, R., & Overby, J. (2021). Chemistry (14th ed.). McGraw-Hill.

Seager, S. L., Slabaugh, M. M., & Hansen, M. M. (2022). Chemistry for Today (10th ed.). Cengage Learning.

Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., DeCoste, D. J., & Adams, G. (2018). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning.

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