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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?
Las valencias, números de oxidación o estados de oxidación son números asignados a los iones que muestran cuántos electrones ha perdido o ganado, en comparación con el elemento en su estado libre.
Un estado de oxidación positivo indica que el elemento ha perdido electrones, mientras que un estado de oxidación negativo indica que ha ganado electrones.
Si un elemento pierde electrones, hay más protones que electrones en el átomo, por lo que tendrá una carga positiva; por lo tanto, presentará un estado de oxidación positivo. Si gana electrones, hay más electrones que protones en el átomo, por lo que su carga y estado de oxidación serán negativos.
¿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 CO32-, 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.
Consulta la sección Electronegatividad para saber más.
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.
Ya sabrás que para que un átomo sea estable, necesita 8 electrones en su última capa, lo que le otorga la configuración electrónica de un gas noble. Los metales suelen perder electrones para lograrlo y los no metales los ganan. Por esto, el número de grupo en los metales suele coincidir con su estado de oxidación y en los no metales el estado de oxidación suele ser número de grupo menos 8. Por ejemplo: el nitrógeno está en grupo 5. Entonces, 5-8 =-3.
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:
| Elemento | Valencia/estado de oxidación | Excepciones |
| Grupo 1 | +1 | |
| Grupo 2 | +2 | |
| Aluminio | +3 | |
| Flúor | -1 | |
| Hidrógeno | +1 | hidruros metálicos |
| Oxígeno | -2 | peróxidos y compuestos con flúor |
| Cloro | -1 | compuestos con oxígeno y flúor |
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.
Por ejemplo: en el NaH, el Na tiene un estado de oxidación de +1 y el H tiene un estado de oxidación de -1.
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.
Por ejemplo: en el caso del H2O2, cada átomo de hidrógeno tiene el estado de oxidación +1, por lo que cada átomo de oxígeno debe tener el estado de oxidación -1.
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.
Por ejemplo: en el F2O, el elemento más electronegativo es el flúor, por lo que gana el estado de oxidación negativo -1. Tenemos dos átomos flúor por cada oxígeno, por lo que el estado de oxidación del oxígeno es +2.
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.
Por ejemplo: en el HClO, el O es el elemento más electronegativo, y por eso toma el estado de oxidación más negativo; en este caso, de -2. Al no ser un hidruro metálico, el H tiene un estado de oxidación de +1. Esto significa que el Cl también debe tener un estado de oxidación de +1, ya que 1 + 1 + (-2) = 0.
En la química orgánica, la oxidación se ve fácilmente como la adición de oxígeno.
Veamos como esto afecta al estado de oxidación del carbono:
- CO2 = el carbono tiene un estado de oxidación de +4
- CH3OH = el carbono tiene un estado de oxidación de -2
- CH4 = el carbono tiene un estado de oxidación de -4
Para calcularlo, se hace lo siguiente:
- Si hay algún elemento menos electronegativo que el carbono, como los metales o el H, cada enlace cuenta -1
- Si hay un enlace a otro carbono y, por tanto, es igual de electronegativo, cada enlace cuenta 0
- Si hay algún elemento más electronegativo que el carbono, como el oxígeno o el flúor, cada enlace cuenta +1
Por ejemplo: el dióxido de carbono tendría 4 enlaces C-O, (dos dobles enlaces) por lo que el estado de oxidación del carbono es
- En cuanto al CH3OH , el carbono está unido a 3 hidrógenos y a un oxígeno Por lo tanto C-O sabemos que es +1. Los enlaces C-H = -1, entonces su estado de oxidación es
.
- En cuanto al CH4, solo hay enlaces C-H, por lo que sería
.
Hagamos un ejercicio, para practicar:
Deduce el estado de oxidación media de los carbonos del ácido acético.
Solución:
El ácido acético tiene la fórmula molecular CH3COOH
- En el primer carbono:
- Como el H es un elemento menos electronegativo, C-H = -1. Además, como hay 3 hidrógenos, hay 3 enlaces C-H por lo que
- Está unido a un carbono y, como sabemos, los enlaces C-C = 0; por lo tanto, el primer carbono tendrá el estado -3 + 0 = -3
- Como el H es un elemento menos electronegativo, C-H = -1. Además, como hay 3 hidrógenos, hay 3 enlaces C-H por lo que
- El carbono del grupo carboxilo:
- Está unido a un carbono y, como sabemos, los enlaces C-C = 0
- Hay un doble enlace con un oxígeno y un enlace simple con otro oxígeno. Por lo que hay 3 enlaces C-O en total. En enlaces con el O, un elemento más electronegativo, C-O = 1; al haber tres:
El primer carbono tiene un estado de oxidación de -3 y el segundo carbono de 3.
El estado de oxidación media de los dos sería 0.
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:
Números romanos
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.
Por ejemplo: el sulfato de hierro (II) (FeSO4) contiene iones de hierro con un estado de oxidación de +2, mientras que el sulfato de hierro (III) (Fe2(SO4)3) contiene iones de hierro con un estado de oxidación de +3.
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.
Por ejemplo:
- El ion perclorato (HClO4-) tiene 4 oxígenos, y el estado de oxidación del cloro es +6.
- El ion clorato (ClO3-) tiene tres oxígenos, y el estado de oxidación del cloro es +5.
- El ion clorito (ClO2-) tiene dos oxígenos, y el estado de oxidación del cloro es +3
- El ion hipoclorito (ClO-) solo tiene un oxígeno, y el estado de oxidación del cloro es +1.
Resolvamos un par de ejercicios:
¿Como se nombran los diferentes compuestos de Magnesio con oxígeno: K2MnO4, K3MnO4,KMnO4, K2MnO3,
Solución:
Miramos el estado de oxidación del Manganeso; primero hay que separar los aniones:
K2MnO4 = MnO42- como oxigeno es -2. sabemos que
K3MnO4 = MnO43- por tanto
KMnO4 = MnO4- dando
K2MnO3 = MnO32- por lo tanto
Si los ordenamos por estado de oxidación, sería: KMnO4 (VII), K2MnO4 (VI), K3MnO4 (V) y K2MnO3 (IV). Por lo tanto, se trataría de permanganato de potasio, manganato de potasio, hipomanganato de potasio y manganito de potasio.
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 H2ClO4, 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
Probablemente, el que más te suena es el ácido sulfúrico (H2SO4).
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:
- Fíjate en la carga del ion o compuesto, si la hay. Esto te ayudará a saber cuál es tu objetivo.
- Identifica los átomos con estados de oxidación fijos.
- 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.
¿Cuáles son los estados de oxidación del azufre en los siguientes compuestos y iones?
- S8
- H2S
- SO32-
- H2SO4
1. Como se trata de un elemento libre, ya que no está formando un enlace con otro elemento, el estado de oxidación del azufre en S8 es 0.
2. El H2S es un compuesto neutro, por lo que la suma global de todos los estados de oxidación es cero.
- Cada ion de hidrógeno tiene un estado de oxidación de +1.
- Por tanto, el azufre debe tener el estado de oxidación -2, ya que
.
3. La carga global del ion SO32- es -2. Como resultado, la suma de los estados de oxidación debe ser igual a -2.
- Cada oxígeno tiene un estado de oxidación de -2, por lo que su total combinado es
.
- Esto significa que el estado de oxidación del azufre debe ser +4, ya que
4. Una vez más, el H2SO4 es un compuesto neutro, por lo que la suma de todos los estados de oxidación debe ser igual a cero.
- Hay cuatro oxígenos, cada uno con un estado de oxidación de -2, por lo que su total combinado es
- Hay dos hidrógenos, cada uno con un estado de oxidación de +1, por lo que su total combinado es
- Por tanto, el estado de oxidación del azufre debe ser +6, ya que
En el siglo XVIII, el científico britáico Joseph Priestley descubrió el oxígeno durante sus investigaciones sobre los gases que componen el aire. Gracias a esto, porteriormente, el científico francés Antoine Laurent pudo logró explicar el proceso de combustión y su asociación con el oxígeno. Este descubrió que la combustón consiste en la reacción entre el oxígeno y compuestos orgánicos, y que hay reacciones en las que el número de átomos oxígenos en la molécula aumenta y reacciones en las que el número de oxígenos en la molécula disminuye.
Estas reacciones fueron nombradas como reacciones de oxidación y reducción, respectivamente.
Estado de Oxidación - Puntos clave
- Los estados de oxidación son números asignados a los iones que muestran cuántos electrones ha perdido o ganado el ion, en comparación con el elemento en su estado libre.
- Si el estado de oxidación aumenta, el compuesto se ha oxidado; mientras que el estado de oxidación disminuye, el compuesto se ha reducido.
- Hay ciertas reglas que hay que seguir al asignar los estados de oxidación:
- El estado de oxidación de todos los elementos no combinados es cero.
- La suma de los estados de oxidación de un ion es igual a la carga iónica.
- El estado de oxidación de un compuesto neutro es cero.
- En un ion o un compuesto, el elemento más electronegativo recibe el estado de oxidación más negativo.
- Algunos elementos adoptan determinados estados de oxidación, aunque hay excepciones a las reglas generales.
- Los números romanos y los prefijos y sufijos de los compuestos nos dan pistas sobre los estados de oxidación de los elementos implicados.
- Podemos calcular los estados de oxidación utilizando las fórmulas químicas y las reglas indicadas.
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Preguntas frecuentes sobre Estado de oxidación
¿Cómo calcular el estado de oxidación?
El estado de oxidación se calcula teniendo en cuenta las siguientes reglas:
- El estado de oxidación de todos los elementos no combinados es cero.
- La suma de los estados de oxidación de un ion es igual a la carga iónica.
- El estado de oxidación de un compuesto neutro es cero.
- En un ion o un compuesto, el elemento más electronegativo recibe el estado de oxidación más negativo.
¿Qué es el estado de oxidación y qué valores puede tener?
Los estados de oxidación son números asignados a los iones, que muestran cuántos electrones ha perdido o ganado el ion, en comparación con el elemento en su estado libre. Los valores dependen de las propiedades de los elementos del compuesto.
¿Por qué se llama oxidación?
El científico francés Antoine Laurent logró explicar el proceso de combustión y su asociación con el oxígeno. Descubrió que la combustión consiste en la reacción entre el oxígeno y compuestos orgánicos.
Asimismo, que hay reacciones en las que el número de átomos oxígenos en la molécula aumenta y reacciones en las que el número de oxígenos en la molécula disminuye. Estas reacciones fuero nombradas como reacciones de oxidación y reducción, respectivamente.
¿Cuándo el oxígeno presenta estado de oxidación (- 1)?
Por ejemplo, en el caso del H2O2. Se trata de un compuesto neutro y, por tanto, la suma de los estados de oxidación debe ser cero. Cada átomo de hidrógeno tiene el estado de oxidación +1, por lo que cada átomo de oxígeno debe tener el estado de oxidación -1.
¿Qué elemento tiene estado de oxidación +1?
El hidrógeno, a no ser que esté formando un hidruro metálico,
También, otros elementos como el litio, el sodio y el potasio; y elementos que tienen varios estados de oxidación como el carbono, el cloro y el cobre.
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