En química, los términos "oxidación" y "reducción" se refieren a reacciones en las que un átomo o grupo de átomos pierde o gana electrones, respectivamente. El estado de oxidación es un valor numérico asignado a uno o más átomos que caracteriza el número de electrones redistribuidos y muestra cómo estos electrones se distribuyen entre los átomos durante una reacción. Determinar este valor puede ser un procedimiento simple o bastante complejo, dependiendo de los átomos y las moléculas que los componen. Además, los átomos de algunos elementos pueden tener varios estados de oxidación. Afortunadamente, existen reglas simples e inequívocas para determinar el estado de oxidación; para utilizarlas con confianza, basta con tener conocimientos de los conceptos básicos de química y álgebra.

Pasos

Parte 1

Determinar si la sustancia en cuestión es elemental. El estado de oxidación de los átomos fuera de un compuesto químico es cero. Esta regla es válida tanto para sustancias formadas a partir de átomos libres individuales como para aquellas que constan de dos moléculas poliatómicas de un elemento.

• Por ejemplo, el Al(s) y el Cl2 tienen un estado de oxidación de 0 porque ambos se encuentran en un estado elemental químicamente libre.
• Tenga en cuenta que la forma alotrópica del azufre S8 u octaazufre, a pesar de su estructura atípica, también se caracteriza por un estado de oxidación cero.

1. Determine si la sustancia en cuestión está formada por iones. El estado de oxidación de los iones es igual a su carga. Esto es válido tanto para los iones libres como para los que forman parte de compuestos químicos.

   • Por ejemplo, el estado de oxidación del ion Cl - es -1.
   • El estado de oxidación del ion Cl en el compuesto químico NaCl también es -1. Dado que el ion Na, por definición, tiene una carga de +1, concluimos que el ion Cl tiene una carga de -1 y, por tanto, su estado de oxidación es -1.

2. Tenga en cuenta que los iones metálicos pueden tener varios estados de oxidación. Los átomos de muchos elementos metálicos pueden ionizarse en diversos grados. Por ejemplo, la carga de los iones de un metal como el hierro (Fe) es +2 o +3. La carga de los iones metálicos (y su estado de oxidación) puede determinarse mediante las cargas de iones de otros elementos con los que el metal forma parte de un compuesto químico; en el texto esta carga se indica con números romanos: por ejemplo, el hierro (III) tiene un estado de oxidación de +3.

   • Como ejemplo, consideremos un compuesto que contiene un ion aluminio. La carga total del compuesto AlCl 3 es cero. Como sabemos que los iones Cl - tienen una carga de -1, y hay 3 de estos iones en el compuesto, para que la sustancia en cuestión sea neutra en general, el ion Al debe tener una carga de +3. Así, en este caso, el estado de oxidación del aluminio es +3.

3. El estado de oxidación del oxígeno es -2 (con algunas excepciones). En casi todos los casos, los átomos de oxígeno tienen un estado de oxidación de -2. Hay algunas excepciones a esta regla:

   • Si el oxígeno se encuentra en su estado elemental (O2), su estado de oxidación es 0, como ocurre con otras sustancias elementales.
   • Si se incluye oxígeno peróxido, su estado de oxidación es -1. Los peróxidos son un grupo de compuestos que contienen un enlace simple oxígeno-oxígeno (es decir, el anión peróxido O 2 -2). Por ejemplo, en la composición de la molécula de H 2 O 2 (peróxido de hidrógeno), el oxígeno tiene una carga y un estado de oxidación de -1.
   • Cuando se combina con flúor, el oxígeno tiene un estado de oxidación de +2; lea la regla para el flúor a continuación.

4. El hidrógeno tiene un estado de oxidación de +1, salvo algunas excepciones. Al igual que con el oxígeno, aquí también hay excepciones. Normalmente, el estado de oxidación del hidrógeno es +1 (a menos que esté en el estado elemental H2). Sin embargo, en compuestos llamados hidruros, el estado de oxidación del hidrógeno es -1.

   • Por ejemplo, en H2O el estado de oxidación del hidrógeno es +1 porque el átomo de oxígeno tiene una carga -2 y se necesitan dos cargas +1 para la neutralidad general. Sin embargo, en la composición del hidruro de sodio, el estado de oxidación del hidrógeno ya es -1, ya que el ion Na tiene una carga de +1, y para la neutralidad eléctrica general, la carga del átomo de hidrógeno (y por lo tanto su estado de oxidación) debe ser igual a -1.

5. Flúor Siempre tiene un estado de oxidación de -1. Como ya se señaló, el estado de oxidación de algunos elementos (iones metálicos, átomos de oxígeno en peróxidos, etc.) puede variar dependiendo de varios factores. Sin embargo, el estado de oxidación del flúor es invariablemente -1. Esto se explica por el hecho de que este elemento tiene la electronegatividad más alta; en otras palabras, los átomos de flúor son los menos dispuestos a separarse de sus propios electrones y los más activamente atraen electrones extraños. Por tanto, su cargo permanece sin cambios.

6. La suma de los estados de oxidación de un compuesto es igual a su carga. Los estados de oxidación de todos los átomos de un compuesto químico deben sumar la carga de ese compuesto. Por ejemplo, si un compuesto es neutro, la suma de los estados de oxidación de todos sus átomos debe ser cero; si el compuesto es un ion poliatómico con carga -1, la suma de los estados de oxidación es -1, y así sucesivamente.

   • Este buen metodo comprobaciones: si la suma de los estados de oxidación no es igual a la carga total del compuesto, entonces cometió un error en alguna parte.

   Parte 2

   Determinación del estado de oxidación sin utilizar las leyes de la química.

   1. Encuentra átomos que no tienen reglas estrictas en relación al grado de oxidación. En relación a algunos elementos no es firme. reglas establecidas encontrar el estado de oxidación. Si un átomo no cumple ninguna de las reglas enumeradas anteriormente y no conoce su carga (por ejemplo, el átomo es parte de un complejo y su carga no está especificada), puede determinar el número de oxidación de dicho átomo mediante eliminación. Primero, determine la carga de todos los demás átomos del compuesto y luego, a partir de la carga total conocida del compuesto, calcule el estado de oxidación de un átomo dado.

      • Por ejemplo, en el compuesto Na 2 SO 4 se desconoce la carga del átomo de azufre (S); solo sabemos que no es cero, ya que el azufre no está en estado elemental. Esta conexión sirve buen ejemplo por ilustracion método algebraico determinar el grado de oxidación.

   2. Encuentre los estados de oxidación de los elementos restantes en el compuesto. Usando las reglas descritas anteriormente, determine los estados de oxidación de los átomos restantes del compuesto. No olvide las excepciones a las reglas en el caso de los átomos de O, H, etc.

      • Para Na 2 SO 4, usando nuestras reglas, encontramos que la carga (y por lo tanto el estado de oxidación) del ion Na es +1, y para cada uno de los átomos de oxígeno es -2.

   3. Encuentre el número de oxidación desconocido a partir de la carga del compuesto. Ahora tienes todos los datos para calcular fácilmente el estado de oxidación deseado. Escribe una ecuación, en el lado izquierdo de la cual estará la suma del número obtenido en el paso anterior de cálculos y el estado de oxidación desconocido, y en el lado derecho, la carga total del compuesto. En otras palabras, (Suma de estados de oxidación conocidos) + (estado de oxidación deseado) = (carga del compuesto).

      • En nuestro caso, la solución de Na 2 SO 4 se ve así:
        • (Suma de estados de oxidación conocidos) + (estado de oxidación deseado) = (carga del compuesto)
        • -6 + S = 0
        • S = 0 + 6
        • S = 6. En Na 2 SO 4 el azufre tiene un estado de oxidación 6 .
   • En los compuestos, la suma de todos los estados de oxidación debe ser igual a la carga. Por ejemplo, si el compuesto es un ion diatómico, la suma de los estados de oxidación de los átomos debe ser igual a la carga iónica total.
   • Es muy útil poder utilizar la tabla periódica y saber dónde se ubican en ella los elementos metálicos y no metálicos.
   • El estado de oxidación de los átomos en forma elemental es siempre cero. El estado de oxidación de un solo ion es igual a su carga. Los elementos del grupo 1A de la tabla periódica, como el hidrógeno, el litio, el sodio, en su forma elemental tienen un estado de oxidación de +1; Los metales del grupo 2A, como el magnesio y el calcio, tienen un estado de oxidación de +2 en su forma elemental. El oxígeno y el hidrógeno, según el tipo de enlace químico, pueden tener 2 diferentes significados grado de oxidación.

El grado de oxidación es un valor convencional utilizado para registrar reacciones redox. Para determinar el grado de oxidación se utiliza la tabla de oxidación de elementos químicos.

Significado

El estado de oxidación de los elementos químicos básicos se basa en su electronegatividad. El valor es igual al número de electrones desplazados en los compuestos.

El estado de oxidación se considera positivo si los electrones se desplazan del átomo, es decir, el elemento dona electrones en el compuesto y es un agente reductor. Estos elementos incluyen metales, su estado de oxidación es siempre positivo.

Cuando un electrón se desplaza hacia un átomo, el valor se considera negativo y el elemento se considera un agente oxidante. El átomo acepta electrones hasta que se completa el nivel de energía exterior. La mayoría de los no metales son agentes oxidantes.

Las sustancias simples que no reaccionan siempre tienen un estado de oxidación cero.

Arroz. 1. Tabla de estados de oxidación.

En un compuesto, el átomo no metálico con menor electronegatividad tiene un estado de oxidación positivo.

Definición

Puedes determinar los estados de oxidación máximo y mínimo (cuántos electrones puede dar y aceptar un átomo) utilizando la tabla periódica.

El grado máximo es igual al número del grupo en el que se encuentra el elemento, o al número de electrones de valencia. El valor mínimo está determinado por la fórmula:

No. (grupos) – 8.

Arroz. 2. Tabla periódica.

El carbono se encuentra en el cuarto grupo, por lo tanto, su estado de oxidación más alto es +4 y el más bajo es -4. El grado máximo de oxidación del azufre es +6, el mínimo es -2. La mayoría de los no metales siempre tienen un estado de oxidación variable (positivo y negativo). La excepción es el fluoruro. Su estado de oxidación es siempre -1.

Cabe recordar que esta regla no se aplica a los metales alcalinos y alcalinotérreos de los grupos I y II, respectivamente. Estos metales tienen un estado de oxidación positivo constante: litio Li +1, sodio Na +1, potasio K +1, berilio Be +2, magnesio Mg +2, calcio Ca +2, estroncio Sr +2, bario Ba +2. Otros metales pueden presentar grados variables oxidación. La excepción es el aluminio. A pesar de pertenecer al grupo III, su estado de oxidación es siempre +3.

Arroz. 3. Metales alcalinos y alcalinotérreos.

Del grupo VIII el grado más alto Sólo el rutenio y el osmio pueden presentar una oxidación +8. El oro y el cobre del grupo I presentan estados de oxidación de +3 y +2, respectivamente.

Registro

Para registrar correctamente el estado de oxidación, debes recordar varias reglas:

• los gases inertes no reaccionan, por lo que su estado de oxidación es siempre cero;
• en los compuestos, el estado de oxidación variable depende de la valencia variable y de la interacción con otros elementos;
• hidrógeno en compuestos con metales exhibidos grado negativo oxidación - Ca +2 H 2 −1, Na +1 H −1;
• el oxígeno siempre tiene un estado de oxidación de -2, excepto el fluoruro y el peróxido de oxígeno - O +2 F 2 −1, H 2 +1 O 2 −1.

¿Qué hemos aprendido?

El estado de oxidación es un valor condicional que muestra cuántos electrones ha aceptado o cedido un átomo de un elemento en un compuesto. El valor depende del número de electrones de valencia. Los metales en los compuestos siempre tienen un estado de oxidación positivo, es decir. son agentes reductores. Para los metales alcalinos y alcalinotérreos, el estado de oxidación es siempre el mismo. Los no metales, excepto el flúor, pueden adoptar estados de oxidación positivos y negativos.

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El número de oxidación es la carga condicional de un átomo en una molécula, la recibe el átomo como resultado de la aceptación completa de los electrones, se calcula a partir del supuesto de que todos los enlaces son de naturaleza iónica. ¿Cómo determinar el estado de oxidación?

Determinación del estado de oxidación.

Hay partículas cargadas, iones, Carga positiva que es igual al número de electrones recibidos de un átomo. La carga negativa de un ion es igual al número de electrones aceptados por un átomo de un elemento químico. Por ejemplo, escribir un elemento como Ca2+ significa que los átomos de los elementos han perdido uno, dos o tres elementos. Para encontrar la composición de compuestos iónicos y compuestos moleculares, necesitamos saber cómo determinar el estado de oxidación de los elementos. Los estados de oxidación son negativos, positivos y cero. Si tenemos en cuenta el número de átomos, entonces el estado de oxidación algebraico de una molécula es cero.

Para determinar el estado de oxidación de un elemento, es necesario guiarse por ciertos conocimientos. Por ejemplo, en los compuestos metálicos el estado de oxidación es positivo. Y el mayor estado de oxidación corresponde al número de grupo de la tabla periódica donde se ubica el elemento. Los metales pueden tener estados de oxidación positivos o negativos. Esto dependerá del factor mediante el cual átomo esté conectado el metal. Por ejemplo, si está conectado a un átomo metálico, el grado será negativo, pero si está conectado a un no metal, el grado será positivo.

El estado de oxidación más alto negativo de un metal se puede determinar restando del número ocho el número del grupo donde se encuentra el elemento requerido. Como regla general, es igual al número de electrones ubicados en la capa exterior. El número de estos electrones también corresponde al número del grupo.

Cómo calcular el número de oxidación

En la mayoría de los casos, el estado de oxidación de un átomo de un determinado elemento no coincide con el número de enlaces que forma, es decir, no es igual a la valencia de ese elemento. Esto se puede ver claramente en el ejemplo de los compuestos orgánicos.

Permítanme recordarles que la valencia del carbono en los compuestos orgánicos es 4 (es decir, forma 4 enlaces), pero el estado de oxidación del carbono, por ejemplo, en metanol CH 3 OH es -2, en CO 2 +4, en CH4 - 4, en ácido fórmico HCOOH + 2. La valencia se mide por el número de enlaces químicos covalentes, incluidos los formados por el mecanismo donante-aceptor.

Al determinar el estado de oxidación de los átomos en las moléculas, un átomo electronegativo, cuando un par de electrones se desplaza en su dirección, adquiere una carga de -1, pero si hay dos pares de electrones, entonces habrá una carga de -2. El estado de oxidación no se ve afectado por el enlace entre átomos similares. Por ejemplo:

• Conexión átomos CC es igual a su estado de oxidación cero.
• Enlace C-H: aquí, el carbono, como átomo más electronegativo, tendrá una carga de -1.
• En un enlace C-O, la carga del carbono, al ser menos electronegativa, será +1.

Ejemplos de determinación del estado de oxidación.

1. En una molécula como CH 3Cl hay tres enlaces CH C). Así, el estado de oxidación del átomo de carbono en este compuesto será igual a: -3+1=-2.
2. Encontremos el estado de oxidación de los átomos de carbono en la molécula de acetaldehído Cˉ³H3-C¹O-H. En este compuesto, los tres enlaces C-H darán una carga total en el átomo de C, que es igual a (Cº+3e→Cˉ³)-3. El doble enlace C=O (aquí el oxígeno tomará electrones del átomo de carbono, ya que el oxígeno es más electronegativo) da una carga al átomo de C, es igual a +2 (Cº-2e→C²), mientras que el enlace C-H tiene una carga de -1, lo que significa que la carga total del átomo de C es: (2-1=1)+1.
3. Ahora encontremos el estado de oxidación en la molécula de etanol: Cˉ³H-Cˉ¹H2-OH. Aquí tres enlaces C-H darán una carga total en el átomo de C, es igual a (Cº+3e→Cˉ³)-3. Dos enlaces C-H darán una carga en el átomo de C, que será igual a -2, mientras que el enlace C→O dará una carga de +1, lo que significa que la carga total en el átomo de C es (-2+1= -1)-1.

Ahora sabes cómo determinar el estado de oxidación de un elemento. Si tienes al menos conocimientos básicos de química, esta tarea no será un problema para ti.

La carga formal de un átomo en los compuestos es: cantidad auxiliar, suele utilizarse en descripciones de las propiedades de los elementos en química. Esta carga eléctrica convencional es el estado de oxidación. Su significado cambia como resultado de muchos procesos quimicos. Aunque la carga es formal, caracteriza claramente las propiedades y el comportamiento de los átomos en reacciones redox (ORR).

Oxidación y reducción.

En el pasado, los químicos utilizaban el término "oxidación" para describir la interacción del oxígeno con otros elementos. El nombre de las reacciones proviene del nombre latino del oxígeno: Oxygenium. Posteriormente resultó que otros elementos también se oxidan. En este caso, se reducen: ganan electrones. Cada átomo, al formar una molécula, cambia la estructura de su capa de electrones de valencia. En este caso aparece una carga formal, cuya magnitud depende del número de electrones convencionalmente dados o aceptados. Para caracterizar este valor, anteriormente se utilizaba el término químico inglés "número de oxidación", que traducido significa "número de oxidación". Al usarlo, parten del supuesto de que los electrones de enlace en moléculas o iones pertenecen a un átomo que tiene más alto valor electronegatividad (EO). La capacidad de retener sus electrones y atraerlos de otros átomos se expresa bien en los no metales fuertes (halógenos, oxígeno). Los metales fuertes (sodio, potasio, litio, calcio, otros elementos alcalinos y alcalinotérreos) tienen propiedades opuestas.

Determinación del estado de oxidación.

El estado de oxidación es la carga que adquiriría un átomo si los electrones que participan en la formación del enlace se desplazaran por completo a un elemento más electronegativo. Hay sustancias que no tienen estructura molecular (haluros de metales alcalinos y otros compuestos). En estos casos, el estado de oxidación coincide con la carga del ion. La carga condicional o real muestra qué proceso ocurrió antes de que los átomos adquirieran su estado actual. Un estado de oxidación positivo es total electrones que han sido eliminados de los átomos. Un número de oxidación negativo es igual al número de electrones ganados. Al cambiar el estado de oxidación de un elemento químico, se juzga lo que les sucede a sus átomos durante la reacción (y viceversa). El color de una sustancia determina qué cambios se han producido en el estado de oxidación. Los compuestos de cromo, hierro y otros elementos, en los que presentan diferentes valencias, tienen colores diferentes.

Valores de estado de oxidación negativos, cero y positivos.

Se forman sustancias simples. elementos químicos con el mismo valor de EO. En este caso, los electrones de enlace pertenecen por igual a todas las partículas estructurales. Por lo tanto, en sustancias simples Los elementos no se caracterizan por un estado de oxidación (H 0 2, O 0 2, C 0). Cuando los átomos aceptan electrones o la nube general se desplaza en su dirección, las cargas suelen escribirse con un signo menos. Por ejemplo, F -1, O -2, C -4. Al donar electrones, los átomos adquieren una carga positiva real o formal. En el óxido OF2, el átomo de oxígeno cede un electrón cada uno a dos átomos de flúor y se encuentra en el estado de oxidación O +2. En una molécula o ion poliatómico, se dice que los átomos más electronegativos reciben todos los electrones de enlace.

El azufre es un elemento que presenta diferentes estados de valencia y oxidación.

Los elementos químicos de los subgrupos principales suelen presentar una valencia inferior igual a VIII. Por ejemplo, la valencia del azufre en el sulfuro de hidrógeno y los sulfuros metálicos es II. Un elemento se caracteriza por tener una valencia intermedia y alta en el estado excitado, cuando el átomo cede uno, dos, cuatro o los seis electrones y presenta valencias I, II, IV, VI, respectivamente. Los mismos valores, sólo que con signo menos o más, tienen los estados de oxidación del azufre:

• en sulfuro de flúor dona un electrón: -1;
• en sulfuro de hidrógeno el valor más bajo: -2;
• en estado intermedio de dióxido: +4;
• en trióxido, ácido sulfúrico y sulfatos: +6.

En su estado de oxidación más alto, el azufre sólo acepta electrones; en su estado más bajo, exhibe fuertes propiedades reductoras. Los átomos de S+4 pueden actuar como agentes reductores o agentes oxidantes en compuestos, dependiendo de las condiciones.

Transferencia de electrones en reacciones químicas.

Cuando se forma un cristal de cloruro de sodio, el sodio dona electrones al cloro, más electronegativo. Los estados de oxidación de los elementos coinciden con las cargas de los iones: Na+1 Cl -1. Para moléculas creadas por socialización y desplazamiento. pares de electrones a un átomo más electronegativo, sólo son aplicables los conceptos de carga formal. Pero podemos suponer que todos los compuestos están formados por iones. Luego, los átomos, al atraer electrones, adquieren una carga negativa condicional y, al regalarlos, positiva. En las reacciones indican cuántos electrones se desplazan. Por ejemplo, en la molécula de dióxido de carbono C +4 O - 2 2, el índice indicado en la esquina superior derecha del símbolo químico del carbono refleja la cantidad de electrones eliminados del átomo. El oxígeno en esta sustancia se caracteriza por un estado de oxidación de -2. El índice correspondiente al signo químico O es el número de electrones agregados en el átomo.

Cómo calcular los estados de oxidación.

Contar el número de electrones donados y ganados por los átomos puede llevar mucho tiempo. Las siguientes reglas facilitan esta tarea:

1. En sustancias simples, los estados de oxidación son cero.
2. La suma de la oxidación de todos los átomos o iones en una sustancia neutra es cero.
3. En un ion complejo, la suma de los estados de oxidación de todos los elementos debe corresponder a la carga de toda la partícula.
4. Un átomo más electronegativo adquiere un estado de oxidación negativo, que se escribe con un signo menos.
5. Los elementos menos electronegativos reciben estados de oxidación positivos y se escriben con un signo más.
6. El oxígeno generalmente presenta un estado de oxidación de -2.
7. Para el hidrógeno el valor característico es: +1; en los hidruros metálicos se encuentra: H-1.
8. El flúor es el más electronegativo de todos los elementos y su estado de oxidación es siempre -4.
9. Para la mayoría de los metales, los números de oxidación y las valencias son los mismos.

Estado de oxidación y valencia.

La mayoría de los compuestos se forman como resultado de procesos redox. La transición o desplazamiento de electrones de un elemento a otro provoca un cambio en su estado de oxidación y valencia. A menudo estos valores coinciden. La frase "valencia electroquímica" puede utilizarse como sinónimo del término "estado de oxidación". Pero hay excepciones, por ejemplo, en el ion amonio, el nitrógeno es tetravalente. Al mismo tiempo, el átomo de este elemento se encuentra en el estado de oxidación -3. En las sustancias orgánicas, el carbono siempre es tetravalente, pero los estados de oxidación del átomo de C en el metano CH 4, el alcohol fórmico CH 3 OH y el ácido HCOOH tienen valores diferentes: -4, -2 y +2.

Reacciones redox

Los factores redox incluyen muchos procesos críticos en la industria, la tecnología, la naturaleza viva e inanimada: combustión, corrosión, fermentación, respiración intracelular, fotosíntesis y otros fenómenos.

Al compilar ecuaciones OVR, los coeficientes se seleccionan utilizando el método de balance electrónico, que opera con las siguientes categorías:

• estados de oxidación;
• el agente reductor cede electrones y se oxida;
• el agente oxidante acepta electrones y se reduce;
• el número de electrones cedido debe ser igual al número de electrones añadidos.

La adquisición de electrones por parte de un átomo conduce a una disminución de su estado de oxidación (reducción). La pérdida de uno o más electrones por parte de un átomo va acompañada de un aumento del número de oxidación del elemento como resultado de reacciones. Para ORR que fluye entre iones electrolitos fuertes V soluciones acuosas, más a menudo no utilizan una balanza electrónica, sino un método de media reacción.