Se denomina
reacción de reducción-oxidación, de
óxido-reducción o, simplemente,
reacción redox, a toda
reacción química en la que uno o más
electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus
estados de oxidación.
Para que exista una reacción de reducción-oxidación, en el sistema debe haber un elemento que ceda
electrones, y otro que los acepte:
- El agente reductor
es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura
química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir, siendo
oxidado.
- El agente oxidante
es el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando
con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir, siendo
reducido.2
Cuando un elemento químico reductor cede electrones al medio, se
convierte en un elemento oxidado, y la relación que guarda con su
precursor queda establecida mediante lo que se llama un «par redox».
Análogamente, se dice que, cuando un elemento químico capta electrones
del medio, este se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma
un par redox con su precursor oxidado. Cuando una especie puede
oxidarse, y a la vez reducirse, se le denomina anfolito, y al proceso de
la oxidación-reducción de esta especie se le llama
anfolización.
El principio de electro neutralidad de Pauling corresponde a un
método de aproximación para estimar la carga en moléculas o iones
complejos, este supone que la carga siempre se distribuye en valores
cercanos a 0 (es decir, -1, 0, +1).
Dentro de una reacción global redox, se da una serie de reacciones particulares llamadas semirreacciones o reacciones parciales.
- Semirreacción de reducción: 2e− + Cu2+ → Cu0
- Semirreacción de oxidación: Fe0 → Fe2+ + 2e−
o más comúnmente, también llamada ecuación general:
- Fe0 + Cu2+ → Fe2+ + Cu0
La tendencia a reducir u oxidar a otros elementos químicos se cuantifica por el
potencial de reducción, también llamado potencial redox.
Una titulación redox es una en la que un indicador químico indica el
cambio en el porcentaje de la reacción redox mediante el viraje de color
entre el oxidante y el reductor.
Se debe tener en cuenta que en realidad una oxidación o una reducción
es un proceso por el cual cambia el estado de oxidación de un
compuesto. Este cambio no significa necesariamente un intercambio de
iones. Suponer esto -que es un error común- implica que todos los
compuestos formados mediante un proceso redox son
iónicos, puesto que es en éstos compuestos donde sí se da un enlace iónico, producto de la transferencia de electrones.
Por ejemplo, en la reacción de formación del cloruro de hidrógeno a
partir de los gases dihidrógeno y dicloro, se da un proceso redox y sin
embargo se forma un compuesto covalente.
Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una
sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. Una
cede
electrones y la otra los acepta. Por esta razón, se prefiere el término general de reacciones
redox.
La propia
vida es un fenómeno
redox. El
oxígeno es el mejor oxidante que existe debido a que la molécula es poco reactiva (por su doble enlace) y sin embargo es muy
electronegativo, casi como el
flúor.
La sustancia más oxidante que existe es el
catión KrF+ porque fácilmente forma Kr y
F+.
- Br− + O
3 → BrO−
3
El nombre de "oxidación" proviene de que en la mayoría de estas reacciones, la transferencia de
electrones se da mediante la adquisición de átomos de
oxígeno (cesión de
electrones) o viceversa. Sin embargo, la oxidación y la reducción puede darse sin que haya intercambio de
oxígeno de por medio, por ejemplo, la oxidación de
yoduro de sodio a
yodo mediante la reducción de
cloro a
cloruro de sodio:
- 2 NaI + Cl
2 → I
2 + 2 NaCl
Ésta puede desglosarse en sus dos semirreacciones correspondientes:
- 2I− → I
2 + 2 e−
- Cl
2 + 2 e− → 2 Cl−
- Ejemplo
El
hierro puede presentar dos formas oxidadas:
Reducción
Cuando un
ion o un
átomo se reducen presenta estas características:
- Ejemplo
El ion
hierro (III) puede ser reducido a hierro (II):
- Fe3+ + e− → Fe2+
- CH≡CH + H
2 → CH
2=CH
2 (el etino se reduce para dar eteno).
- CH
3–CHO + H
2 → CH
3–CH
2OH (el etanal se reduce a etanol).
Número de oxidación
La
cuantificación de un elemento químico puede efectuarse mediante su
número de oxidación.
Durante el proceso de oxidación, el número de oxidación del elemento
aumenta. En cambio, durante la reducción, el número de oxidación de la
especie que se reduce disminuye. El número de oxidación es un número
entero que representa el número de electrones que un átomo pone en juego
cuando forma un enlace determinado.
El número de oxidación:
- Aumenta si el átomo pierde electrones (el elemento químico que se oxida), o los comparte con un átomo que tenga tendencia a captarlos.
- Disminuye cuando el átomo gana electrones (el elemento químico que se reduce), o los comparte con un átomo que tenga tendencia a cederlos.
Reglas para asignar el número de oxidación
- El número de oxidación de todos los elementos sin combinar es cero. Independientemente de la forma en que se representen.
- El número de oxidación de las especies iónicas monoatómicas coincide con la carga del ion.
- El número de oxidación del hidrógeno combinado es +1, excepto en los hidruros metálicos, donde su número de oxidación es –1 (ej: AlH
3, LiH)
- El número de oxidación del oxígeno combinado es –2, excepto en los peróxidos, donde su número de oxidación es –1 (ej.:Na
2O
2, H
2O
2).
- El número de oxidación en los elementos metálicos, cuando están
combinados es siempre positivo y numéricamente igual a la carga del ion.
- El número de oxidación de los halógenos en los hidrácidos y sus respectivas sales es –1, en cambio el número de oxidación del azufre en su hidrácido y respectivas sales es –2.
- El número de oxidación de una molécula es cero. O lo que es lo
mismo, la suma de los números de oxidación de los átomos de una molécula
neutra es cero.
Ajuste de ecuaciones
Todo proceso redox requiere del ajuste
estequiométrico de los componentes de las semirreacciones para la oxidación y reducción.
- en medio ácido iones hidrógeno (H+), moléculas de agua (H
2O), y electrones
- en medio básico hidroxilos (OH−), moléculas de agua (H
2O), y electrones para compensar los cambios en los números de oxidación.
Medio ácido
En medio ácido se agregan hidronios (
cationes) (
H+) y agua (
H
2O) a las semirreacciones para balancear la ecuación final.
Del lado de la ecuación que haga falta oxígeno se agregarán moléculas
de agua, y del lado de la ecuación que hagan falta hidrógenos se
agregarán hidronios.
Por ejemplo, cuando el Manganeso (II) reacciona con el Bismutato de Sodio.
Ecuación sin balancear:

- Oxidación :

- Reducción :

Ahora tenemos que agregar los hidronios y las moléculas de agua donde
haga falta hidrógenos y donde haga falta oxígenos, respectivamente.
- Oxidación:

- Reducción:

Las reacciones se balancearán al momento de igualar la cantidad de
electrones que intervienen en ambas semirreacciones. Esto se logrará
multiplicando la reacción de una semirreación por el número de
electrones de la otra semirreacción (y, de ser necesario, viceversa), de
modo que la cantidad de electrones sea constante.
- Oxidación:

- Reducción:

Al final tendremos:
- Oxidación:

- Reducción:

Como se puede ver, los electrones están balanceados, así que
procedemos a sumar las dos semirreacciones, para obtener finalmente la
ecuación balanceada.


Medio básico
En medio básico se agregan iones hidróxidos (
aniones) (
OH−) y agua (
H
2O) a las semirreacciones para balancear la ecuación final.
Por ejemplo, tenemos la reacción entre el Permanganato de Potasio y el Sulfito de Sodio.
Ecuación sin balancear:

Separamos las semirreacciones en
- Oxidación:

- Reducción:

Agregamos la cantidad adecuada de Hidróxidos y Agua (las moléculas de agua se sitúan en donde hay mayor cantidad de oxígenos).
- Oxidación:

- Reducción:

Balanceamos la cantidad de electrones al igual que en el ejemplo anterior.
- Oxidación:

- Reducción:

Obtenemos:
- Oxidación:

- Reducción:

Como se puede ver, los electrones están balanceados, así que
procedemos a sumar las dos semirreacciones, para obtener finalmente la
ecuación balanceada.


Aplicaciones
En la
industria,
los procesos redox también son muy importantes, tanto por su uso
productivo (por ejemplo la reducción de minerales para la obtención del
aluminio o del
hierro) como por su prevención (por ejemplo en la corrosión).
Oxidaciones y reducciones biológicas
Reducción del
coenzima FAD, en forma de ganancia de un par de átomos de hidrógeno (dos protones y dos electrones.
En el
metabolismo
de todos los seres vivos, los procesos redox tienen una importancia
capital, ya que están involucrados en la cadena de reacciones químicas
de la
fotosíntesis y de la
respiración aeróbica. En ambas reacciones existe una
cadena transportadora de electrones formada por una serie de complejos
enzimáticos, entre los que destacan los
citocromos;
estos complejos enzimáticos aceptan (se reducen) y ceden (se oxidan)
pares de electrones de una manera secuencial, de tal manera que el
primero cede electrones al segundo, éste al tercero, etc., hasta un
aceptor final que se reduce definitivamente; durante su viaje, los
electrones van liberando energía que se aprovecha para sintetizar
enlaces de alta energía en forma de
ATP.
Otro tipo de reacción redox fundamental en los procesos metabólicos son las
deshidrogenaciones, en las cuales un enzima (
deshidrogenasa) arranca un par de átomos de
hidrógeno a un
sustrato; dado que el átomo de hidrógeno consta de un
protón
y un electrón, dicho sustrato se oxida (ya que pierde electrones).
Dichos electrones son captados por moléculas especializadas,
principalmente las
coenzimas NAD+,
NADP+ y
FAD que al ganar electrones se reducen, y los conducen a las cadenas transportadoras de electrones antes mencionadas.
El metabolismo implica cientos de reacciones redox. Así, el
catabolismo lo constituyen reacciones en que los sustratos se oxidan y las coenzimas se reducen. Por el contrario, las reacciones del
anabolismo
son reacciones en que los sustratos se reducen y las coenzimas se
oxidan. En su conjunto, catabolismo y anabolismo constituyen el
metabolismo.