¿Para qué sirven los estados de oxidación?

Question

Cuando estudié química en el instituto hace muchos años, se dedicó un esfuerzo considerable a enseñarnos a calcular estados de oxidación de los átomos en varios compuestos, siguiendo una serie de reglas que me parecieron algo arbitrarias en su momento. Por lo que recuerdo, nunca se nos dijo qué beneficios (aparte de pasar los exámenes) nos daría el conocimiento de los estados de oxidación.

Se utilizaron como parte de un enrevesado procedimiento para "equilibrar las reacciones redox", pero nunca vi un ejemplo en el que no se obtuvieran los mismos resultados simplemente exigiendo que el número de núcleos de cada elemento, así como la carga total, fueran iguales en ambos lados de la reacción, y resolviendo las ecuaciones lineales diofánticas resultantes.

Sin embargo, el concepto debe ser útil, además de para plantear ejercicios de tarea -- veo que las enciclopedias y otras fuentes dedican mucho espacio a clasificar los compuestos en función del estado de oxidación de este o aquel átomo. Sin embargo, no recuerdo haber visto ningún caso en el que los estados de oxidación sean utilizado para cualquier cosa (que no sea computar otros estados de oxidación).

¿Para qué se utiliza realmente este concepto? Sólo uno o dos ejemplos básicos en los que conocer los estados de oxidación ayuda a producir una predicción significativa.

No parece que el "estado de oxidación" codifique realmente ningún cambio de configuración particular dentro del átomo que tienda a conservarse a través de las reacciones. ¿O de alguna manera se requiere un esfuerzo (¿energía?) para cambiar un átomo de de un estado de oxidación a otro? En ese caso, ¿qué cambia realmente?

Perdone si es una pregunta demasiado básica. Puede que sea algo que "todo el mundo sabe". He intentado buscar, por ejemplo, en el Artículo de Wikipedia pero también parece estar totalmente centrado en cómo determinar estados de oxidación y no explica por qué uno desearía conocerlos. Y todos los estado de oxidación preguntas aquí parece que se trata de determinar los estados de oxidación, y no se dice por qué el que pregunta quiere saberlo...

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Editar: Estoy buscando aplicaciones de los números de oxidación, con lo que me refiero a las reglas, leyes, tendencias, reglas de pulgar o similares de la forma general:

Cuando tienes (condición que implica números de oxidación) entonces (predicción que puede verificarse sin saber cuáles son los números de oxidación) .

Answer 1

Los estados de oxidación se basan en los números de oxidación. Un número de oxidación es la carga, o carga aparente, de un átomo o grupo de átomos cuando se combinan en un compuesto.

El número de oxidación de un átomo viene determinado por la regla del octeto. Ésta establece que los átomos son especialmente estables cuando tienen ocho electrones en su capa exterior. La cáscara externa es una simplificación en comparación con el modelo mecánico cuántico del átomo, pero funciona muy bien para determinados fines. Lo importante es que estos electrones exteriores son la forma en que el átomo se presenta al mundo e interactúa con otros átomos. A medida que se avanza en la tabla periódica, cada átomo tiene un electrón adicional para equilibrar eléctricamente el protón adicional. Estos electrones se añaden de tal manera que nunca hay más de ocho en la capa exterior. Una notable excepción a la regla del octeto es la primera capa, que sólo puede contener un máximo de dos electrones.

Empecemos con el oxígeno, que tiene ocho electrones. Dos de ellos están en la capa más interna, dejando seis en la segunda capa, que es la capa externa del oxígeno. Según la regla del octeto, el oxígeno necesita 2 electrones más para tener un octeto. Su número de oxidación es -2. ¿Por qué es negativo? Si gana estos electrones para completar su octeto, estará cargado negativamente.

Veamos ahora el sodio. 2 electrones en la primera capa, 8 en la segunda y 1 en la tercera. Así que el Na necesita ganar 7 electrones para formar un octeto en la 3ª capa. Eso es pedir demasiado, su núcleo no está a la altura de la tarea eléctrica. ¿Pero qué pasa si pierde ese electrón externo solitario? Entonces la 2ª capa se convierte en la capa exterior y, como tiene un octeto, el Na será estable. Además, tendrá una carga de +1, que es el número de oxidación típico del sodio.

Entonces, ¿de dónde obtiene el oxígeno los dos electrones que necesita para formar un octeto? ¿A dónde cede el sodio su electrón para formar un octeto? Una forma es que dos átomos de sodio cedan un electrón cada uno a un átomo de oxígeno. Esto significa que se espera que el sodio y el oxígeno se combinen en una proporción de 2 a 1. Efectivamente, se forma Na2O ya que el oxígeno, ahora negativo, es atraído por el sodio, ahora positivo. En este compuesto el estado de oxidación del oxígeno es -2, el del sodio es +1.

Es simplista imaginar que los electrones se transfieren completamente, excepto en el caso de que se formen iones. En el agua, los electrones se comparten entre dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Cada hidrógeno necesita uno más para llenar su capa exterior (la primera capa sólo necesita dos para llenarse). El oxígeno, como es habitual, necesita 2 más para formar un octeto. Así, resulta H2O. Pero los electrones no se reparten de forma equitativa, el oxígeno tiene una mayor atracción sobre ellos y gana un carga parcial de -2, su número de oxidación en el agua. Los hidrógenos llegan a compartir uno de esos electrones del oxígeno para completar su capa exterior, pero tanto ese electrón como el que tenía el hidrógeno por sí mismo son alejados del hidrógeno hacia la atracción más poderosa del oxígeno. Esto da lugar a una carga positiva parcial en el hidrógeno en comparación con su estado atómico. Número de oxidación, y estado de oxidación, -1.

Esto es sólo el principio de una discusión completa sobre esto. La conclusión es que los números de oxidación nos ayudan a entender y a escribir las fórmulas químicas de los compuestos químicos. Las fórmulas adecuadas nos ayudan a escribir y equilibrar las ecuaciones químicas. Las ecuaciones químicas correctas nos ayudan a aprobar la clase de química y a graduarnos.

Answer 2

1.Uso del número de oxidación en la nomenclatura. Seguro que has oído hablar del sulfato de hierro (III) Fe2(SO4)3, la razón de escribirlo como sulfato de hierro (III) es porque cada átomo de hierro tiene un estado de oxidación de +3. Además, indicamos la magnetita (Fe3O4) como óxido de hierro (II, III) porque dos átomos de hierro muestran un estado de oxidación de +3 y un átomo de hierro muestra un estado de oxidación de +2 en la magnetita.

2.Los estados de oxidación de los elementos son útiles para equilibrar las reacciones redox. Las reacciones elementales como Mg+O2 ----->MgO pueden equilibrarse simplemente a base de golpes y pruebas, pero cuando se trata de equilibrar una reacción redox, deben conocerse los estados de oxidación de los elementos implicados, lo que simplemente ayuda a determinar qué compuesto se comportará como agente oxidante y cuál como agente reductor.

Espero que hayas recibido mi mensaje.

Answer 3

Han pasado años desde que obtuve mi licenciatura en química (que lamentablemente no he utilizado desde entonces), pero hay dos contextos en los que surgen los estados de oxidación --

(1) como se subraya en muchas de las respuestas, esto puede proporcionar una taquigrafía para equilibrar las ecuaciones químicas en general. En este uso, no es tan grande ni tan necesario en este momento.

(2) Más concretamente, es útil para caracterizar los estados de los átomos metálicos en enlaces principalmente iónicos. Esto es en cierto sentido una variación de la respuesta más general, pero aquí puede ser realmente útil. Por lo que recuerdo, hay muchas ocasiones en las que se busca intercambiar la parte metálica de un enlace iónico (por supuesto, "iónico" frente a "covalente" es una abstracción), pero los iones metálicos se comportan de forma diferente según el estado de oxidación. Una de las diferencias específicas son sus propiedades electromagnéticas: la diferencia entre los estados de oxidación refleja una diferencia en la disposición de sus electrones (a una abstracción). Por lo tanto, los estados de ionización proporcionan una forma de comprobar a ojo que se van a equilibrar las cosas con sólo mirar ese número. ¿Quieres precipitar el oro? Saber El estado de oxidación le dirá la reacción más fácil.

Especialmente cuando se trata de sales, a menudo no nos importa (demasiado) lo que hay al otro lado del Cl- que vamos a utilizar para nuestra reacción, pero sí nos importa cuál es el estado de oxidación para saber cuánto X+Cl- hay que añadir.

Answer 4

Pregunta: ¿Cuánta cantidad de potasio y cuánta de calcio necesito para neutralizar el ácido sulfúrico?

• Respuesta sin números de oxidación: ¿Cómo puedo saberlo?
• Respuesta #2 sin números de oxidación: Sólo hay que mezclarlo y ver qué pasa.
• Responde con los números de oxidación:

El ácido sulfúrico contiene azufre en estado de oxidación $\ce{S^{VI}}$ y los ácidos, excepto los halógenos, se forman con la cantidad adecuada de oxígeno e hidrógeno. La regla general que se enseña a los niños es "dividir el número de oxidación del [suplhur] por dos. Redondea y tendrás el número de oxígenos, luego añade un hidrógeno. Si no necesitas redondear, añade un oxígeno y dos hidrógenos".

Por lo tanto, el ácido sulfúrico es $$\ce{H_2SO_4 = H_2^IS^{VI}O_4^{-II}}$$ y en el agua se disuelve $$\ce{H_2SO_4 + 2H_2O -> (SO_4)^{-II} + 2(H_3O)^+}$$

Ahora pasamos a nuestra pregunta, ¿cómo neutralizar esta solución ácida? Escribe las reacciones: $$\ce{(SO_4)^{-II} + 2(H_3O)^+ + Ca^0 -> Ca^{II}(SO_4)^{-II} + H_2^0 + 2(H_2O)^0}$$ $$\ce{(SO_4)^{-II} + 2(H_3O)^+ + 2K^0 -> K_2^{I}(SO_4)^{-II} + H_2^0 + 2(H_2O)^0}$$

La respuesta es que para neutralizar un mol de ácido sulfúrico se necesita un mol de calcio o dos moles de potasio.

tl;dr
Los números de oxidación y otras reglas te dicen que es $\ce{C_2O_5}$ no existe y por qué. Lo mismo para $\ce{CaSO_4, KS, HO_4}$ etc.