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Números de oxidación o estados de
oxidación
En química, el estado de oxidación, o
número de oxidación, es la carga hipotética de
un átomo si todos sus enlaces a diferentes átomos fueran completamente iónicos.
Es decir, al determinar el número
de oxidación, todos los electrones compartidos se cuentan con el átomo más
electronegativo. Por ejemplo, considere la estructura de Lewis del HCl. Para
asignar números de oxidación, ambos electrones en el enlace covalente entre los
átomos se asignan al átomo de Cl más electronegativo. Este procedimiento le da
al Cl ocho electrones de valencia, uno más que en el átomo neutro. Por lo
tanto, su número de oxidación es -1. El hidrógeno no tiene electrones de
valencia cuando se cuentan de esta manera, lo que le da un número de oxidación
de +1, sin embargo, esto no puede ser real ya que la diferencia de
electronegatividades entre los dos núcleos no es tan alta para ser un enlace
fuertemente iónico.
El OS describe el grado de oxidación
(pérdida de electrones) de un átomo en un compuesto químico. Se simboliza como OSI
aunque podemos usarlo como sinónimo de carga relativa de un átomo zI.
Conceptualmente, el estado de oxidación puede ser positivo, negativo o
cero. Si bien los enlaces completamente iónicos no se encuentran en la
naturaleza, muchos enlaces exhiben una fuerte ionicidad, lo que hace que el
estado de oxidación sea un predictor útil de la carga (OSI ≈ zI).
El estado de oxidación de un átomo no
representa la carga formal "real" de ese átomo, ni ninguna otra
propiedad atómica real. Esto es particularmente cierto en los estados de
oxidación altos, donde la energía de ionización requerida para producir un ion
positivo múltiple es mucho mayor que las energías disponibles en las reacciones
químicas. Además, los estados de oxidación de los átomos en un compuesto dado
pueden variar según la elección de la escala de electronegatividad utilizada en
su cálculo. Así, el estado de oxidación de un átomo en un compuesto es
puramente un formalismo o ficción útil. Sin embargo, es importante para
comprender las convenciones de nomenclatura de los compuestos inorgánicos.
Además, varias observaciones con respecto a las reacciones químicas pueden
explicarse a un nivel básico en términos de estados de oxidación.
Los estados de oxidación normalmente se
representan mediante números enteros que pueden ser positivos, cero o
negativos. En algunos casos, el estado de oxidación promedio de un elemento es
una fracción, como 8/3 para hierro en magnetita Fe3O4. Se
informa que el estado de oxidación más alto conocido es +9 en el catión
tetroxoiridio (IX) (IrO4+). Se predice que incluso un estado de
oxidación de +12 puede ser alcanzado por el uranio en el inusual hexóxido UO6.
El estado de oxidación más bajo es -5, como para el boro en Al3BC.
En la nomenclatura inorgánica de Stock, el
estado de oxidación se representa con un número romano colocado después del
nombre del elemento dentro del paréntesis o como un superíndice después del
símbolo del elemento, p. Óxido de hierro (III).
El término oxidación fue utilizado por
primera vez por Antoine Lavoisier para referirse a la reacción de una sustancia
con oxígeno. Mucho más tarde se comprendió que la sustancia, al oxidarse,
pierde electrones, y se amplió el significado para incluir otras reacciones en
las que se pierden electrones, independientemente de que haya oxígeno
involucrado. El aumento del estado de oxidación de un átomo, a través de una
reacción química, se conoce como oxidación; una disminución en el estado de
oxidación se conoce como una reducción. Tales reacciones implican la
transferencia formal de electrones: una ganancia neta de electrones es una
reducción y una pérdida neta de electrones es una oxidación. Para elementos
puros ya sean monoatómicos, poliatómicos o metálicos, el estado de oxidación es
cero.
Carga formal
Al asignar cargas
formales a los átomos en HCl, ignoramos la electronegatividad; los electrones
en los enlaces se asignan por igual a los dos átomos enlazados. En este caso,
el Cl tiene siete electrones asignados, al igual que el átomo neutro de Cl, y
el H tiene un electrón asignado. Por lo tanto, las cargas formales tanto de Cl
como de H en este compuesto son 0. Sin embargo eso tampoco puede ser verdadero, nuevamente por los efectos
de la electronegatividad y las propiedades que la generan como la afinidad
electrónica a los núcleos, aunque el cloro no es lo suficientemente fuerte como
para atraer permanentemente los electrones del hidrógeno sobre sí mismo, sí es
lo suficientemente poderoso como para atraerlos la mayoría del tiempo. En otras
palabras, la carga formal y el estado de oxidación son dos visiones extremas de
una situación que es intermedia entre ambas.
Carga real
Ni el número de
oxidación ni la carga formal dan una descripción precisa de las cargas reales
de los átomos porque los números de oxidación exageran el papel de la
electronegatividad y las cargas formales lo ignoran. Parece razonable que los
electrones en los enlaces covalentes se distribuyan de acuerdo con las
electronegatividades relativas de los átomos enlazados. La electronegatividad reportada en
la mayoría de las tablas periódicas de mano para el cloro Cl es de 3.0, mientras que el valor de
electronegatividad de H es 2.1. Por lo tanto, se podría esperar que el átomo de
Cl más electronegativo tenga aproximadamente 3.0/(3.0 + 2.1) = 0.59 de la carga
eléctrica en el par enlazante, mientras que el átomo de H tendría 2.1/(3.0 + 2.1)
= 0.41 de la carga.
Debido a que el enlace
consta de dos electrones, la participación del átomo de Cl es 0.59 x 2e = 1.18e,
o 0.18e más que el átomo de Cl neutro. Esto da lugar a una carga negativa
parcial de 0.18- en Cl y, por tanto, a una carga positiva parcial de 0.18+ en
H. (Observe de nuevo que colocamos los signos
más y menos antes de la magnitud al escribir los números de oxidación y las
cargas formales, pero después de la magnitud por escrito los cargos reales.)
Momento dipolar
El momento dipolar del
HCl da una medida experimental de la carga parcial de cada átomo. El momento
dipolar de HCl corresponde a una carga parcial de 0.178+ en H y 0.178- en Cl,
lo que está muy de acuerdo con nuestra aproximación simple basada en
electronegatividades. Aunque nuestro método de aproximación proporciona números
aproximados para la magnitud de la carga de los átomos, la relación entre las
electronegatividades y la separación de carga es generalmente más complicada. Se
han desarrollado algoritmos informáticos que emplean los principios de la
mecánica cuántica para obtener estimaciones más precisas de las cargas
parciales de los átomos, incluso en moléculas complejas.
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