Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones o ion electrón

Las reacciones redox o reacciones de óxido reducción son procesos químicos en los cuales ocurren transferencias netas de electrones desde una especie química que se oxida hasta otra que se reduce. Este tipo de reacciones resulta difícil de ajustar por métodos tradicionales tales como el tanteo, por lo que se han desarrollado métodos alternativos que facilitan el proceso. Uno de estos métodos es el de las semirreacciones, también conocido como el método del ion electrón.

¿Qué es el método de semirreacciones o del ion electrón?

El método de semirreacciones consiste en un conjunto de pasos a seguir para equilibrar o ajustar las ecuaciones de las reacciones redox. Este método se basa en la idea de que los procesos redox en realidad consisten en el acoplamiento de dos procesos que se pueden considerar por separado, que son la oxidación y la reducción.

En el método de semirreacciones o método del ion electrón, se ajustan por separado las ecuaciones de las semirreacciones de oxidación y de reducción para luego combinar ambas ecuaciones en una ecuación global ya equilibrada.

Las semirreacciones de oxidación y reducción

La oxidación es un proceso químico durante el cual un átomo o un grupo de átomos pierde o libera uno o más electrones. Este proceso implica necesariamente un aumento en el estado de oxidación de alguno de los átomos que constituyen la especie original.

Por otro lado, la reducción se entiende como el proceso contrario a la oxidación. La reducción es el proceso químico durante el cual una especie química capta uno o más electrones. Cuando esto sucede, el estado de oxidación de alguno de los átomos que conforma esta especie química disminuye, ya que está recibiendo un electrón cuya carga es negativa.

Dos mitades de un mismo proceso

Los electrones libres son especies extremadamente inestables, por lo que la reacción de oxidación es un proceso que no puede ocurrir de forma independiente, salvo en condiciones muy particulares. Es decir, no puede suceder que un átomo libere un electrón de manera espontánea sin más ni más, y que este electrón quede, por así decirlo, “flotando por ahí”. Esto solo ocurre en condiciones altamente energéticas, tal como en el plasma, o cuando un material es bombardeado con algún tipo de radiación de alta energía. Consecuentemente, las reacciones de oxidación solo pueden ocurrir si al mismo tiempo otra especie es capaz de recibir los electrones liberados.

En vista de esto, a la oxidación y a la reducción no se les puede considerar como reacciones químicas en sí mismas, sino que más bien son dos mitades de un mismo proceso, razón por la cual se les denomina semirreacciones o medias reacciones, aunque este último término es poco utilizado en la literatura química en español.

El método de semirreacciones para ajustar reacciones redox

A continuación, se detallarán los pasos para equilibrar la ecuación de una reacción redox utilizando el método del ion electrón o método de las semirreacciones.

Cabe resaltar que este método admite dos variantes en función de si la reacción se lleva a cabo en medio ácido o en medio básico. En buena parte de la literatura se encuentran estos dos métodos detallados por separado, siguiendo pasos ligeramente distintos durante las diferentes etapas del proceso. Sin embargo, una reacción redox ajustada en medio ácido puede convertirse fácilmente a medio básico por medio de tres pasos muy sencillos. Por esta razón, pensamos que resulta más conveniente aprender a ajustar las reacciones en medio ácido (lo cual es más sencillo) y luego transformarla a medio básico si es necesario.

Para ilustrar este proceso, ajustaremos la siguiente reacción redox que ocurre en medio básico:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Paso 0 (opcional): Disociar todas las especies iónicas disueltas para obtener la ecuación iónica

El proceso de ajuste por el método del ion electrón resulta mucho más sencillo si se excluyen de las semirreacciones todos los iones espectadores, es decir, todos aquellos iones que no intervienen directamente en la oxidación o reducción pero que, no obstante, están presentes en la disolución y forman parte de los compuestos iónico originales.

El primer paso para hacerlo es disociar todas las especies iónicas disueltas, es decir, las sales, los ácidos y las bases. Aquellos iones que aparecen en ambos lados de la ecuación completamente inalterados serán los iones espectadores. En el caso de nuestro ejemplo, la ecuación iónica será así:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Al observar esta ecuación, es evidente que el catión potasio no interviene en la reacción y es, por lo tanto, un ion espectador. Entonces, la ecuación iónica neta que ajustaremos, tras eliminar este ion, será:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Este paso no siempre es necesario, ya que en algunos casos partimos directamente de la ecuación iónica neta (aquella en la que los iones espectadores ya no están), y en otros, la ecuación es tan sencilla que la presencia de estos iones no interfiere en el proceso de ajuste de la reacción.

Paso 1: Identificar las especies que se están oxidando y reduciendo.

El siguiente paso implica determinar el estado de oxidación de todos los átomos presentes en la ecuación química, para poder así saber qué átomos sufrieron un cambio de estado de oxidación. Necesariamente debe haber por lo menos un átomo que se oxide y uno que se reduzca, pudiendo incluso tratarse del mismo átomo (en cuyo caso estamos en presencia de un tipo particular de reacción redox llamada dismutación).

No es la finalidad de este artículo dar una explicación completa sobre cómo determinar los estados de oxidación, pero recordemos como reglas básicas que:

  • Las sustancias elementales poseen estado de oxidación 0.
  • El estado de oxidación de los cationes y aniones monoatómicos corresponde a su carga.
  • En todos los óxidos y oxianiones el oxígeno tiene estados de oxidación -2.
  • A excepción de los hidruros, donde su estado de oxidación es -1, el hidrógeno siempre tiene estado de oxidación +1 en todos los compuestos de los que forma parte.
  • Los demás estados de oxidación se calculan de forma tal que la suma de todos los estados de oxidación coincida con la carga neta de la especie en cuestión.

En la siguiente ecuación se presentan los estados de oxidación de todas las especies involucradas en nuestro ejemplo:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Como podemos ver, los átomos que están cambiando de estado de oxidación son el manganeso y el yodo. El manganeso en el ion permanganato se está reduciendo de +7 a +4 mientras que el yoduro se está oxidando a yodo elemental, pasando de estado de oxidación -1 a 0.

Paso 2: Separar la reacción global en las semirreacciones de oxidación y reducción.

Ahora que sabemos cuáles son las especies que se oxidan y se reducen, podemos dividir la reacción global en dos semirreacciones:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Nótese que, en vista de que los iones hidróxido no intervienen directamente en el proceso de oxidación o de reducción, no se incluyeron en ninguna de las semirreacciones.

Paso 3: Equilibrar por separado las dos semirreacciones como si estuvieran en medio ácido

Como se explicó al inicio, tanto si la reacción ocurre en medio ácido como si es básico, comenzaremos ajustándola como si ocurriera en medio ácido. Más adelante, de ser necesario, se transformará a medio básico. El ajuste de las semirreacciones en medio ácido consiste en los siguientes 5 pasos, que se pueden aplicar simultáneamente a ambas semirreacciones:

  • Ajustar el número de átomos que está cambiando de estado de oxidación.

En nuestro caso, la reducción no supone ningún cambio, ya que hay un manganeso en cada lado, pero la oxidación sí:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
  • Ajustar cualquier otro elemento que no sea oxígeno o hidrógeno, añadiendo iones espectadores de ser necesario.

En nuestro ejemplo esto no es necesario, ya que eliminamos todos los iones espectadores al principio.

  • Ajustar el número de oxígenos añadiendo moléculas de agua allá donde estos falten.

En nuestro caso sí hace falta ajustar el número de oxígenos en la semirreacción de reducción, pero no en la oxidación:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
  • Ajustar el número de hidrógenos añadiendo protones (H+) allá donde estos falten:

Nuevamente, la oxidación permanece inalterada por no involucrar átomos de hidrógeno, pero en la reducción sí debemos ajustarlos:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
  • Ajustar la carga eléctrica total añadiendo electrones (e) allá donde falten cargas negativas o sobren cargas positivas (Tip: casi siempre quedan del mismo lado que los protones):

Como se puede observar, en la semirreacción de reducción la carga neta en los productos es 0, pero en los reactivos hay una carga neta de +4 – 1 = +3, es decir, sobran cargas positivas. Por esta razón, debemos añadir tres electrones del lado de los reactivos para compensar este exceso de carga:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

En cambio, en el caso de la oxidación, hay una carga neta de –2 del lado de los reactivos y de 0 en los productos, por lo que faltan cargas negativas en los productos, así que se deben añadir 2 electrones de este lado para equilibrar las cargas:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Pista

Se debe notar que la adición de electrones por este procedimiento (tratándolos como si fueran iones, de allí el nombre del método ion-electrón) se hace de forma independiente a los estados de oxidación de las diferentes especies involucradas. Sin embargo, es esencial que el número de electrones y el lugar donde se coloquen concuerde con los cambios observados de los estados de oxidación.

Así, en las semirreacciones de reducción, los electrones siempre deben quedar del lado izquierdo de la ecuación y en las oxidaciones siempre deben quedar del lado derecho, como sucedió en nuestro ejemplo.

Además, el número de electrones debe coincidir con el cambio en el estado de oxidación. El manganeso se reduce de +7 a +4, por lo que hay un cambio de -3 en su estado de oxidación, lo que concuerda con la adición de 3 electrones. En el caso del yoduro, este cambia de -1 a 0 correspondiente a un cambio de +1, pero hay dos yoduros, por lo que se liberan dos electrones en lugar de uno, tal como se presenta en la ecuación respectiva.

Paso 4: Multiplicar cada semirreacción por el número de electrones de la otra, simplificando los factores si es posible.

Este paso busca igualar el número de electrones liberados durante la oxidación con el número de electrones captados por la reducción. Con esto se asegura que no queden electrones “huérfanos” al finalizar la reacción o que no falten electrones. Si ambas semirreacciones liberan o captan el mismo número de electrones, este paso no es necesario.

En nuestro ejemplo, cada semirreacción de oxidación libera 2 electrones, pero cada semirreacción de reducción requiere 3, por lo que se necesita que la oxidación ocurra 3 veces por cada 2 veces que ocurre la reducción:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

El resultado es:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Paso 5: Sumar ambas semirreacciones para obtener la ecuación iónica neta equilibrada.

La suma de estas dos semirreacciones da como resultado la ecuación iónica neta ajustada en medio ácido:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Paso 6 (solo para medio básico): Convertir el medio ácido a medio básico.

Al culminar el paso 5 ya tenemos la ecuación iónica neta ajustada en medio ácido. Sin embargo, puede que la reacción ocurra en medio básico y no ácido. Si este es el caso, se debe transformar la ecuación anterior a medio básico. Esto se hace por medio de tres simples pasos:

  • Añadir un ion hidróxido (OH) de cada lado de la ecuación por cada protón (H+) presente.

En nuestro caso, se deben añadir 8 iones hidróxido de cada lado:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
  • Combinar los hidróxidos y protones que estén del mismo lado para formar moléculas de agua.

En nuestro caso, en los reactivos hay 8 hidróxidos y 8 protones que se neutralizan para formar 8 moléculas de agua:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones
  • De ser necesario, simplificar las moléculas de agua que estén repetidas en ambos lados de la ecuación.

Este último paso da como resultado la ecuación iónica neta equilibrada en medio básico. En el caso de la reacción que estamos ajustando, tras formar las 8 moléculas de agua, podemos notar que solo cuatro de estas ocho realmente participan en la reacción, ya que las otras cuatro permanecen inalteradas en los productos. La simplificación de estas cuatro moléculas de agua repetidas da la ecuación redox ajustada:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Paso 7 (opcional): Añadir los iones espectadores para obtener la ecuación global molecular

Este paso no siempre es necesario, ya que la ecuación iónica neta es una representación más fiel del proceso químico que realmente está ocurriendo. Sin embargo, puede resultar importante para llevar a cabo cálculos estequiométricos. En este sentido, si se desea obtener la ecuación global molecular, solo hace falta añadir los iones espectadores a manera de contraiones de todas las especies que aparecen en la ecuación iónica neta.

En el presente ejemplo, el único ion espectador es el catión potasio (K+), así que lo utilizaremos para neutralizar todos los aniones presentes en la reacción:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Finalmente, luego de unir los respectivos iones, obtenemos la ecuación ajustada en términos únicamente de especies neutras:

Ajuste de reacciones redox por el método de semirreacciones

Referencias

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Química (11th ed.). McGraw-Hill Interamericana de España S.L.

Generalic, E. (2021, January 22). Balanceo de reacciones redox por el método del ion-electrón. Periodni.com. https://www.periodni.com/es/metodo_de_semi-reacciones.php

Lavado S., A., & Yenque D., J. A. (2005). Procedimiento unificado para balancear las reacciones redox empleando el método del Ion-Electrón. Redalyc. https://www.redalyc.org/pdf/816/81680214.pdf