Balancear ecuaciones redox

Las reacciones de oxidación–reducción, o redox, son reacciones en las que hay una transferencia de electrones entre especies químicas (mira este artículo sobre reacciones redox si quieres refrescar el tema). Las ecuaciones de las reacciones de oxidación-reducción deben estar balanceadas tanto en masa como en carga, por lo que puede ser difícil balancearlas con solo examinarlas. En este artículo aprenderemos acerca del método de balanceo de semireacciones, un procedimiento útil para balancear ecuaciones de reacciones redox que se producen en soluciones acuosas.

Para balancear una ecuación redox usando el método de semirreaciones, primero se divide la ecuación en dos medias reacciones, una que representa la oxidación, y otra que representa la reducción. Las ecuaciones de las semirreacciones entonces se balancean en cuanto a la masa y la carga y, si es necesario, se ajustan para que el número de electrones transferido en cada ecuación sea el mismo. Finalmente, se suman las ecuaciones de las semirreaciones, lo que resulta en una ecuación global balanceada para la reacción.

Veamos cómo funciona este procedimiento para una reacción redox sencilla. Por ejemplo, considera la reacción entre el ion $\ce{Co^3+}$ y el níquel metálico:

¿Está balanceada la ecuación? Parece estar balanceada en cuanto a la masa, porque hay un átomo de $\ce{Co}$ y un átomo de $\ce{Ni}$ de cada lado de la ecuación. Sin embargo, la carga no está balanceada: la carga neta del lado izquierdo es $3+$3, plus, mientras que la carga neta del lado derecho es $4+$4, plus. Para ayudarnos a balancear la carga en la ecuación, usaremos el método de semirreacciones.

Para comenzar, dividiremos la ecuación en semirreacciones de oxidación y reducción separadas:

Semirreacción de oxidación: la semirreacción de oxidación muestra los reactivos y productos que participan en el proceso de oxidación. Como el $\ce{Ni}$ metálico se está oxidando a $\ce{Ni^2+}$ en esta reacción, podemos comenzar escribiendo ese proceso:

Sin embargo, ¡esta no es la semirreacción de oxidación completa! De la misma forma que la reacción general, nuestra semirreación está balanceada para la masa pero no para la carga. Podemos balancear la carga agregando dos electrones del lado derecho de la ecuación para que la carga neta de cada lado sea $0$0:

Ahora que la semirreacción de oxidación está balanceada, nos dice que se producen dos electrones por cada átomo de níquel que se oxida, pero, ¿a dónde van esos electrones? Podemos seguir su rastro en la semirreacción de reducción.

Semirreacción de reducción: la semirreacción de reducción muestra los reactivos y productos que participan en el paso de reducción. En este caso, nuestra reacción debe mostrar el $\ce{Co^3+}$ que se reduce a $\ce{Co^2+}$. Además debe incluir un electrón del lado izquierdo de la ecuación para balancear la carga:

La semirreacción de reducción balanceada nos dice que se consume un electrón por cada ion $\ce{Co^3+}$ que se reduce. De manera importante, los electrones para este proceso provienen de la semirreacción de oxidación.

Ahora debemos unir las semirreacciones balanceadas para obtener la ecuación general balanceada. Sin embargo, primero tenemos que asegurarnos de que los electrones se cancelarán entre sí cuando combinemos las semirreacciones (¡no podemos dejar que haya electrones sueltos flotando por ahí!). En este momento, la semirreacción de oxidación implica la transferencia de dos electrones, mientras que la semirreacción de reducción implica la transferencia de solo un electrón. Entonces, tenemos que multiplicar la semirreación de reducción por $2$2:

Ahora podemos juntar las dos semirreacciones, cancelando los electrones de ambos lados:

La ecuación resultante tiene el mismo número de cada tipo de átomo en ambos lados de la ecuación ($1$1 de $\ce{Ni}$ y $2$2 de $\ce{Co}$), así como la misma carga neta de cada lado ($6+$6, plus). En conjunto, ¡esto significa que la ecuación está balanceada tanto para la masa como para la carga!

Acabamos de usar el método de semirreacciones para balancear una ecuación redox sencilla. Sin embargo, muchas de las reacciones redox que ocurren en solución acuosa son más complicadas que el ejemplo anterior. En estos casos, podríamos tener que agregar moléculas de $\ce{H2O}$, ya sea iones $\ce{H+}$ (para las reacciones que ocurren en solución ácida) o iones $\ce{OH-}$ (para las reacciones que ocurren en solución básica), para balancear la ecuación completamente. El ejemplo 1 a continuación muestra este proceso para una reacción que se lleva a cabo en solución ácida, mientras que el ejemplo 2 muestra el proceso para una reacción que tiene lugar en una solución básica.

Balancea la ecuación de cobre metálico con ion nitrato en solución ácida.

Para balancear la ecuación, sigamos el método de semirreacciones que acabamos de aprender. Como la reacción ocurre en solución ácida, podemos usar iones $\ce{H+}$ y moléculas de $\ce{H2O}$ para ayudar a balancear la ecuación.

Comencemos por separar la ecuación no balanceada en dos semirreacciones:

Ten en cuenta que ninguna de las dos semirreacciones está completamente balanceada. Esto lo haremos en el siguiente paso.

La semirreacción de oxidación ya está balanceada para la masa, así que solo tenemos que balancear las cargas. Podemos hacer esto agregando dos electrones en el lado derecho de la ecuación, lo que hace que la carga neta sea $0$0 de ambos lados:

¿Qué pasa con la semirreación de reducción? Esta ecuación no está balanceada en términos de masa y de carga. Vamos a balancear la masa primero: sabemos que los átomos de $\ce{N}$ ya están balanceados (hay uno de cada lado de la ecuación). Sin embargo, no es el caso para los átomos de $\ce{O}$. Podemos balancear los átomos de $\ce{O}$ agregando una molécula de $\ce{H2O}$ al lado derecho de la ecuación:

Ahora hay dos átomos de $\ce{H}$ no balanceados del lado derecho de la ecuación. Como la reacción es en solución ácida, podemos balancear estos átomos agregando iones $\ce{H+}$ al lado izquierdo:

Ahora vamos a balancear las cargas en la ecuación. Para hacerlo, debemos agregar un electrón del lado izquierdo de la ecuación para que la carga neta de cada lado sea $0$0:

Como se pierden dos electrones en la semirreacción de oxidación y se gana un electrón en la semirreacción de reducción, tenemos que multiplicar la semirreacción de reducción por $2$2:

Al combinar las dos semirreacciones y cancelar los electrones, obtenemos:

¡Y terminamos! Comprobemos nuestro trabajo: hay el mismo número de cada tipo de átomo en ambos lados de la ecuación ($1$1 de $\ce{Cu}$, $2$2 de $\ce{N}$, $6$6 de $\ce{O}$ y $4$4 de $\ce{H}$) y la carga neta es la misma de los dos lados ($2+$2, plus), ¡por lo que la ecuación está balanceada!

De nuevo usemos el método de semirreacciones para balancear esta ecuación. Sin embargo, en esta ocasión, solo podemos usar iones $\ce{OH-}$ y moléculas de $\ce{H2O}$ para ayudar a balancear la ecuación porque la reacción se lleva a cabo en solución básica.

En esta reacción, el ion yoduro se oxida y el ion permanganato se reduce:

Comencemos con la semirreacción de oxidación, la cual se debe balancear tanto para masa como para carga. Primero pongamos el coeficiente $2$2 antes del $\ce{I-}$ para lograr balancear la masa:

Luego agreguemos dos electrones del lado derecho de la ecuación para lograr balancear la carga:

A continuación, vayamos a la semirreacción de reducción, que también debe estar balanceada para masa y carga. Comenzaremos por la masa: como ya hay un átomo de $\ce{Mn}$ de cada lado de la ecuación, solo necesitamos balancear los átomos de $\ce{O}$. Lo podríamos hacer agregando iones $\ce{OH-}$ y moléculas de $\ce{H2O}$ a cualquiera de los lados de la ecuación por el método de prueba y error, pero este método es complicado y laborioso. En su lugar, vamos a balancear la semirreacción como si sucediera en solución ácida:

Entonces, para tomar en cuenta el hecho de que la semirreacción tiene lugar en una solución básica, agreguemos $\ce{OH-}$ a ambos lados de la ecuación para neutralizar el $\ce{H+}$:

Observa que combinamos los iones $\ce{H+}$ y $\ce{OH-}$ del lado izquierdo de la ecuación para formar nuevas moléculas de $\ce{H2O}$, y luego eliminamos las moléculas de $\ce{H2O}$ que estaban en ambos lados de la ecuación.

Finalmente, vamos a balancear la semirreacción para la carga. Para hacerlo, agregamos tres electrones en el lado izquierdo de la ecuación, lo que hace que la carga neta de cada largo sea $4-$4, minus:

Para igualar el número de electrones transferidos en las dos semirreacciones tenemos que multiplicar la semirreacción de oxidación por $3$3 y la semirreacción de reducción por $2$2 (lo que resulta en que cada semirreacción contiene seis electrones):

Finalmente, vamos a combinar las dos semirreacciones, asegurándonos de que se cancelen los electrones de cada ecuación:

Para comprobar nuestro trabajo, vemos que hay $2$2 átomos de $\ce{Mn}$, $12$12 de $\ce{O}$, $8$8 de $\ce{H}$ y $6$6 de $\ce{I}$, así como una carga neta de $8-$8, minus en ambos lados de la ecuación. Por lo tanto, ¡la ecuación está balanceada!

Podemos utilizar el método de semirreacciones para balancear las ecuaciones de las reacciones redox que suceden en solución acuosa. En este método, una reacción redox se separa en dos semirreacciones, una que implica oxidación y otra que implica reducción. Cada semirreacción se balancea para masa y carga, y luego se combinan las dos ecuaciones con los coeficientes apropiados para cancelar los electrones. Para balancear ecuaciones redox más complejas, a veces es necesario agregar iones $\ce{H+}$ y moléculas de $\ce{H2O}$ (si la reacción ocurre en solución ácida) o bien iones $\ce{OH-}$ y moléculas de $\ce{H2O}$ (si la reacción ocurre en solución básica) a la ecuación.