Reacciones de óxido-reducción (redox) en 3.º de secundaria

Para el docente: cómo explicarlo

Redox a nuestro alrededor

Al principio, «oxidarse» significaba combinarse con el oxígeno, como el hierro que se cubre de herrumbre o la madera que arde. Hoy el concepto es más amplio: hay oxidación siempre que un átomo pierde electrones, con o sin oxígeno. Y como esos electrones no desaparecen, otro átomo los gana: se reduce. Por eso la oxidación y la reducción ocurren siempre juntas.

Son redox la corrosión de rejas y techos de lámina, la combustión del gas, la gasolina o la leña, la respiración celular (la glucosa se oxida y el oxígeno se reduce), la fotosíntesis, la pila de un control remoto o la batería de un celular, la acción del cloro como blanqueador y la obtención del hierro y del cobre a partir de sus minerales.

Ganar y perder electrones

Si se mete un pedazo de zinc en una disolución azul de sulfato de cobre, el zinc se cubre de cobre rojizo y el azul se aclara. Cada átomo de zinc pierde dos electrones y pasa a ion zinc (Zn²⁺): se oxida. Cada ion cobre (Cu²⁺) gana dos electrones y pasa a cobre metálico: se reduce. La ecuación iónica es Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.

La sustancia que cede electrones (y se oxida) es el agente reductor, porque provoca la reducción de la otra; la que los acepta (y se reduce) es el agente oxidante. En el ejemplo, el zinc es el reductor y el ion cobre, el oxidante. Los metales que ceden electrones con facilidad, como los de los grupos 1 y 2 o el zinc, suelen ser buenos reductores; los no metales muy electronegativos, como el oxígeno o el cloro, buenos oxidantes.

El número de oxidación

Para seguir los electrones se asigna a cada átomo un número de oxidación, que indica su carga real o aparente. Si en una reacción el número de oxidación de un elemento aumenta, se oxidó; si disminuye, se redujo. Se calcula con unas pocas reglas, que conviene usar con la tabla de valencias a la vista.

Ejemplos: en el Fe₂O₃, los tres oxígenos suman −6, así que cada hierro tiene +3; en el H₂SO₄, los hidrógenos suman +2 y los oxígenos −8, así que el azufre tiene +6; en el KMnO₄, el manganeso tiene +7; en el NH₃, el nitrógeno tiene −3, y en el CO₂, el carbono tiene +4.

• Un elemento sin combinar (Fe, O₂, Cu) tiene número de oxidación 0.
• Un ion de un solo átomo tiene como número de oxidación su carga (Na⁺: +1; Cl⁻: −1).
• El oxígeno casi siempre tiene −2 (en los peróxidos, −1) y el hidrógeno, +1 (en los hidruros metálicos, −1).
• Los metales del grupo 1 tienen +1 y los del grupo 2, +2.
• La suma de los números de oxidación es 0 en un compuesto neutro y es igual a la carga en un ion.

Experimentos para ver la transferencia

Hay redox seguras y vistosas. La pila de limón: un clavo galvanizado (cubierto de zinc) y un alambre de cobre clavados en un limón producen alrededor de 0.9 V; con tres o cuatro limones en serie se enciende un LED. El zinc se oxida y los electrones viajan por el cable. La lana de acero humedecida con vinagre dentro de un frasco con termómetro se oxida y se calienta: la redox libera energía.

La manzana partida se oscurece porque algunas sustancias de la fruta se oxidan con el oxígeno del aire; si se le pone jugo de limón, su vitamina C, que es antioxidante, se oxida antes y retrasa el cambio. El experimento del zinc o de un clavo en sulfato de cobre es muy claro, pero ese compuesto es tóxico: lo hace el docente, con guantes, en pequeña cantidad y sin tirar los restos al drenaje.

Beneficios y costos ambientales

Sin las redox no habría acero, electricidad portátil ni agua potable. En un alto horno, el monóxido de carbono quita el oxígeno al mineral de hierro: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; el hierro se reduce y el carbono se oxida. Monterrey, donde en 1900 se fundó la Compañía Fundidora de Fierro y Acero, es un ejemplo de cómo esa reacción transformó una región. Las baterías de litio de los celulares y los autos eléctricos también son redox.

El costo ambiental es alto: la producción de acero y la quema de combustibles emiten mucho dióxido de carbono; la minería deja residuos con metales; las pilas y baterías desechadas en la basura liberan metales al suelo y al agua, y la corrosión obliga a reponer estructuras, con su gasto de materiales. Por eso el PDA propone debatir alternativas: reciclar metales, usar pilas recargables, llevar las usadas a un centro de acopio y proteger el hierro con pintura o con zinc.

Cómo llevarlo al salón

Empieza con objetos oxidados que traiga el grupo y pregunta qué se perdió y qué se ganó. Después monta la pila de limones y el frasco con lana de acero. Practica el número de oxidación con fórmulas conocidas (agua, sal, dióxido de carbono) antes de pasar a las más largas, y cierra con un debate preparado con datos sobre pilas o sobre el reciclaje de metales.