Desproporció redox: àtoms, electrons i proporcions

Una reacció redox no exigeix que s’oxidin i es redueixin dos elements diferents. En una desproporció, un mateix element d’una substància inicial passa a dos nombres d’oxidació: un de més alt i un de més baix.

La dificultat és seguir els àtoms i els electrons formals sense confondre molècules, mols d’àtoms i coeficients. Aquesta pràctica combina classificació i balanços originals sobre reaccions conegudes; no són procediments de laboratori ni preguntes oficials.

Identifica els dos canvis abans d’anomenar els agents

Oxidar-se significa augmentar el nombre d’oxidació; reduir-se significa disminuir-lo. L’agent reductor és l’espècie que s’oxida i l’oxidant és la que es redueix.

En una desproporció, una mateixa substància pot actuar formalment com a oxidant i reductor. Això no vol dir que cada àtom individual augmenti i disminueixi simultàniament el seu nombre d’oxidació: diferents porcions del conjunt acaben en productes diferents.

El nombre d’oxidació és una eina de comptabilitat electrònica. No és sempre la càrrega real d’un àtom dins d’una molècula covalent ni demostra per si sol un mecanisme de reacció.

Per assignar-lo, recorda que un element en forma elemental té valor zero, un ió monoatòmic té el valor de la seva càrrega i la suma dins d’una espècie coincideix amb la càrrega total. L’oxigen sol ser −2, però en els peròxids és −1.

Primer exercici: descomposició del peròxid d’hidrogen

Analitza 2H₂O₂→2H₂O+O₂. Després calcula quants mols d’O₂ corresponen a la transformació completa de 0,120 mol d’H₂O₂ sota aquesta estequiometria.

En H₂O₂, els dos H aporten +2 en total. Els dos O han de sumar −2, de manera que cada O té nombre d’oxidació −1. En H₂O, l’oxigen és −2; en O₂ és zero.

Una part de l’oxigen passa de −1 a −2 i es redueix. Una altra passa de −1 a zero i s’oxida. Per això la reacció és una desproporció i H₂O₂ actua formalment en tots dos papers.

El balanç en medi àcid es pot representar amb H₂O₂→O₂+2H⁺+2e⁻ i H₂O₂+2H⁺+2e⁻→2H₂O. En sumar-les es cancel·len protons i electrons i recuperem l’equació global.

L’estequiometria dona n(O₂)=0,120/2=0,0600 mol. També es formen 0,120 mol d’aigua en el model. No convertim tots els àtoms d’oxigen en O₂: una part queda a l’aigua.

Inicialment hi ha 0,240 mol d’àtoms d’O. D’aquests, 0,120 mol acaben formalment en aigua i 0,120 mol en O₂. Aquesta darrera quantitat d’àtoms equival a 0,0600 mol de molècules diatòmiques.

El balanç formal no identifica quin àtom concret d’una molècula inicial seguirà cada camí. Per estudiar un mecanisme o una traça isotòpica farien falta altres dades.

Segon exercici: el clor forma clorur i clorat

Considera la reacció global ajustada 3Cl₂+6OH⁻→5Cl⁻+ClO₃⁻+3H₂O. Estudiem aquesta estequiometria concreta sense generalitzar que sempre siguin aquests els productes en qualsevol condició.

El clor inicial de Cl₂ té nombre d’oxidació zero. En Cl⁻ és −1. En ClO₃⁻, tres oxígens aporten −6 i la càrrega total és −1; per tant, el clor és +5.

Cada àtom que arriba a +5 perd formalment cinc electrons. Cinc àtoms que arriben a −1 en guanyen un cadascun. Això explica la proporció de cinc clorurs per cada clorat.

Comprova també la càrrega global: a l’esquerra és −6 i a la dreta és −5−1=−6. Hi ha sis àtoms de clor a cada costat, sis d’oxigen i sis d’hidrogen.

Si reaccionen completament 0,300 mol de Cl₂ segons aquesta equació, es formen 0,500 mol de Cl⁻ i 0,100 mol de ClO₃⁻. Es consumeixen 0,600 mol d’OH⁻.

Dels 0,600 mol d’àtoms de clor inicials, una sisena part s’oxida i cinc sisenes parts es redueixen. No són meitats com en el primer exercici: la proporció depèn de quant augmenta i disminueix el nombre d’oxidació.

El recompte formal d’electrons és 0,100·5=0,500 mol d’electrons cedits i la mateixa quantitat acceptada. No significa que hagi circulat aquesta càrrega per un cable extern: no hem definit cap cel·la electroquímica ni un circuit.

Tercer exercici: és redox, però no és desproporció

Analitza H₂+Cl₂→2HCl. Suposa 0,250 mol d’H₂ i 0,400 mol de Cl₂ amb transformació completa del reactiu limitant.

L’hidrogen passa de zero a +1 i s’oxida. El clor passa de zero a −1 i es redueix. H₂ és reductor i Cl₂ és oxidant.

No és una desproporció: el mateix element inicial no es reparteix entre un estat superior i un d’inferior. Aquí els dos canvis corresponen a elements diferents.

La proporció H₂:Cl₂ és 1:1. L’hidrogen limita, es consumeixen 0,250 mol de Cl₂ i en queden 0,150 mol. Es formen 0,500 mol d’HCl.

En el recompte formal, 0,500 mol d’àtoms d’H augmenten una unitat i 0,500 mol d’àtoms de Cl disminueixen una unitat. Els balanços d’àtoms i electrons són coherents.

El fet que HCl sigui covalent no impedeix classificar la reacció com a redox. La definició mitjançant nombres d’oxidació no requereix que el producte sigui una xarxa d’ions ni que puguem recollir electrons lliures del recipient.

Un control evita classificar per aparença

Una equació amb un sol reactiu no és automàticament una desproporció. Cal comprovar els nombres d’oxidació dels productes. Igualment, una reacció amb diversos reactius pot tenir un patró que exigeixi seguir un mateix element amb cura.

Ajustar àtoms i càrrega és necessari, però no demostra que una transformació sigui espontània o ràpida. Aquesta pràctica resol el balanç i la classificació de les reaccions indicades, no la seva cinètica ni les condicions experimentals.

Consulta el repàs de redox i electroquímica per connectar-ho amb semireaccions. El formulari de Química és un suport d’estudi, sense implicar autorització per portar-lo a una prova.

Font conceptual: OpenStax, classificació de reaccions redox. Les preguntes de recompte i les quantitats d’aquesta activitat són originals.

Preguntes freqüents

Una mateixa substància pot ser oxidant i reductora?

Sí. En una desproporció, porcions del mateix reactiu experimenten oxidació i reducció.

En una desproporció s’oxida sempre la meitat de l’element?

No. La proporció depèn dels canvis de nombre d’oxidació i del balanç d’electrons.

Una reacció ajustada és necessàriament espontània?

No. L’ajust comprova balanços; l’espontaneïtat requereix informació termodinàmica addicional.

Compta àtoms abans de comparar electrons

Refes el segon exercici per a 0,150 mol de Cl₂ i comprova que es manté la proporció cinc a un entre els productes de clor. Explica després per què aquella proporció no serveix per al peròxid.

Per continuar, consulta Química per a les Illes Balears, amb el contingut, el preu i les condicions actuals de compra. Revisa separadament les instruccions de la convocatòria.