Balanceo de ecuaciones químicas por tanteo y por óxido-reducción

Una ecuación química representa una reacción: a la izquierda van los reactivos y a la derecha los productos, separados por una flecha. Para que la ecuación sea correcta debe estar balanceada.

Ley de la conservación de la materia

Antoine Lavoisier demostró en el siglo XVIII que la masa total no cambia en una reacción química: «la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma». Los átomos solo se reordenan; por eso debe haber el mismo número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos.

Partes de una ecuación química

$$\underbrace{2}_{\text{coeficiente}}\ce{H2}\underbrace{(g)}_{\text{estado}} + \ce{O2(g) -> 2H2O(l)}$$

• Coeficientes: los números grandes delante de cada fórmula. Indican cuántas moléculas (o moles) participan. Son lo único que se puede cambiar al balancear.
• Subíndices: los números pequeños dentro de la fórmula. Nunca se cambian, porque cambiarían la sustancia ($\ce{H2O}$ es agua, $\ce{H2O2}$ es agua oxigenada).
• Estados: (s) sólido, (l) líquido, (g) gas, (ac) acuoso.

Método de tanteo

Consiste en probar coeficientes hasta igualar los átomos. Funciona bien con ecuaciones sencillas. Se recomienda este orden: primero los metales, después los no metales, luego el hidrógeno y al final el oxígeno.

Ejemplo 1: formación del agua.

$$\ce{H2 + O2 -> H2O}$$

1. Contamos: H: 2 → 2; O: 2 → 1. El oxígeno no está balanceado.
2. Ponemos un 2 en el agua: $\ce{H2 + O2 -> 2H2O}$. Ahora O: 2 → 2, pero H: 2 → 4.
3. Ponemos un 2 en el hidrógeno: $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$.
4. Verificamos: H: 4 → 4; O: 2 → 2. Balanceada.

Ejemplo 2: combustión del propano (gas LP).

$$\ce{C3H8 + O2 -> CO2 + H2O}$$

1. Carbono: hay 3 a la izquierda, así que ponemos 3 al $\ce{CO2}$.
2. Hidrógeno: hay 8, así que ponemos 4 al $\ce{H2O}$.
3. Oxígeno: en los productos hay $3(2) + 4(1) = 10$ átomos, así que ponemos 5 al $\ce{O2}$.

$$\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$$

Ejemplo 3: oxidación del aluminio.

$$\ce{Al + O2 -> Al2O3}$$

El oxígeno pasa de 2 a 3 átomos. El mínimo común múltiplo es 6: ponemos 3 al $\ce{O2}$ y 2 al $\ce{Al2O3}$. Quedan 4 Al en los productos, así que ponemos 4 al aluminio:

$$\ce{4Al + 3O2 -> 2Al2O3}$$

Ejemplo 4: obtención del hierro en un alto horno.

$$\ce{Fe2O3 + CO -> Fe + CO2}$$

Hierro: 2 a la izquierda, ponemos 2 al Fe. Carbono y oxígeno: cada CO gana un oxígeno al convertirse en $\ce{CO2}$, y el $\ce{Fe2O3}$ cede 3 oxígenos, así que hacen falta 3 CO y 3 $\ce{CO2}$:

$$\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}$$

Comprobación: Fe 2 = 2; C 3 = 3; O $3 + 3 = 6$ y $3(2) = 6$.

Método de óxido-reducción (redox)

Se usa en reacciones más complejas, en las que hay cambio en los números de oxidación. Se basa en que los electrones perdidos deben ser iguales a los ganados.

1. Asigna los números de oxidación y encuentra los elementos que cambian.
2. Escribe las semirreacciones de oxidación y de reducción con los electrones transferidos.
3. Multiplica cada semirreacción para igualar los electrones.
4. Pasa esos números como coeficientes a la ecuación.
5. Termina de balancear por tanteo el resto de los elementos (generalmente H y O).

Ejemplo 5:

$$\ce{Cu + HNO3 -> Cu(NO3)2 + NO + H2O}$$

Paso 1. Cambian el cobre (de 0 a +2) y el nitrógeno (de +5 en el $\ce{HNO3}$ a +2 en el NO).

Paso 2.

$$\overset{0}{\text{Cu}} \longrightarrow \overset{+2}{\text{Cu}} + 2e^- \qquad \text{(oxidación)}$$

$$\overset{+5}{\text{N}} + 3e^- \longrightarrow \overset{+2}{\text{N}} \qquad \text{(reducción)}$$

Paso 3. Para igualar los electrones (6), se multiplica la oxidación por 3 y la reducción por 2:

$$3\text{Cu} \longrightarrow 3\text{Cu}^{2+} + 6e^- \qquad\qquad 2\text{N}^{5+} + 6e^- \longrightarrow 2\text{N}^{2+}$$

Paso 4. Coeficientes: 3 para Cu y Cu(NO₃)₂, 2 para NO.

$$\ce{3Cu + HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + H2O}$$

Paso 5. Nitrógeno en productos: $3 \times 2 = 6$ (en los nitratos) $+ 2$ (en el NO) $= 8$, así que van 8 $\ce{HNO3}$. Hidrógeno: 8 a la izquierda, así que van 4 $\ce{H2O}$.

$$\ce{3Cu + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O}$$

Comprueba lo aprendido

1. Balancea: N₂ + H₂ → NH₃Ver respuestaOcultar respuesta

$\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$. (N: 2 = 2; H: 6 = 6).

2. Balancea la combustión del metano: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂OVer respuestaOcultar respuesta

$\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$. (C: 1 = 1; H: 4 = 4; O: 4 = 2 + 2).

3. ¿Por qué no se puede balancear H₂ + O₂ → H₂O cambiando la fórmula del agua a H₂O₂?Ver respuestaOcultar respuesta

Porque cambiar los subíndices cambia la sustancia: $\ce{H2O2}$ es peróxido de hidrógeno, no agua. Solo se modifican los coeficientes.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios de redox y balanceo

Referencias

• Chang, R. y Goldsby, K. A. (2017). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill.
• Garritz, A. y Chamizo, J. A. (2001). Tú y la química. Pearson Educación.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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