Appunti di Stechiometria per Chimica Numero d ossidazione

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1 Appunti di Stechiometria per Chimica Numero d ossidazione Si definisce numero d ossidazione la carica complessiva di un atomo (differenza tra protoni ed elettroni dell atomo), ottenuta assegnando, solo dal punto di vista formale, gli elettroni dei legami covalenti polari all atomo più elettronegativo coinvolto nel legame. Nel caso in cui gli atomi coinvolti nel legame sono dello stesso elemento (uguale elettronegatività) gli elettroni sono equamente condivisi tra i due atomi che formano il legame covalente puro e sono conseguentemente assegnati in modo uguale ai due atomi. Esempio O 2 Ad entrambi gli atomi d ossigeno sono assegnati 6 elettroni. L ossigeno che è del sesto gruppo (sei elettroni di valenza) ha quindi un numero d ossidazione pari a 0 nell ossigeno molecolare.

2 Tutte le sostanze elementari hanno numero d ossidazione pari a 0. Esempio H 2 O L ossigeno è più elettronegativo dell idrogeno quindi tutti e quattro gli elettroni di legame possono essere assegnati formalmente all ossigeno che ha quindi 8 elettroni, 2 in più dell ossigeno neutro, quindi il suo numero d ossidazione è -2, mentre gli idrogeni sono formalmente senza elettroni e hanno quindi un numero d ossidazione pari a +1. Esempio perossido d idrogeno (acqua ossigenata) H 2 O 2

3 Possiamo assegnare a ciascun ossigeno le proprie coppie di non legame, la coppia di legame condivisa con l idrogeno (causa la maggiore elettronegatività) e uno degli elettroni di legame O-O (legame covalente puro). Il risultato è che ciascun ossigeno ha formalmente 7 elettroni di valenza, uno in più dell atomo d ossigeno neutro, quindi il numero d ossidazione è pari a -1, mentre ciascun idrogeno ha un numero d ossidazione pari a +1. Esempio di composto con diversi stati di ossidazione per lo stesso elemento Acido perossosolforico (acido di Caro) H 2 SO 5 Se assegniamo gli elettroni di valenza coinvolti nei legami chimici all atomo più elettronegativo

4 del legame, gli atomi di idrogeno rimangono senza elettroni e quindi con una carica positiva +1. Questa carica rappresenta il numero di ossidazione dell idrogeno. Tutti gli elettroni di valenza dello zolfo vengono assegnati agli ossigeni più elettronegativi ai quali si lega. Conseguentemente lo zolfo assume una carica positiva pari a +6, che rappresenta il numero di ossidazione dello zolfo. Gli atomi di ossigeno coinvolti nel legame covalente puro O-O hanno ciascuno 7 elettroni (due coppie di non legame una coppia di legame che deriva dai legami covalenti polari che coinvolgono l atomo di zolfo o l atomo di idrogeno e un elettrone del legame covalente puro la cui coppia viene equamente suddivisa tra i due atomi di ossigeno). La carica di questi due atomi di ossigeno è quindi pari a -1 (un elettrone in più rispetto agli elettroni di valenza dell ossigeno neutro). Il numero di ossidazione è quindi per questi atomi -1. Mentre i restanti tre atomi di ossigeno sono circondati da 8 elettroni e assumono una carica negativa pari a -2 che rappresenta lo stato di ossidazione per questi atomi.

5 Quindi lo stato di ossidazione medio per l ossigeno nel perossosolforico è -8/5. Ossidoriduzioni Se aggiungiamo una barra di rame metallico in una soluzione che contiene ioni argento (Ag + ) dopo un po di tempo si noterà contemporaneamente la formazione di un composto chiaro sulla superficie del metallo e la comparsa di una colorazione azzurra della soluzione.

6 Il solido chiaro è argento metallico, mentre il colore azzurro della soluzione è causato dalla presenza di ioni rame (Cu 2+ ) (FILMATO) E avvenuta la seguente reazione: Cu + 2Ag + Cu Ag In questa reazione abbiamo due specie che cambiano il loro stato d ossidazione: Il rame metallico aumenta il suo numero d ossidazione passando da 0 nella forma metallica a +2 nello ione rame, mentre lo ione argento diminuisce il suo numero d ossidazione passando da +1 nello ione a 0 nella forma metallica. Questo processo avviene quindi mediante il trasferimento degli elettroni dalla specie rame metallico alla specie ione argento.

7 Le reazioni che comportano il trasferimento d elettroni, da una specie ad un'altra, sono chiamate reazioni d ossidoriduzione. La specie che perde gli elettroni (in questo caso il rame metallico) è la specie che si ossida (aumenta il suo numero d ossidazione), mentre la specie che acquista gli elettroni (in questo caso gli ioni argento) è la specie che si riduce (diminuisce il suo numero di ossidazione). La specie che si ossida è chiamata anche riducente in quanto trasferisce gli elettroni alla specie che si riduce, mentre la specie che si riduce è a sua volta un ossidante in quanto fa perdere gli elettroni alla specie che si ossida. Nel bilanciare un equazione chimica che descrive una reazione d ossidoriduzione, si deve considerare che gli elettroni sono sempre

8 completamente trasferiti tra le specie che si ossidano e si riducono e non compaiono mai né come prodotti né come reagenti. OSSIDANTI UTILIZZATI IN LABORATORIO Due reagenti ossidanti molto utilizzati in laboratorio sono lo ione permanganato (MnO - 4 ) e lo ione bicromato (Cr 2 O 2-7 ) Lo ione MnO - 4 in ambiente fortemente acido si riduce ad ione Mn 2+, mentre in ambiente più basico passa a biossido di manganese MnO 2. Lo ione bicromato è in equilibrio con lo ione cromato secondo la reazione: Cr 2 O OH - 2CrO H 2 O

9 In ambiente acido è presente lo ione bicromato, mentre in ambiente basico è presente lo ione cromato. Entrambe le specie si riducono ad ione Cr 3+. Bilanciamento delle ossidoriduzioni. Bilanciamento sia in forma molecolare (masse) che ionica (masse e cariche) con: il metodo delle semireazioni il metodo della variazione del n. di ossidazione Il metodo delle semireazioni Al (s) + Zn 2+ (aq) Al 3+ (aq) + Zn (s) Al (s) Al 3+ (aq) + 3e- x 2 ossidazione Zn 2+ (aq) + 2e- Zn (s) x 3 riduzione

10 2Al (s) 2Al 3+ (aq) + 6e- 3Zn 2+ (aq) + 6e- 3Zn (s) 2Al (s) + 3Zn 2+ (aq) 2Al 3+ (aq) + 3Zn (s) Il metodo della variazione del numero di ossidazione Al: -3e - (ox) Al (s) + Zn 2+ (aq) Zn: +2e - (red) Al 3+ (aq) + Zn (s) 2 Al (s) + 3 Zn 2+ (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 Zn (s)

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