Le reazioni di ossido-riduzione

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1 Le reazioni di ossido-riduzione Si dicono reazioni di ossidazione e di riduzione (o ossido-riduzione) quelle reazioni che avvengono con cambiamento del numero di elettroni che una specie chimica coinvolge in un legame Se per esempio il sodio (Na), invece di trovarsi legato nel composto NaBr, in seguito ad una reazione, va ad inserirsi in NaCl, non cambia il numero di elettroni coinvolti nel legame, uno ne perdeva nel primo caso (a vantaggio dell atomo di Br), uno ne perde nel secondo,(a vantaggio di Cl). Supponiamo invece che all inizio il nostro atomo di sodio sia metallico (in questa condizione ha tutti i suoi elettroni), se si lega con Cl o con il Br dovrà perdere un elettrone quindi sarà avvenuta una reazione di ossido-riduzione 2Na(s) + Cl 2 2NaCl In tale reazione si dice che il sodio cambia il suo NUMERO DI OSSIDAZIONE, cioè il valore della carica che risulta possedere nel momento in cui lo esaminiamo.

2 Il numero di ossidazione Il numero di ossidazione è "la carica che assumerebbe un elemento in un composto, se si assegnassero gli elettroni di legame all'elemento più elettronegativo" Esistono due tipi di composti: 1) composti ionici nei quali il numero di ossidazione corrisponde alla carica dello ione cioè al numero di elettroni persi o guadagnati dall'elemento. Es: NaCl 2) composti con legami covalenti nei quali il numero di ossidazione degli elementi sono ricavati assegnando gli elettroni di legame all'atomo più elettronegativo. Per esempio nell' acido cloridrico H Cl, i due elettroni di legame (uno proveniente dal Cl, l'altro proveniente da H) vengono attirati dal cloro che è l'atomo con maggior elettronegatività. Il numero di ossidazione del cloro (Cl) in questo composto è quindi -1, il numero di ossidazione di H è +1. Il numero di ossidazione di un atomo nei composti covalenti non rappresenta la carica reale di un atomo, ma una carica apparente e non ha significato fisico.

3 Il numero di ossidazione

4 Regole per l assegnazione del numero di ossidazione 1) Gli atomi degli elementi allo stato elementare, come K, N2, Fe, hanno numeri di ossidazione zero. 2) Uno ione monoatomico ha un numero di ossidazione uguale alla carica dello ione. Per esempio Cu 2+ ha numero di ossidazione +2 mentre Cl - ha numero di ossidazione -1 3) L'idrogeno ha solitamente numero di ossidazione + 1; ha invece numero di ossidazione - 1 nei composti con i metalli, perché i metalli sono meno elettronegativi (es. NaH, CaH 2 ) 4) L'ossigeno ha numero di ossidazione -2 in tutti i composti. Le eccezioni riguardano i perossidi, come H 2 O 2 o Na 2 O 2 dove l'ossigeno presenta numero di ossidazione - 1, e nei composti con il fluoro in cui l ossigeno presenta numero di ossidazione + 2 (es. F 2 O) 5) Gli alogeni (cloro, bromo, iodio) con l'idrogeno hanno numeri di ossidazione -1, mentre con l'ossigeno presentano valori del numero di ossidazione positivi perché meno elettronegativi (es. Cl 2 O). Il fluoro ha sempre numero di ossidazione - 1, perché è l elemento più elettronegativo. 6) La somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi di un composto neutro è uguale a zero.

5 Il numero di ossidazione

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7 Esercizi Determinare il numero di ossidazione di P in H 3 PO 4 In base alla regola numero 3 l idrogeno ha numero di ossidazione +1 In base alla regola numero 4 l ossigeno ha numero di ossidazione -2 In base alla regola numero 6 la somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi del composto è uguale a zero. Indicando con X il numero di ossidazione di P si ha quindi: 3 x (+1) + X + 4 x (-2) = 0 da cui X = +5 Determinare il numero di ossidazione di S in H 2 SO 4 In base alla regola numero 3 l idrogeno ha numero di ossidazione +1 In base alla regola numero 4 l ossigeno ha numero di ossidazione -2 In base alla regola numero 7 la somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi nello ione poliatomico è uguale a -1 Indicando con X il numero di ossidazione del S si ha quindi: 2 x (+1) + X + 4 (-2) = 0 da cui X = +6

8 Le reazioni di ossidoriduzione

9 Analisi di una reazione di ossidoriduzione Zn(s) + CuCl2 (aq) ZnCl2(aq) + Cu(s) Zn(s) + Cu 2+ Cl - 2 (aq) Zn 2+ Cl - 2(aq) + Cu(s) Zn(s) + Cu 2+ Zn 2+ + Cu(s) Nella reazione vengono trasferiti elettroni RIDUZIONE +2e - processo in cui vengono acquistati due o più elettroni Zn(s) + Cu 2+ Zn 2+ + Cu(s) - 2e - OSSIDAZIONE processo in cui vengono persi due o più elettroni

10 Analisi di una reazione di ossidoriduzione Zn(s) + Cu 2+ Zn 2+ + Cu(s) Il numero di ossidazione degli elementi coinvolti cambia nel corso della reazione Separando la reazione nei singoli processi si possono identificare l agente riducente e l agente ossidante Zn Zn e - OSSIDAZIONE Zn è L AGENTE RIDUCENTE Cu è L AGENTE OSSIDANTE fornisce e - all elemento che si riduce Cu e - Cu RIDUZIONE accetta e - dell elemento che si ossida

11 Introduzione alla Chimica organica Definizione di Jacob Berzelius (1807): I composti organici sono quelli elaborati dagli organismi viventi (animali e vegetali) e costituiti prevalentemente da carbonio e la chimica organica è quella scienza che studia i comportamenti chimici e fisici dei composti organici. Nel 1828 il chimico tedesco Friedrich Wöhler per primo riuscì nella sintesi di un composto organico (l urea) a partire da composti inorganici. La definizione più corretta di chimica organica diventa: La scienza che si occupa delle caratteristiche chimiche e fisiche delle molecole organiche. Si definiscono convenzionalmente composti organici i composti del carbonio con eccezione del monossido di carbonio e dell anidride carbonica.

12 Il carbonio Cosa rende l elemento carbonio così particolare da dovergli riservare una chimica a parte rispetto a quella di tutti gli altri elementi messi insieme (chimica inorganica)? Il carbonio occupa un posto centrale nella Tavola Periodica. Ha un elettronegatività tale da preferire legami covalenti con gli altri non metalli, formando milioni di composti stabili.

13 Il carbonio In che modo il carbonio forma 4 legami covalenti? Nella sua configurazione elettronica fondamentale ha solo 2 elettroni spaiati! C Z=6 1s 2 2s 2 2p 2 Se uno degli elettroni nell orbitale 2s è promosso nel 2p vuoto, abbiamo 4 elettroni spaiati e quindi la possibilità di formare 4 legami covalenti. Ma i 4 legami con l idrogeno non sarebbero equivalenti!

14 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp 3 Il carbonio Dalla combinazione di un orbitale atomico di tipo s e 3 orbitali atomici di tipo p si generano 4 orbitali atomici ibridi di tipo sp 3. I 4 orbitali hanno una forma che ricorda gli orbitali di tipo p, con i 2 lobi di dimensioni diverse. Un orbitale sp 3 ha il 25% di carattere s e il 75% di carattere p.

15 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp 3 Il carbonio In questo modo i 4 elettroni del guscio più esterno del C diventano perfettamente equivalenti, si dispongono lungo un tetraedro, a 109 l uno dall altro e possono far formare al Carbonio stesso 4 legami identici tra loro. Metano CH 4

16 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp3

17 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp 2 Il carbonio Nell ibridzione sp 2 solo questi tre orbitali generano orbitali ibridi identici mentre l orbitale p z rimane invariato

18 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp 2 Lo stato di ibridazione sp2 è tipico degli atomi di carbonio impegnati in un doppio legame C=C o

19 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp Nell ibridzione sp solo questi due orbitali generano orbitali ibridi identici mentre gli orbitali p y e p z rimangono invariati

20 Gli orbitali ibridi: Ibridazione sp