Le reazioni di ossido-riduzione Bilanciamento
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- Gianfranco Colucci
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1 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento BILANCIAMENTO DELLE REAZIONI REDOX La determinazione degli esatti coefficienti stechiometrici delle reazioni redox è spesso oltremodo difficoltosa da eseguirsi con i metodi generali di bilanciamento. Esistono però due metodi o tecniche che permettono di bilanciare in modo relativamente rapido e semplice questo tipo di reazioni. 1) METODO DELLA VARIAZIONE DEL NUMERO DI OSSIDAZIONE a) Si assegnano i n.o. alle specie chimiche nella reazione b) Si individuano la specie che si ossida e quella che si riduce c) Eventualmente si bilanciano le masse di questi due elementi in modo che figurino nello stesso numero ad entrambi i membri dell espressione chimica d) Si calcolano le variazioni dei n.o. ( n.o.) dell ossidante e del riducente e) Se il n.o. riducente è diverso dal n.o. ossidante si procede ad eguagliarli, moltiplicandoli per opportuni fattori in modo da ottenere come prodotti delle due moltiplicazioni il loro minimo comune multiplo (m.c.m. f) Si moltiplicano i coefficienti stechiometrici della specie che si ossida e di quella che si riduce per i fattori trovati al punto e) g) Si bilanciano tutte le altre specie atomiche bilanciando in sequenza i metalli, i non metalli, gli eventuali anioni poliatomici, l idrogeno e infine l ossigeno. Esempio 1: KMnO 4 + KI + H 2 SO 4 MnSO 4 + I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O Step a) e b) si calcolano i n.o. e si determinano l ossidante e il riducente. KMn (+7) O 4 + KI (1) + H 2 SO 4 Mn (+2) SO 4 + I 2 (0) + K 2 SO 4 + H 2 O Il Mn si riduce (n.o ) Lo iodio si ossida (n.o. 1 0) Step c) si bilanciano le masse (numero di atomi) delle specie coinvolte nell ossidoriduzione. In questo caso basta aggiungere 2 come coefficiente al KI. Il Mn è già bilanciato KMn (+7) O 4 + 2KI (1) + H 2 SO 4 Mn (+2) SO 4 + I 2 (0) + K 2 SO 4 + H 2 O Step d) si calcolano i n.o. dell ossidante e del riducente: n.o.(mn) = +2 (+7) = 5 n.o.(i) = 2[0 (1)] = +2 Step e) Si calcola il minimo comune multiplo m.c.m. (5, 2) = 10 Prof. Fulvio Baldanza Pagina 1
2 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento Si moltiplica n.o.(mn) x 2 = 5 x 2 = 10 e n.o.(i) x 5 = +1(2) = +2 x 5 = +10 Se lo si preferisce è anche possibile eseguire tutte le operazioni di bilanciamento su uno schema come quello che segue: Step f) Si moltiplicano i coefficienti del Mn per 2 e i coefficienti dello iodio per 5 in modo da bilanciare le cariche elettroniche trasferite. Quindi: 2KMn (+7) O KI (1) + H 2 SO 4 2Mn (+2) SO 4 + 5I (0) 2 + K 2 SO 4 + H 2 O Step g) si bilancia il potassio (K) : 2KMnO KI + H 2 SO 4 2MnSO 4 + 5I 2 + 6K 2 SO 4 + H 2 O 2 Si bilancia l anione SO 4 2KMnO KI + 8H 2 SO 4 2MnSO 4 + 5I 2 + 6K 2 SO 4 + H 2 O Si bilanciano gli atomi di idrogeno: 2KMnO KI + 8H 2 SO 4 2MnSO 4 + 5I 2 + 6K 2 SO 4 + 8H 2 O Infine si bilanciano gli atomi di l ossigeno: 2KMnO KI + 8H 2 SO 4 2MnSO 4 + 5I 2 + 6K 2 SO 4 + 8H 2 O In questo caso già bilanciati. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 2
3 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento La reazione bilanciata è: 2KMnO KI + 8H 2 SO 4 2MnSO 4 + 5I 2 + 6K 2 SO 4 + 8H 2 O In genere, l ossigeno è la prova del nove del bilanciamento, essendo in genere alla fine del procedimento, già bilanciato. Esempio 2: Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + NO + H 2 O In questo esempio indicherò soltanto i passaggi senza descriverli estesamente: Step a) e b) si calcolano i n.o. e si determinano l ossidante e il riducente. Cu (0) + HN (+5) O 3 Cu (+2) (NO 3 ) 2 + N (+2) O + H 2 O Step c) si bilanciano le masse (numero di atomi) delle specie coinvolte nell ossidoriduzione. Cu (0) + HN (+5) O 3 Cu (+2) (NO 3 ) 2 + N (+2) O + H 2 O Le masse di entrambi gli elementi coinvolti sono bilanciate. Step d) si calcolano i n.o. dell ossidante e del riducente. n.o.(cu) = +2 0 = +2 n.o.(n) = +2 (+5) = 3 Step e) Si calcola il minimo comune multiplo m.c.m. (2, 3) = 6 Si moltiplica n.o.(cu) x 3 = +2 x 3 = +6 e n.o.(n) x 2 = 3 x 2 = 6 Step f) Si moltiplicano i coefficienti del Cu per 3 e i coefficienti di N per 2 in modo da bilanciare le cariche elettroniche trasferite. 3Cu (0) + 2HN (+5) O 3 3Cu (+2) (NO 3 ) 2 + 2N (+2) O + H 2 O Step g) Si bilancia definitivamente l N 3Cu + 8HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + H 2 O Si bilancia l H 3Cu + 8HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O Prof. Fulvio Baldanza Pagina 3
4 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento L ossigeno è già bilanciato. La reazione bilanciata è: 3Cu + 8HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O 2) METODO DELLE SEMIREAZIONI Questo metodo viene utilizzato per bilanciare reazioni che avvengono in soluzione acquosa e di cui si conosce l ambiente acido o basico di reazione. In queste equazioni è comodo lavorare sull equazione ionica netta. a) Si assegnano i n.o. e si individuano le specie che partecipano alla reazione redox b) Si scrivono separatamente le semireazioni di ossidazione e di riduzione c) Si bilanciano le masse di tutti gli elementi in ciascuna semireazione In ambiente acido l ossigeno viene bilanciato con un numero opportuno di molecole di H 2 O, bilanciando gli atomi di idrogeno in eccesso con H + In ambiente basico, l ossigeno viene bilanciato con OH, gli atomi di H in eccesso si bilanciano aggiungendo un numero opportuno di H + che, essendo in soluzione basica, non possono esistere e quindi vengono bilanciati da un egual numero di ioni ossidrile OH trasformandosi, alla fine del bilanciamento in tante molecole di H 2 O. d) Si calcola il numero di elettroni ceduto dal riducente ed acquistato dall ossidante e) Si eguagliano gli elettroni moltiplicando le due semireazioni per opportuni coefficienti f) Si sommano membro a membro le due semireazioni e si semplificano eventuali termini che compaiono in entrambi i membri dell espressione chimica, tenendo presente che in ambiente basico OH + H + = H 2 O Ricordare che è importante conoscere il ph dell ambiente di reazione. Esempio 1: Reazione in ambiente acido NO 3 (aq) + Zn (s) Zn 2+ (aq) + N 2 O (g) Calcoliamo i n.o. e individuiamo le specie ossidante e riducente: N (+5) O 3 (aq) + Zn (0) (s) Zn 2+(+2) (aq) + N 2 (+1) O (g) a) Semireazione di Ossidazione. Zn Zn 2+ Masse già bilanciate. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 4
5 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento Bilanciamo le cariche: l atomo di Zn perde 2 elettroni (n.o. 0 +2) Zn Zn e b) Semireazione di Riduzione. NO 3 N 2 O Bilanciamo le masse tenendo conto che siamo in ambiente acido: 2NO 3 N 2 O 2NO 3 N 2 O + 5H 2 O 10H + + 2NO 3 N 2 O + 5H 2 O Bilanciamo le cariche: i 2 atomi di N acquistano complessivamente 8 elettroni (n.o ) 8e + 10H + + 2NO 3 N 2 O + 5H 2 O c) Sommiamo membro a membro le due semireazioni bilanciate dopo aver eguagliato il numero di elettroni coinvolti. In questo caso basta moltiplicare per 4 tutti i termini della prima semireazione: 4Zn 4Zn e 8e + 10H + + 2NO 3 N 2 O + 5H 2 O 8e + 10H + + 2NO 3 + 4Zn 4Zn 2+ + N 2 O + 5H 2 O + 8e d) Semplificando: 8e + 10H + + 2NO 3 + 4Zn 4Zn 2+ + N 2 O + 5H 2 O + 8e 10H + + 2NO 3 + 4Zn 4Zn 2+ + N 2 O + 5H 2 O Bilanciata. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 5
6 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento Esempio 2: Reazione in ambiente basico MnO 4 + NO 2 + OH NO 3 + MnO 2 Calcoliamo i n.o. e individuiamo le specie ossidante e riducente: Mn (+7) O 4 + N (+3) O 2 + OH N (+5) O 3 + Mn (+4) O 2 a) Semireazione di ossidazione. N (+3) O 2 N (+5) O 3 Bilanciamo le masse tenendo conto che siamo in ambiente basico: OH + NO 2 NO 3 OH + NO 2 NO 3 + H + OH + NO 2 NO 3 + H + + OH 2OH + NO 2 NO 3 + H + + OH Bilanciamo le cariche: l atomo di N perde 2 elettroni (n.o ) 2OH + NO 2 NO 3 + H + + OH + 2e b) Semireazione di riduzione. Mn (+7) O 4 Mn (+4) O 2 Bilanciamo le masse: MnO 4 MnO 2 + 2OH 2H + + MnO 4 MnO 2 + 2OH 2OH + 2H + + MnO 4 MnO 2 + 2OH 2OH + 2H + + MnO 4 MnO 2 + 4OH Bilanciamo le cariche: l atomo di Mn acquista 3 elettroni (n.o ) Prof. Fulvio Baldanza Pagina 6
7 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento 3e + 2OH + 2H + + MnO 4 MnO 2 + 4OH c) Sommiamo membro a membro le due semireazioni bilanciate dopo aver eguagliato il numero di elettroni coinvolti. In questo caso moltiplicare per 3 i termini della prima semireazione e per 2 i termini della seconda: 6OH + 3NO 2 3NO 3 + 3H + + 3OH + 6e 6e + 4OH + 4H + + 2MnO 4 2MnO 2 + 8OH 6e + 4OH + 4H + + 2MnO 4 + 6OH + 3NO 2 2MnO 2 + 8OH + 3NO 3 + 3H + + 3OH + 6e d) Semplifichiamo e trasformiamo dopo aver eliminato gli elettroni: Trasformiamo gli OH e gli H + in molecole d acqua 4OH + 4H + + 2MnO 4 + 6OH + 3NO 2 2MnO 2 + 8OH + 3NO 3 + 3H + + 3OH 4H 2 O + 2MnO 4 + 6OH + 3NO 2 2MnO 2 + 8OH + 3NO 3 + 3H 2 O Semplifichiamo le molecole d acqua H 2 O + 2MnO 4 + 6OH + 3NO 2 2MnO 2 + 8OH + 3NO 3 Semplifichiamo i gruppi OH H 2 O + 2MnO 4 + 6OH + 3NO 2 2MnO 2 + 8OH + 3NO 3 H 2 O + 2MnO 4 + 3NO 2 2MnO 2 + 2OH + 3NO 3 Reazione bilanciata: H 2 O + 2MnO 4 + 3NO 2 2MnO 2 + 2OH + 3NO 3 Prof. Fulvio Baldanza Pagina 7
8 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento Esempio 3: bilanciamo una reazione di dismutazione Cl 2 + NaOH NaClO 3 + NaCl + H 2 O Calcoliamo i n.o. e individuiamo le specie ossidante e riducente: Cl 2 (0) + NaOH NaCl (+5) O 3 + NaCl (1) + H 2 O E una reazione di dismutazione o disproporzione: il cloro, si è ossidato in NaClO 3 (n.o. 0 +5) e si è ridotto in NaCl (n.o. 0 1). E inoltre una reazione che avviene in ambiente basico, data la presenza nei reagenti di NaOH Per comodità riscriviamo la reazione in forma ionica: Cl 2 (0) + Na + + OH Na + + Cl (+5) O 3 + Na + + Cl (1) + H 2 O Eliminiamo gli ioni spettatori (Na + ) che non prendono parte direttamente alla reazione, e otteniamo l equazione ionica netta: Cl 2 (0) + OH Cl (+5) O 3 + Cl (1) + H 2 O a) Semireazione di ossidazione Cl 2 (0) Cl (+5) O 3 Bilanciamo le masse Cl 2 2ClO 3 6OH + Cl 2 2ClO 3 6OH + Cl 2 2ClO 3 + 6H + 6OH + Cl 2 2ClO 3 + 6H + + 6OH 12OH + Cl 2 2ClO 3 + 6H + + 6OH Bilanciamo le cariche: ogni atomo di cloro perde 5 elettroni (n.o. 0 +5), poiché nella reazione sono presenti 2 atomi il numero di cariche perse complessivo è OH + Cl 2 2ClO 3 + 6H + + 6OH + 10e Prof. Fulvio Baldanza Pagina 8
9 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento b) Semireazione di riduzione Cl 2 (0) Cl (1) Bilanciamo le masse Cl 2 2Cl Bilanciamo le cariche: ogni atomo di cloro acquista 1 elettrone (n.o 0 1); poiché nella reazione sono presenti 2 atomi il numero totale di elettroni acquistati è 2. 2e + Cl 2 2Cl c) Sommiamo membro a membro le due semireazioni bilanciate dopo aver eguagliato il numero di elettroni coinvolti. In questo caso basta moltiplicare per 5 tutti i coefficienti della semireazione di riduzione. 12OH + Cl 2 2ClO 3 + 6H + + 6OH + 10e 10e + 5Cl 2 10Cl 10e + 12OH + Cl 2 + 5Cl 2 10Cl + 2ClO 3 + 6H + + 6OH + 10e d) Semplifichiamo e trasformiamo dopo aver eliminato gli elettroni: Trasformiamo gli ioni OH e H + in molecole d acqua 12OH + Cl 2 + 5Cl 2 10Cl + 2ClO 3 + 6H + + 6OH 12OH + Cl 2 + 5Cl 2 10Cl + 2ClO 3 + 6H 2 O Infine sommiamo tutte le molecole di cloro: 12OH + 6Cl 2 10Cl + 2ClO 3 + 6H 2 O e) Riscriviamo l equazione completa e bilanciata: 6Cl NaOH 2NaClO NaCl + 6H 2 O Notare che il sodio risulta bilanciato automaticamente. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 9
10 Le reazioni di ossidoriduzione Bilanciamento Con il metodo delle semireazioni bisogna quindi lavorare su reazioni ioniche nette, non tenendo conto degli ioni spettatori che risultaranno bilanciati automaticamente al termine delle operazioni. Prof. Fulvio Baldanza Pagina 10
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