CorsI di Laurea in Ingegneria Aereospaziale-Meccanica-Energetica FNDAMENTI DI CIMICA Docente: Cristian Gambarotti Esercitazione del /1/010
ARGMENTI TRATTATI DURANTE LA LEZINE Numeri di ossidazione Bilanciamento delle reazioni di ossidoriduzione
Numeri di ossidazione Il numero di ossidazione (n.o.) rappresenta il numero di elettroni acquistati o ceduti da un atomo nella formazione di un composto : 1s 1e - di valenza Tuttavia è meno elettronegativo di per cui la coppia di legame è spostata maggiormente verso (e quindi anche l e - di ). Per tale motivo si può affermare che cede 1 e - 1-1 : 1s s p 4 6e - di valenza di cui solo usati per coppie di legame. Poiché è più elettronegativo di le due coppie di legame - sono spostate maggiormente verso. Per tale motivo si può affermare che ogni atomo di acquista e - La cessione di 1e - viene indicata dicendo che ha numero di ossidazione 1 nella molecola dell acqua L acquisto di e - viene indicato dicendo che ha numero di ossidazione - nella molecola dell acqua C: 1s s p 4e - di valenza usati tutti per coppie di legame Poiché C è meno elettronegativo le coppie di legame C= sono maggiormente spostate verso (e quindi anche i 4e - di C). Pertanto si può dire che ogni atomo di C cede 4 e - ovvero che il n.o. di C nella molecola di C è 4-4 - C : 1s s p 4 6e - di valenza di cui solo usati per coppie di legame. Poiché è più elettronegativo di C la coppia di legame C= è spostata maggiormente verso. Per tale motivo si può affermare che ogni atomo di acquista e - ovvero che il n.o. di nella molecola di C è -
: 1s 1e - di valenza è meno elettronegativo di Cl per cui la coppia di legame è spostata maggiormente verso Cl (e quindi anche l e- di ). Per tale motivo il n.o. di in Cl è 1 1-1 Cl Cl: 1s s p 6 3s 3p 5 7e - di valenza Di cui solo 1 usato per la coppia di legame. Poiché Cl è più elettronegativo di la coppia di legame -Cl è spostata maggiormente verso Cl. Per tale motivo si può affermare il n.o. di Cl in Cl è -1 Acido cloroso (Cl ) : n.o.=- Prende 1e- da e 1e- da Cl (essendo più elettronegativo di C : n.o.=1 Cl Cl: n.o.=3 Cede 3e- Il cloro può avere diversi numeri di ossidazione : n.o.=- Prende e- da Cl e (essendo più elettronegativo di C sservare come, in tutti i casi esaminati, la somma algebrica dei n.o. è pari a 0 In ogni composto molecolare la somma algebrica dei n.o. deve essere nulla
Perossido di idrogeno (acqua ossigenata, ) : n.o.=-1 : n.o.=-1 : n.o.=1 : n.o.=1 Questa coppia di legame è più spostata verso Questa coppia di legame è equamente condivisa da entrambi gli atomi di Ciascun atomo di acquista 1 solo e - Quindi n.o. -1 Difluoruro di ossigeno (F ) F: n.o.=-1 F: n.o.=-1 F F : n.o.= I due elettroni messi a disposizione di per formare il legame F- sono più spostati verso F (che è più elettronegativo) per cui cede e- e si dice che ha n.o. pari a
Differenza tra n.o. e carica formale La carica formale Carica Formale = V S V=n e - di valenza S=n e - coppie solitarie L=n e - coppie di legame L 6-(44/)=0 6-(44/)=0 S 6-(8/)=0 La carica formale tiene conto sia degli elettroni coinvolti nei legami che degli elettroni presenti come coppie solitarie. In pratica dà un indicazione della carica elettrica intorno a ciascun atomo nella struttura di Lewis usata per rappresentare la molecola. Il numero di ossidazione Poiché S è meno elettronegativo di, i 4e - messi a disposizione da S per formare i due legami S= sono spostati maggiormente verso. Pertanto ogni atomo di acquista e - (n.o.=-) mentre S perde 4e - (n.o.=4) - 4 - S Il n.o. è basato unicamente sugli elettroni di legame e sulla differenza di elettronegatività tra i vari atomi.
Regole I numeri di ossidazione più comuni per ciascun elemento sono riportati sulla tavola periodica (scaricare dal sito) gni specie chimica allo stato elementare ha n.o. pari a 0 (es. in ogni ha n.o.=0, nel Fe metallico ogni atomo di Fe ha n.o.=0,ecc.) I metalli alcalini (Li, Na, K, ) hanno sempre n.o.=1 nei loro composti (perdono sempre 1e - formando composti ionici). I metalli alcalino-terrosi (Be, Ca, Mg, Sr, ) hanno sempre n.o.= nei loro composti (perdono sempre e - formando composti ionici) L idrogeno nei composti ha sempre n.o.=1 tranne negli idruri metallici (es. Na, Ca, ) in cui ha n.o.=-1 L ossigeno ha sempre n.o.=- tranne nei perossidi (n.o.=-1), nei superossidi (es. Na in cui n.o.=-1/) e nel difluoruro di ossigeno (F in cui n.o.=) Il fluoro ha sempre n.o.=-1 (è il più elettronegativo) Gli altri alogeni (Cl, Br, I) hanno sempre n.o.=-1 tranne quando sono legati a F e (che sono più elettronegativi) in cui possono assumere n.o. variabili (1,3,5,7) La somma algebrica dei n.o. degli atomi di una molecola è 0 La somma algebrica dei n.o. degli atomi di uno ione è pari alla carica dello ione
Es. Scrivere i n.o. di ciascun atomo nei seguenti composti: 1. - S, S 3 e S 4. N 3 e N 3 3. Fe e Fe 3 4. Cu e Cu 1. 1-Propanolo (alcol propilico) 1. Acido propanoico 1. 4 S 6 S 3 S 6 4. 3 1 1 5 N 3 N3 3. Fe ssido ferroso (ossido di Fe(II) 3 Fe ssido ferrico (ossido di Fe(III) 3 4. 1 Cu ssido rameoso (ossido di Cu(I)) Cu ssido rameico (ossido di Cu(II)
1 1 1 1-3 - -1 5. C C C - 1 6. 1 C C C 1 1 1-3 - 3 1 - - 1 1 1 1 ssidazione degli alcoli ad acidi carbossilici Questo C passa da n.o. -1 a 3 e si ossida 3-1 Ulteriore esempio: ossidazione dell etanolo ad acido acetico (aceto dal vino) 3-1
Bilanciamento delle reazioni chimiche mediante i numeri di ossidazione Zn (s) Cl ( ZnCl ( (g) -e - 0 1 1 1 Zn ( s) Cl ( ZnCl ( gni atomo di Zn perde e- e si ossida 0 ( g ) 1e- gni atomo di acquista 1e- e si riduce Affinché il n di elettroni persi dalla specie che si ossida sia uguale al n di elettroni acquistati dalla specie che si riduce (vale il Principio di conservazione della carica elettrica) bisogna moltiplicare per la formula Cl: Zn Cl ZnCl ( s) ( ( ( g ) Un rapido controllo conferma che anche il principio di conservazione della massa è soddisfatto.
Poiché la reazione in questione avviene in soluzione acquosa (si immerge una lamina di zinco in una soluzione acquosa di C, l acido è completamente dissociato in ioni e ioni Cl - (è un acido forte). Pertanto la precedente reazione può essere riscritta in forma ionica: Il cloro non cambia stato di ossidazione per cui non partecipa alla reazione 0 1 1 1 0 Zn ( s) ( Cl( Zn( Cl( ( g ) 0 1 0 Zn ( s) ( Zn( ( g ) 1) Reazione scritta in forma ionica Scritta in questo modo viene a perdersi l informazione sul tipo di acido che si sta usando diventando di uso più generale. In sostanza la 1) dice che quando lo zinco metallico viene immerso in una soluzione acida (non importa se trattasi di Cl, N 3 oppure S 4 o altro acido) lo zinco si ossida formando ioni Zn mentre l idrogeno presente in soluzione come ioni si riduce formandosi idrogeno gassoso.
La reazione di ossidoriduzione complessiva può essere scomposta in due semireazioni, quella di ossidazione e quella di riduzione: 0 1 Zn ( s) ( Zn( 0 ( g ) Zn Zn e Semireazione di ossidazione e Semireazione di riduzione Affinché ci sia il bilancio della carica moltiplico per 1 la semireaz. di ossidazione Zn Zn e moltiplico per la semireaz. di riduzione e Sommo m.a m. le due semireazioni Zn Zn e Zn e Zn e e
Bilanciare la seguente reazione: Fe Assegnare i n.o. a ciascun atomo: 1e- S Fe 3 ( ( ( g ) ( 4( 3 ( S Fe 3 1 4 6 1 3 ( ( S ( g ) Fe( S 4( 3 ( Affinché ci sia la conservazione della carica elettrica scambiata occorre moltiplicare per gli atomi di Fe a sx e a dx: -e 3 Fe( ( S( g ) Fe( S4( 3( - A questo punto possiamo osservare due cose: 1. Il principio di conservazione della massa (il n di atomi di ogni elemento a sx deve essere uguale al n di atomi dello stesso elemento a dx) non è ancora soddisfatto in quanto e non sono bilanciati ( a sx e 3 a dx 3 a sx e 5 a dx).. La carica elettrica totale a sx (6) è diversa dalla carica elettrica totale a dx (3) (mentre devono essere uguali).
Bilanciamo moltiplicando per 3 la formula e per la formula 3 3 Fe( 3 ( S( g ) Fe( S4( 3( aq Nel fare questa operazione, oltre a bilanciare, abbiamo lasciato inalterati sia Fe che S. Pertanto controlliamo se è bilanciato oppure no. non è bilanciato (5 a sx mentre a dx ce ne sono 6) ) Riproviamo a bilanciare moltiplicando per 6 la formula di e per 4 la formula di 3 (abbiamo raddoppiato i valori) 3 Fe( 6 ( S( g ) Fe( S4( 4 3( A questo punto tutti gli atomi sono bilanciati. Resta da controllare solo se la carica totale a sx è uguale a quella a dx. 6 6 3 Fe( 6 ( S( g ) Fe( S4( 4 3( K!
Bilanciare la seguente reazione: Cr Mn Cr 3 ( 4( ( 7( ( 3 ( 5e- Mn Cr 3 7 1 6 1 3 ( Mn4( ( Cr 7( Mn( 3 ( - -3e Ciascun atomo di Cr perde 3e - e si ossida mentre ciascun atomo di Mn acquista 5e - e si riduce. Affinché il n di elettroni scambiati sia lo stesso si moltiplica per 5 la formula Cr 3 - (e per 5/ la formula Cr 7 ) e - per 3 sia la formula Mn 4 che la formula Mn 3 5Cr( 3Mn4( ( Cr 7( 3Mn( 3( A questo punto Cr e Mn sono bilanciati mentre, e la carica totale non lo sono. Per comodita moltiplichiamo ambo i membri per in modo da eliminare il coefficiente frazionario: 5 3 10Cr( 6Mn4( ( 5Cr 7( 6Mn( 3(
Bianciamo moltiplicando per 3 la formula e per la formula 3 e verifichiamo se e la carica totale si bilanciano: 3 10Cr( 6Mn4( 6 ( 5Cr 7( 6Mn( 4 3( Purtroppo a sx ci sono 30 atomi di mentre a dx ce ne sono 39. A questo punto si può procedere come nel caso precedente utilizzando dei coefficienti via via più grandi fin quando è bilanciato. Dopo qualche tentativo si trova che il coefficiente stechiometrico di è 33 mentre quello di è. 3 10Cr( 6Mn4( 33 ( 5Cr7( 6Mn( 3( Resta solo da verificare se la carica totale è bilanciata: 4e- 4e- 3 10Cr( 6Mn4( 33 ( 5Cr7( 6Mn( 3( K!
NTA Una volta che sono stati determinati i coefficienti degli atomi che si ossidano e si riducono (in questo caso Cr e Mn), come si è detto, è necessario bilanciare gli altri atomi controllando alla fine se la carica totale a sx coincide con quella a dx. Questa operazione può essere tediosa se, come nel caso esaminato, non si riesce a determinare velocemente i restanti coefficienti stechiometrici. In casi come questo si può ragionare nel modo seguente. Partiamo dalla reazione parzialmente bilanciata con i n.o.: a = 3b 1 a = 35 1 = 1 b 3 5Cr( 3Mn4( ( l ) Cr 7( 3Mn( 3( Indichiamo con a e b i coefficienti stechiometrici incogniti di e 3 rispettivamente, per cui: 5 3 5Cr( 3Mn4( a ( Cr7( 3Mn( b 3( Essi devono essere tali che siano soddisfatte le seguenti relazioni di bilancio: b Bilancio su Bilancio su 5 Bilancio di carica totale (la carica totale a sx è uguale a quella a dx) È facile verificare che solo due (qualunque) di queste equazioni sono indipendenti. Ad esempio se calcolo a e b usando le prime due ottengo a=33/ e b=11. Automaticamente la terza espressione è identicamente soddisfatta. Lo stesso risultato si ottiene mettendo a sistema la prima e la terza. Si ottiene così l equazione bilanciata (che coincide con quella precedente basta moltiplicare per ambo i membri: 33 3 5Cr( 3Mn4( ( Cr7( 3Mn( 11 3( 5
Bilanciare la seguente reazione: I I I ( ( 3( ( ( 1e- 0 I ( 1 ( 5 I 3( I 1 ( 1 ( - In questo esempio lo iodio subisce sia l ossidazione che la riduzione. Reazioni di questo tipo vengono dette reazioni di dismutazione. -5e Per bilanciare la reazione moltiplico per 5 la formula I - e per 1 la formula I 3- : I ( ( 1I3( 5I( ( Quindi bilancio lo iodio a sx (moltiplico per 3 la formula I ): 3I ( ( 1I3( 5I( ( A questo punto bilancio moltiplicando per 6 la formula - e per 3 la formula. Con questa scelta sia che la carica totale sono bilanciate. 3I ( 6 ( 1I3( 5I( 3 (