Reazioni redox: numero di ossidazione

Le reazioni redox sono reazioni in cui un elemento si ossida perdendo elettroni e un altro si riduce acquistando elettroni.

Le reazioni redox avvengono quindi grazie agli spostamenti di elettroni presenti negli orbitali di legame da un atomo all’altro. Per comprendere meglio gli effetti di tali spostamenti è utile comprendere il concetto di numero di ossidazione. Il numero di ossidazione non è un numero virtuale.

Numero di ossidazione

Il numero di ossidazione di un atomo in un composto corrisponde alla carica che l’atomo assumerebbe se gli elettroni di legame fossero assegnati all’atomo più elettronegativo

Per esempio in HCl l’idrogeno, meno elettronegativo del cloro, ha numero di ossidazione +1 , il cloro -1 ; in H₂O l’idrogeno ha numero di ossidazione +1, l’ossigeno -2.  Se il numero di ossidazione è stato assegnato correttamente la molecola, presa nel suo insieme, risulta elettricamente neutra. Per assegnare il numero di ossidazione ad ogni elemento in una molecola si seguono le seguenti regole:

1)      Il numero di ossidazione di una sostanza allo stato elementare è zero

2)     Il numero di ossidazione di uno ione è pari alla carica dello ione

3)     I metalli del primo gruppo hanno numero di ossidazione pari a +1

4)     I metalli del secondo gruppo hanno numero di ossidazione pari a +2

5)     Gli elementi del terzo gruppo hanno numero di ossidazione +3; il tallio +1 e +3

6)     Gli elementi del quarto gruppo hanno numero di ossidazione prevalente +4, ma possono assumere numero di ossidazione pari a +2

7)     Gli elementi del quinto gruppo hanno prevalentemente numero di ossidazione +3 e +5, ma possono assumere anche numero di ossidazione -3, +2, +4

8)     Nel settimo gruppo il fluoro ha solo numero di ossidazione -1; gli altri elementi , oltre a -1 hanno anche +1,+3,+5,+7

9)     Gli elementi di transizione, che coinvolgono nei loro legami sia elettroni esterni s sia elettroni d, i numeri di ossidazione variano da +1 a +7

10)   L’ossigeno ha numero di ossidazione -2 tranne che nei perossidi dove ha numero di ossidazione -1

11)     L’idrogeno ha numero di ossidazione +1 tranne che negli idruri dove ha numero di ossidazione 0

12)   Il numero di ossidazione delle molecole nel loro complesso è zero. Ciò significa che la somma algebrica dei numeri di ossidazione degli atomi componenti, tenendo conto dei loro indici è nulla.

Solo verso la fine del XVIII secolo, così ricco di scoperte a proposito della natura e del comportamento dei gas, venne stabilito, ad opera di Antoine Laurent de  Lavoisier, il significato di ossidazione. Egli dimostrò infatti che molti elementi sono in grado di combinarsi con l’ossigeno dando luogo a composti che attualmente chiamiamo ossidi.

Oggi il concetto di ossidazione, inteso in questo senso, sembra del tutto ovvio e naturale mentre in realtà fu estremamente difficile pervenirvi perché in esso erano coinvolti i gas, “ spiriti” estremamente sfuggenti.

Da allora in poi, viene designata ossidazione la combinazione diretta dei vari elementi con l’ossigeno e, per conto, con il termine riduzione il processo di sottrazione di ossigeno ai composti che lo contengono.

Sono celebri esempi di ossidazione:

2 Hg + O₂ = HgO   (1

C + O₂= CO₂    (2

Queste reazioni vennero studiate quantitativamente da Lavoisier ed in particolare per la seconda reazione egli dimostrò che la formazione di CO₂, all’epoca chiamata “aria fissa” , sia bruciando carbone in presenza di aria, sia bruciando, mediante una complicata apparecchiatura un diamante.

Esempi di reazioni redox

Sono esempi di riduzione :

2 KNO₃ + Cl₂ = 2 KNO₂ + Cl₂    (3

2 Ag₂CO₃ = 4 Ag + 2 CO₂ + O₂    (4

Oggi ai termini ossidazione e riduzione si attribuisce un significato più ampio. Infatti in molte reazioni considerate come ossidazioni l’ossigeno apparentemente non compare come reagente.

Si considerano reazioni di ossidazione, ad esempio , le seguenti:

2 FeCl₂ + Cl₂= 2 FeCl₃    (5

2 KI + Br₂ = 2 KBr + I₂     (6

Per tutte le reazioni menzionate si verifica , almeno per uno degli elementi reagenti, un aumento del numero di ossidazione :

 (1 Hg cambia il suo numero di ossidazione da 0 a +2

 (2 C cambia il suo numero di ossidazione da zero a +4

 (3 e nella (4 O cambia il suo numero di ossidazione da -2 a 0

 (5 Fe cambia il suo numero di ossidazione da +2 a +3

 (6 I cambia il suo numero di ossidazione da -1 a 0

Un esame di queste stesse reazioni, tuttavia, ci induce a osservare un altro fatto: in tutte, almeno uno dei reagenti ha diminuito il proprio numero di ossidazione, mentre l’altro reagente lo aumentava.

Infatti non si verifica mai un’ossidazione senza una contemporanea riduzione.

Le reazioni redox sono quindi quelle trasformazioni in cui varia il numero di ossidazione delle specie coinvolte.