Bilanciamento di reazioni redox

Le reazioni di ossidoriduzione possono essere bilanciate con il metodo delle semireazioni che prevede, se le reazioni sono proposte in forma molecolare, di eliminare gli ioni spettatori ovvero quegli ioni che, nel corso della reazione non subiscono né riduzione né ossidazione.

Si devono poi seguire, rigorosamente in sequenza, i seguenti passaggi:

  • Separare la reazione in due semireazioni
  • Bilanciare la massa
  • Aggiungere ossigeno, dove è mancante, sotto forma di acqua
  • Aggiungere idrogeno, dove è mancante, sotto forma di H+
  • Contare la carica netta a sinistra e a destra di ciascuna semireazione e aggiungere elettroni dal lato dove mancano
  • Se la reazione avviene in ambiente basico, aggiungere a sinistra e a destra di ogni semireazione, tanti OHquanti sono gli H+che sono presenti nella semireazione. Combinare H+ e OH (ricordando che H+ + OH= H2O) e semplificare con eventuali altre molecole di acqua presenti. A questo punto si dispone di due semireazioni, ognuna delle quali è bilanciata in cui, tuttavia compaiono elettroni sulla sinistra di una e sulla destra dell’altra.
  • Per ottenere una reazione bilanciata moltiplicare ciascuna semireazione per un opportuno coefficiente tale che quando le due semireazioni sono sommate gli elettroni si semplificano.
  • Sommare membro a membro le due semireazioni e semplificare

Esercizi

Bilanciare le seguenti reazioni:

  • Ag + HNO3 → AgNO3 + NO2 + H2O

L’argento si ossida passando da numero di ossidazione 0 a numero di ossidazione +1 mentre HNO3 si riduce passando da numero di ossidazione +5 a numero di ossidazione +4. Pertanto le due semireazioni sono:

Ag → Ag+

HNO3 → NO2

Per bilanciare la prima semireazione basa aggiungere 1 elettrone a destra:

Ag → Ag+ + 1 e

Per bilanciare la seconda si deve aggiungere una molecola di acqua a destra:

HNO3 → NO2 + H2O

e successivamente uno ione H+ e quindi 1 elettrone a sinistra:

HNO3 + H+ + 1 e→ NO2 + H2O

Si somma membro a membro e si semplificano gli elettroni ottenendo la reazione bilanciata in forma ionica:

Ag + HNO3 + H+ → Ag+ + NO2 + H2O

Per ottenere la forma molecolare riscriviamo il nitrato di argento

Ag + HNO3 + H+ → AgNO3 + NO2 + H2O

Avendo aggiunto NO3 a destra lo aggiungiamo anche a sinistra

Ag + HNO3 + H+ + NO3 → AgNO3 + NO2 + H2O

Ovvero

Ag + HNO3 + HNO3 → AgNO3 + NO2 + H2O

Si ottiene infine

Ag +2 HNO3 → AgNO3 + NO2 + H2O

  • Sn + HNO3 → SnO2 + NO2 + H2O

Lo stagno si ossida passando da numero di ossidazione 0 a numero di ossidazione +4 mentre l’azoto si riduce passando da numero di ossidazione +5 a numero di ossidazione +4. Pertanto le due semireazioni sono:

Sn → SnO2

HNO3 → NO2

Nella prima semireazione si aggiungono 2 molecole di acqua a sinistra e nella seconda una a destra

Sn + 2 H2O → SnO2

HNO3 → NO2 + H2O

Nella prima semireazione si aggiungono 4 H+ a destra e nella seconda 1 a sinistra:

Sn + 2 H2O → SnO2 + 4 H+

HNO3 + H+ → NO2 + H2O

Nella prima semireazione si aggiungono 4 e a destra e nella seconda 1 a sinistra:

Sn + 2 H2O → SnO2 + 4 H+ + 4 e

HNO3 + H+ +  e → NO2 + H2O

Affinché il numero di elettroni scambiati sia uguale si moltiplica la seconda semireazione per 4

4 HNO3 + 4 H+ + 4 e → 4 NO2 + 4 H2O

Sommiamo membro a membro e semplifichiamo le specie che compaiono da lati opposti:

Sn + 4 HNO3 → SnO2 + 4 NO2 + 2 H2O

  • P4 + HNO3 → H3PO4 + NO

Il fosforo si ossida passando da numero di ossidazione 0 a numero di ossidazione +5 mentre l’azoto si riduce passando da numero di ossidazione +5 a numero di ossidazione +2. Pertanto le due semireazioni sono:

P4 → H3PO4

HNO3 → NO

Nella prima semireazione bilanciamo la massa:

P4 → 4 H3PO4

HNO3 → NO

Nella prima semireazione si aggiungono 16 molecole di acqua a sinistra e nella seconda 2 a destra

P4 + 16 H2O → 4 H3PO4

HNO3 → NO + 2 H2O

Nella prima semireazione si aggiungono 20 H+ a destra e nella seconda 3 a sinistra e, per bilanciare la carica pari numero di elettroni :

P4 + 16 H2O → 4 H3PO4 + 20 H+ + 20 e

HNO3 + 3 e  + 3 H+ → NO + 2 H2O

Affinché il numero di elettroni scambiati sia uguale moltiplichiamo la prima semireazione per 3 e la seconda per 20

3 P4 + 48 H2O → 12 H3PO4 +60 H++ 60 e

20 HNO3 +60 H++ 60 e → 20 NO + 40 H2O

Sommiamo membro a membro e semplifichiamo le specie che compaiono da lati opposti:

3 P4 + 20 HNO3 + 8 H2O → 12 H3PO4 + 20 NO

  • CH3CH2CH2OH + KMnO4 + H2SO4 → CH3CH2COOH + K2SO4 + MnSO4 + H2O

Il carbonio si ossida passando da numero di ossidazione +1 a numero di ossidazione +3 mentre il manganese si riduce passando da numero di ossidazione +7 a numero di ossidazione +2

Poiché non sempre si conoscono i numeri di ossidazione del carbonio nei composti organici si può comunque bilanciare la reazione con il metodo delle semireazioni mentre sarebbe stato più complesso bilanciarla con il metodo del numero di ossidazione.

Per semplificare lo svolgimento si possono scrivere le formule dei composti organici sommando il numero di atomi di carbonio, di idrogeno e di ossigeno:

C3H8O + KMnO4 + H2SO4 → C3H6O2 + K2SO4 + MnSO4 + H2O

Eliminando gli ioni spettatori si hanno le due semireazioni:

C3H8O → C3H6O2

MnO4 → Mn2+

Nella prima semireazione si aggiunge una molecola di acqua a sinistra e nella seconda 4 a destra

C3H8O + H2O → C3H6O2

MnO4 → Mn2++ 4 H2O

Nella prima semireazione si aggiungono 4 H+ a destra e nella seconda 8 a sinistra:

C3H8O + H2O → C3H6O2 + 4 H+

MnO4  + 8 H+ → Mn2++ 4 H2O

Per bilanciare la carica aggiungiamo nella prima semireazione 4 elettroni a destra e nella seconda 5 a sinistra:

C3H8O + H2O → C3H6O2 + 4 H+ + 4 e

MnO4  + 8 H+ + 5 e → Mn2++ 4 H2O

Affinché il numero di elettroni scambiati sia uguale moltiplichiamo la prima semireazione per 5 e la seconda per 4

5 C3H8O + 5 H2O →5 C3H6O2 + 20 H+ + 20 e

4 MnO4  + 32 H+ + 20 e → 4 Mn2++ 16 H2O

Sommiamo membro a membro e semplifichiamo le specie che compaiono da lati opposti:

5 C3H8O + 4 MnO4  + 12 H+ → 5 C3H6O2 + 4 Mn2++ 11 H2O

Poiché nella traccia viene indicato che l’ambiente acido viene assicurato da H2SO4 che contiene due ioni H+ sostituiamo a 12 H+ sei molecole di H2SO4

5 C3H8O + 4 MnO4  + 6 H2SO4 → 5 C3H6O2 + 4 Mn2++ 11 H2O

Reintroduciamo gli spettatori:

5 C3H8O + 4 KMnO4  + 6 H2SO4 → 5 C3H6O2 + 4 MnSO4 + 11 H2O

Poiché nella traccia viene indicato che a destra vi è anche K2SO4 allora ve ne saranno 2 per bilanciare i 4 atomi di potassio presenti in KMnO4 e vi sono così 2 gruppi SO42- che sommati ai 4 gruppi presenti in MnSO4 bilanciano le 6 molecole di H2SO4

La reazione bilanciata è quindi:

5 C3H8O + 4 KMnO4  + 6 H2SO4 → 5 C3H6O2 + 4 MnSO4 + 2 K2SO4 + 11 H2O

E riportandola nella forma iniziale:

5 CH3CH2CH2OH + 4 KMnO4  + 6 H2SO4 → 5 CH3CH2COOH + 4 MnSO4 + 2 K2SO4 + 11 H2O

 

 

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Author: Chimicamo

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