Bilanciamento di reazioni redox

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Il bilanciamento di reazioni redox può avvenire il metodo delle semireazioni. Esso  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.

Nel bilanciamento delle reazioni 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 OH^–quanti 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 il bilanciamento 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 il bilanciamento 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 e il bilanciamento della reazione dà:

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. Il bilanciamento della reazione è quindi:

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 il bilanciamento della 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 SO₄^2- che sommati ai 4 gruppi presenti in MnSO₄ bilanciano le 6 molecole di H₂SO₄

Il bilanciamento della reazione 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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