regole per l`attribuzione dei coefficienti stechiometrici di una

REGOLE PER L'ATTRIBUZIONE DEI COEFFICIENTI STECHIOMETRICI DI UNA REAZIONE
OSSIDORIDUTTIVA SECONDO IL METODO DELLO IONE-ELETTRIONE.
1) Si individuano le coppie di atomi il cui numero di ossidazione cambia nel corso della reazione.
Gli atomi il cui numero di ossidazione cambia nelle reazioni a, b e c di seguito riportate vengono messi in evidenza
dalla scrittura in grassetto.
a) MnO2 + HCl MnCl2 + Cl2 + H2O
MnSO4 + O2 + K2SO4 + H2O
b) KMnO4 + H2O2 + H2SO4
c) K2Cr2O7 + H2S + H2SO4
Cr2(SO4)3 + S8 + K2SO4 + H2O
2) Si scrive lo scheletro delle semi reazioni di ossidazione e di riduzione.
E' importante, a questo stadio del bilanciamento, scrivere nelle semireazioni di riduzione e di
ossidazione, la formula completa di ciascuna delle specie il cui numero di ossidazione cambia tenendo
eventualmente conto anche delle regole di dissociazione e di solubilità.
Per esempio, lo scheletro delle semireazioni Red/Ox per le reazioni a, b e c è:
a) Riduzione
MnO2 Mn2+
Ossidazione Cl- Cl2
Le regole di solubilità suggeriscono che MnO2 (ossido metallico) è solido; quelle di dissociazione
indicano l'acido cloridrico ed il cloruro di manganese(II) come elettroliti forti completamente
dissociati, mentre il cloro elementare, prodotto per ossidazione di Cl-, è costituito da molecole
indissociate.
b) Riduzione
MnO4- Mn2+
Ossidazione H2O2 O2
Nella semireazione di riduzione non si scrive Mn7+ ma MnO4- poiché quest'ultima è la reale forma
chimica nella quale si presenta il manganese con numero di ossidazione +7 in soluzione acquosa;
nella reazione di ossidazione si scrive H2O2 e O2 (sulla base delle regole di dissociazione).
c) Riduzione: Cr2O7= Cr3+
Ossidazione H2S S8
Anche in questo caso, come specie ossidata contenente cromo con numero di ossidazione +6, si
scrive Cr2O7= e non Cr6+, né tanto meno Cr26+. E' importante far notare che le regole di
dissociazione salina stabiliscono che Cr2(SO4)3 è dissociato secondo la reazione Cr2(SO4)3
2Cr3+
=
3+
+ SO4 per cui la specie ridotta contenente cromo con numero di ossidazione +3 è Cr .
Non essendo H2S acido forte si dovrà inoltre scrivere nella semireazione di ossidazione H2S ( e non
S= ) per la specie ridotta contenente zolfo. Essendo inoltre lo zolfo che appare tra i prodotti di
reazione scritto come zolfo molecolare ( S8 ), quella sarà la forma che deve apparire come specie
ossidata di S nella semireazione di ossidazione.
3) Si bilanciano le due semi reazioni per tutti gli atomi diversi da O e H.
a) Riduzione
Ossdazione
MnO2 Mn2+
2Cl- Cl2
b) Riduzione
MnO4- Mn2+
Ossidazione H2O2 O2
c) Riduzione: Cr2O7= 2Cr3+
Ossidazione 8H2S S8
Qui si bilancia la zolfo, non l'idrogeno.
4) Si bilanciano gli atomi di O aggiungendo H2O ( con opportuno coefficiente) dalla parte della semireazione carente di
O.
a) Rid.:
MnO2 Mn2++ 2 H2O
Oss.:
2Cl- Cl2
b) Rid.:
MnO4- Mn2+ + 4 H2O
Ossidazione H2O2 O2
c) Rid.:
Oss.:
Cr2O7= 2Cr3+ + 7 H2O.
8H2S S8.
5) Si bilanciano gli atomi di H aggiungendo H+ ( con opportuno coefficiente) dalla parte della semireazione carente di
H.
a) Rid.: MnO2 + 4H+ Mn2++ 2 H2O
Oss.: 2Cl- Cl2
b) Rid.: MnO4- +8H+ Mn2+ + 4 H2O
Oss.: H2O2 O2 + 2H+
c) Rid.: Cr2O7= + 14H+ 2Cr3+ + 7 H2O.
Oss.: 8H2S S8 + 16H+
6) Si bilanciano le due semireazioni dal punto di vista della legge della conservazione della carica aggiungendo e(elettroni) fino ad ottenere la stessa carica totale in entrambi i lati delle semireazioni.
a) Rid.: MnO2 + 4H+ + 2eOss.: 2Cl- Cl2 + 2e-
Mn2++ 2 H2O
A sx.:+2 [+4( H+) - 2( e-)]; a dx. +2 (Mn2+)
A sx.:-2(Cl-); a dx. -2 ( e-)
b) Rid.: MnO4- +8H+ + 5e- Mn2+ + 4 H2O
Oss.: H2O2 O2 + 2H++ 2e-
A sx.:+2 [+8(H+)-5(e-)-1(MnO4-)]; a dx.: +2 (Mn2+)
A sx.: 0; a dx.: 0 [+2(H+) - 2(e-)].
c) Rid.: Cr2O7= + 14H+ + 6e- 2Cr3+ + 7 H2O
Oss.: 8H2S S8 + 16H++ 16e-
A sx.:+6 [+14(H+)-6(e-)-2(Cr2O7=)]; a dx +6 (di due Cr3+)
A sx.: 0; a dx. 0 [+16 (H+) - 16 (e-)]
7) Si moltiplicano le due semireazioni per opportuni coefficienti in modo da rendere il numero di elettroni acquistati nel
corso del processo di riduzione uguale a quello degli elettroni liberati nel corso del processo di ossidazione.
a) Rid.: (MnO2 + 4H+ + 2e- Mn2++ 2 H2O) X 1
Oss.: (2Cl- Cl2 + 2e-) X 1
N e- acquistati = 2
N e- ceduti= 2.
b) Rid.: (MnO4- +8H+ + 5e- Mn2+ + 4 H2O) X 2
Oss.: (H2O2 O2 + 2H++ 2e-) X 5
N e- acquistati = 10
N e- ceduti = 10.
c) Rid.: (Cr2O7= + 14H+ + 6e- 2Cr3+ + 7 H2O) X 16
Oss.: (8H2S S8 + 16H++ 16e-) X 6
N e- acquistati = 96
N e- ceduti = 96
8) Si ricava l'equazione ionica netta sommando membro a membro le due semireazioni e semplificando, ove necessario,
i termini uguali.
a) Rid.: MnO2 + 4H+ + 2e- Mn2++ 2 H2O
.
Oss.: 2Cl- Cl2 + 2eMnO2 + 4H+ + 2Cl-- Mn2++ 2 H2O + Cl2
b) Rid.: 2MnO4- +16H+ + 10e- 2Mn2+ + 8 H2O
Oss.: 5H2O2 5O2 + 10H++ 10e2MnO4- +6H+ +5H2O2
2Mn2+ + 8 H2O + 5O2
.
c) Rid.: 16Cr2O7= + 224H+ + 96e- 32Cr3+ + 112 H2O
Oss.: 48H2S 6S8 + 96H++ 96e16Cr2O7= + 128H+ + 48H2S
32Cr3+ + 112 H2O + 6S8
.
9) Si controlla che l'equazione ionica netta sia bilanciata sia dal punto di vista atomico che dal punto di vista elettrico.
a) MnO2 + 4H+ + 2Cl--
b) 2MnO4- +6H+ +5H2O2
Mn2++ 2 H2O + Cl2
2Mn2+ + 8 H2O + 5O2
c) 16Cr2O7= + 128H+ + 48H2S
32Cr3+ + 112 H2O + 6S8
E' bilanciata sia come numero di atomi che come
carica totale: 2+ a sx e 2+ a dx. della freccia di
reazione
E' bilanciata sia come numero di atomi che come carica
totale: 4+ a sx e 4+ a dx. della freccia di reazione
E' bilanciata sia come numero di atomi che come carica
totale: +96 a sx(+128-16x3) e +96 a dx. (32x3) della
freccia di reazione
10) Nel caso di bilanciamento di reazioni redox che avvengono in ambiente basico si eliminano gli ioni H+
aggiungendo un uguale numero di ioni OH-, che reagendo con H+ formeranno H2O, in entrambi i lati delle due
semireazioni. (Vedi esempi successivi)
11) Si bilancia la reazione scritta in forma molecolare, tenendo in considerazione, nell'attribuire i coefficienti, che
talvolta una specie chimica che partecipa al processo redox può anche essere utilizzata come salificante nella
reazione scritta sotto forma molecolare.
a) MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O
Il coefficiente 4 anteposto ad HCl è una dimostrazione di quanto esposto nella frase precedente. HCl nella
reazione a) viene usato sia come riducente (due moli per ogni mole di MnO2) che come salificante (due moli di
HCl per ogni mole di MnCl2 formato). Un ultimo controllo mostra che la reazione è bilanciata dal punto di vista
atomico.
b) 2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 2MnSO4 + 5O2 + K2SO4 + 8H2O
Nella reazione b) si pone 3 come coefficiente di H2SO4 in quanto l'indice dell'idrogeno in H2SO4 è 2. La reazione è
così bilanciata anche dal punto di vista atomico.
c) 16K2Cr2O7 + 48H2S + 64H2SO4 16Cr2(SO4)3 + 6S8 + 16K2SO4 + 112H2O
Nella reazione c) si nota come il coefficiente 64 anteposto ad H2SO4 è necessario al bilanciamento di 16x3 ioni
solfato che agiscono da salificanti di Cr3+ e 16 SO4= che salificano K+. Un ultimo controllo mostra che la reazione
è bilanciata dal punto di vista atomico.
ESEMPI DI APPLICAZIONE DELLE REGOLE PER L'ATTRIBUZIONE DEI COEFFICIENTI STECHIOMETRICI DI
UNA REAZIONE OSSIDORIDUTTIVA SECONDO IL METODO DELLO IONE-ELETTRIONE
1) L'acido nitrico concentrato è un ottimo ossidante in grado di attaccare e sciogliere il rame metallico secondo:
Cu + HNO3
Cu(NO3)2 + NO + H2O
Le semireazioni:
Rid.:
(NO3- +4H+ + 3e- NO + 2 H2O) X 2
Cu2+ + 2e-) X 3
Oss.: (Cu
moltiplicate per gli opportuni coefficienti (2 e 3, rispettivamente) consentono di ottenere l'equazione ionica netta:
Rid.:
Oss.:
2NO3- +8H+ + 6e- 2NO + 4 H2O
3Cu 3Cu2+ + 6e3Cu + 2NO3- + 8H+ 3Cu2+ + 2NO + 4 H2O
.
dalla quale si ricavano anche i coefficienti dell'equazione scritta sotto forma molecolare:
3Cu + 8HNO3
3 Cu(NO3)2 + 2NO + 4 H2O
Il confronto tra l'equazione ionica netta e l'equazione bilanciata sotto forma molecolare mostra chiaramente che HNO3
in questa reazione svolge un doppio ruolo. Infatti, come messo in evidenza dai coefficienti dell'equazione ionica netta,
due delle 8 moli totali di HNO3 vengono usate per ossidare il Cu e portano alla formazione di NO; altre 6 moli dell'acido
vengono poi impegnate per formare il sale Cu(NO3)2.
2) Il manganato di sodio si può preparare trattando biossido di manganese con O2 in ambiente basico secondo:
MnO2 + NaOH + O2
Le semireazioni:
Rid.:
(O2 +4H+ + 4eOss.: (MnO2 + 2H2O
Na2MnO4 + H2O
2H2O) X 1
MnO4= + 4H+ + 2e-) X 2
moltiplicate per gli opportuni coefficienti (1 e 2, rispettivamente) consentono di ottenere l'equazione ionica netta:
Rid.:
Oss.:
O2 +4H+ + 4e- 2 H2O
2MnO2 + 4H2O 2MnO4= + 8H+ + 4e- .
2MnO2 + 2H2O + O2 2MnO4= + 4H+
In questo caso è necessario trasformare l'equazione ionica netta valida per la reazione in ambiente acido (la presenza di
H+ tra i prodotti è indicativa a tal proposito) nell'equivalente reazione valida per ambiente basico sommando 4OH- ad
entrambi membri dell'equazione:
2MnO2 + 2H2O + O2 + 4OH2MnO2 + 2H2O + O2 + 4OH2MnO2 + O2 + 4OH-
2MnO4= + 4H+ + 4OH- raggruppando 4H+ e 4OH- in 4H2O si ottiene:
2MnO4= + 4H2O
e semplificando si ricava
2MnO4= + 2H2O
l'equazione ionica netta in ambiente basico.
dalla quale facilmente si ottengono i coefficienti della reazione scritta sotto forma molecolare:
2MnO2 + 4NaOH + O2
2Na2MnO4 + 2H2O
3) In una reazione di dismutazione o disproporzione una sola sostanza è al tempo stesso ossidante e riducente.
Ad esempio, il fosforo posto in ambiente fortemente basico forma fosfina (PH3) e ipofosfito(H2PO2-) secondo:
P4 + NaOH + H2O
PH3 + NaH2PO2
Le semireazioni:
Rid.:
(P4 +12H+ + 12e- 4PH3) X 1
Oss.: (P4 + 8H2O 4H2PO2- + 8H+ + 4e-) X 3
moltiplicate per gli opportuni coefficienti (1 e 3, rispettivamente) consentono di ottenere l'equazione ionica netta:
Rid.:
Oss.:
P4 +12H+ + 12e- 4PH3
3P4 + 24H2O 12H2PO2- + 24H+ + 12e4P4 + 24H2O 4PH3 + 12H2PO2- + 12H+
I coefficienti dell'equazione ionica netta devono innanzi tutto essere resi minimi. Dividendo per 4 i coefficienti di
entrambi i membri dell'equazione si ottiene:
P4 + 6H2O
PH3 + 3H2PO2- + 3H+
Anche in questo caso si dovrà poi procedere alla trasformazione dell'equazione ionica netta da ambiente acido a
ambiente basico aggiungendo ad entrambe le parti 3OH-.
P4 + 6H2O + 3OHP4 + 6H2O + 3OH-
PH3 + 3H2PO2- + 3H+ + 3OHPH3 + 3H2PO2- + 3H2O
raggruppando 4H+ e 4OH- in 4H2O si ottiene
e semplificando si ricava
P4 + 3H2O + 3OH-
PH3 + 3H2PO2-
l'equazione ionica netta in ambiente basico
dalla quale facilmente si ottengono i coefficienti della reazione scritta sotto forma molecolare:
P4 + 3H2O + 3NaOH
PH3 + 3NaH2PO2
Altra reazione di dismutazione:
Cl2 + KOH
KCl + KClO3+ H2O
Le semireazioni:
Rid.:
(Cl2 + 2e- 2Cl-) X 5
Oss.: (Cl2 + 6H2O 2ClO3- + 12H+ + 10e-) X 1
moltiplicate per gli opportuni coefficienti (5 e 1, rispettivamente) consentono di ottenere l'equazione ionica netta:
Rid.:
Oss.:
5Cl2 + 10e- 10ClCl2 + 6H2O 2ClO3- + 12H+ + 10e- .
6Cl2 + 6H2O 10Cl- + 2ClO3- + 12H+
I coefficienti dell'equazione ionica netta devono innanzi tutto essere resi minimi. Dividendo per 2 i coefficienti di
entrambi i membri dell'equazione si ottiene:
3Cl2 + 3H2O
5Cl- + ClO3- + 6H+
e trasformando da ambiente acido ad ambiente basico si ha:
3Cl2 + 3H2O + 6OH3Cl2 + 3H2O + 6OH3Cl2 + 6OH-
5Cl- + ClO3- + 6H++ 6OH5Cl- + ClO3- + 6H2O
5Cl- + ClO3- + 3H2O
Equazione ionica netta in ambiente basico.
Da cui si ricavano i coefficienti dell'equazione di disproporzione del cloro in ambiente basico:
3Cl2 + 6KOH
5KCl + KClO3 + 3H2O
4) In alcune reazioni due elementi della stessa sostanza sono al tempo stesso ossidante e riducente.
Ad esempio:
Pb(NO3)2
Le semireazioni:
Rid.:
(NO3- + e- NO2 + O=) X 4
Oss.: (2O= O2 + 4e-) X 1
PbO + O2 + NO2
riduzione di NO3- a NO2
ossidazione di O= a O2.
N.B. Qualora, come in questo caso, H2O non sia presente né tra i prodotti né tra i reagenti, è conveniente bilanciare
l'ossigeno nelle semireazioni di ossidazione e di riduzione aggiungendo ioni ossido (O=) anziché H2O.
Rid.:
Oss.:
4NO3- +4e- 4NO2 + 4O=
2O= O2 + 4e4NO3- 4NO2 + O2 + 2O=
.
da cui si ricavano i coefficienti di reazione:
2PbO + O2 + 4NO2
2Pb(NO3)2
5) Alcuni esempi di reazioni redox nelle quali non compare H2O.
a) Il fosforo elementare può essere preparato per riscaldamento di fosfato di calcio in presenza di silice (biossido di
silicio) e carbone (il carbonio notoriamente è un buon riducente) secondo la reazione:
Ca3(PO4)2 + SiO2 + C
CaSiO3 + CO + P4
Le semireazioni:
Rid.:
(4PO43- + 20e- P4 + 16O=) X 1
CO + 2e-) X 10
Oss.: (C + O=
Anche in questo caso non apparendo H2O né tra i reagenti né tra i prodotti, l'ossigeno si bilancia aggiungendo ioni
ossido anziché molecole di acqua. Si fa notare che Si in questa reazione non cambia numero di ossidazione anche se il
biossido di silicio si trasforma in ione silicato (SiO3=).
Rid.:
Oss.:
4PO43- + 20e10C + 10O=
4PO43- + 10C
P4 + 16O=
10CO + 20eP4 + 10CO + 6O=
.
da cui si ricavano i coefficienti di reazione:
2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C
6CaSiO3 + 10CO + P4
b) Per riscaldamento dell'acido fosforoso si ottiene acido fosforico e fosfina secondo la reazione di dismutazione:
H3PO3
Le semireazioni:
Rid.:
(H3PO3 + 6eOss.: (H3PO3 + O=
H3PO4 + PH3
PH3 + 3O=) X 1
H3PO4 + 2e-) X 3
opportunamente trasformate, danno l'equazione ionica netta
Rid.:
Oss.:
H3PO3 + 6e- PH3 + 3O=
3H3PO3 + 3O=
3H3PO4 + 6e4H3PO3 3H3PO4 + PH3
che, in questo caso, coincide con la reazione scritta in forma molecolare.
4H3PO3
3H3PO4 + PH3
6) Due sostanze, reagendo, possono talvolta dare lo stesso prodotto.
KIO3 + NaI + H2SO4
Le semireazioni:
Rid.:
(2IO3- + 12H+ + 10eOss.: (2I- I2 + 2e-) X 5
I2 + K2SO4 + Na2SO4 + H2O
I2 + 6H2O) X 1
opportunamente trasformate, danno l'equazione ionica netta
Rid.:
Oss.:
2IO3- + 12H+ + 10e10I- 5I2 + 10e2IO3- + 12H+ + 10I-
I2 + 6H2O
.
6I2 + 6H2O
i cui coefficienti devono essere resi minimi:
IO3- + 6H+ + 5I-
3I2 + 3H2O
A questo punto si può procedere al bilanciamento dell'equazione scritta in forma molecolare
KIO3 + 5NaI + 3H2SO4
3I2 + 1/2K2SO4 +5/2 Na2SO4 + 3H2O
I cui coefficienti dovranno essere resi interi secondo:
2KIO3 +10NaI + 6H2SO4
6I2 + K2SO4 +5Na2SO4 + 6H2O
7) Talvolta uno dei prodotti di reazione è già presente nei reagenti.
KMnO4 + Na2SO3 + H2SO4
MnSO4 + K2SO4 + Na2SO4 + H2O
Le semireazioni:
Rid.:
(MnO4- + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O) X 2
Oss.: (SO3= + H2O SO4= + 2H+ + 2e-) X 5
opportunamente trasformate, danno l'equazione ionica netta
Rid.:
Oss.:
2MnO4- + 16H+ + 10e- 2Mn2+ + 8H2O
5SO3= + 5H2O 5SO4= + 10H+ + 10e2MnO4- + 6H+ + 5SO3= 2Mn2+ + 3H2O + 5SO4=
.
A questo punto si può procedere al bilanciamento dell'equazione scritta in forma molecolare
2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4
2MnSO4 + K2SO4 + 5Na2SO4 + 3H2O
8) Spesso un processo di ossdo-riduzione viene rappresentato in forma ionica indicando solo le specie che subiscono una
reale modificazione.
Ad esempio
a) la reazione del punto precedente può essere così scritta in forma ionica:
MnO4- + SO3=
Mn2+ + SO4=
In questo caso il bilanciamento è di molto facilitato in quanto la forma ionica mette in evidenza solo le specie che devono
essere presenti nelle semireazioni redox, a meno di H+, OH- e H2O.
Le semireazioni saranno pertanto:
Rid.:
Oss.:
(MnO4- + 8H+ + 5e- Mn2+ + 4H2O) X 2
(SO3= + H2O SO4= + 2H+ + 2e-) X 5
e, opportunamente trasformate, esse danno direttamente i coefficienti dell'equazione ionica netta
Rid.: 2MnO4- + 16H+ + 10e- 2Mn2+ + 8H2O
Oss.: 5SO3= + 5H2O 5SO4= + 10H+ + 10e.
2MnO4- + 6H+ + 5SO3= 2Mn2+ + 3H2O + 5SO4=
b) l'ossidazione dello iodio da parte di un clorato, può essere così rappresentata:
I2 + ClO3-
Cl- + IO3-
In questo caso le semireazioni sono:
Rid.: (ClO3- + 6H+ + 6e- Cl- + 3H2O) X 5
Oss.:(I2 + 6H2O 2IO3- + 12H+ + 10e-) X 3
opportunamente trasformate, esse danno direttamente i coefficienti dell'equazione ionica netta
Rid.: 5ClO3- + 30H+ + 30e- 5Cl- + 15H2O
.
Oss.: 3I2 + 18H2O 6IO3- + 36H+ + 30e5ClO3- + 3I2 + 3H2O 5Cl- + 6IO3- + 6H+
9) Due esempi di reazioni di ossido-riduzione con sostanze organiche.
a) La combustione del glucosio (C6H12O6) è una reazione di ossidoriduzione nella quale il carbonio del glucosio viene
ossidato dall'ossigeno secondo:
C6H12O6 + O2
CO2 + H2O
In questo caso le semireazioni sono:
Rid.: (O2 + 4H+ + 4e- 2H2O) X 6
Oss.:(C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H+ + 24e-) X 1
esse, opportunamente trasformate, danno direttamente i coefficienti di reazione
Rid.: 6O2 + 24H+ + 24e- 12H2O
Oss.: C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H+ + 24e___________________________________________
C6H12O6 + 6O2
6CO2 + 6H2O
a) L'ossidazione dell'alcool etilico ad acido acetico ad opera dell'ossigeno atmosferico, può così essere rappresentata:
CH3CH2OH + O2
CH3COOH + H2O
Con le seguenti semireazioni:
Rid.: (O2 + 4H+ + 4e- 2H2O) X 1
CH3COOH + 4H+ + 4e-) X 1
Oss.:(CH3CH2OH + H2O
esse, opportunamente trasformate, danno direttamente i coefficienti di reazione
Rid.: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
CH3COOH + 4H+ + 4eOss.: CH3CH2OH + H2O
___________________________________________
CH3CH2OH + O2
CH3COOH + H2O
N.B. La scrittura secondo la formula razionale dell'alcool etilico in questa reazione mostra chiaramente che l'atomo
di carbonio sul gruppo metilico non viene interessato dalla reazione (numero di ossidazione -3 in entrambi i
composti) mentre quello del gruppo alcolico passa da un numero di ossidazione -1 a +3. Questa particolarità
viene messa in evidenza solo utilizzando la formula razionale. Infatti, se si scrive la stessa reazione redox
usando le formule brute dell'alcool e dell'acido acetico:
C2H6O + O2
C2H4O2+ H2O
si vede solamente che il numero di ossidazione medio del carbonio passa da -2 (nell'alcool etilico) a 0
(nell'acido acetico).