le reazioni di ossido-riduzione - descrizione

Le reazioni di ossido-riduzione
www.fulviobaldanza.it
LE REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE
Le reazioni di ossido-riduzione o reazioni redox rivestono grande importanza, non solo in
chimica, ma anche nei fenomeni biologici.
La vita dipende dalle reazioni redox. I processi energetici cellulari della fotosintesi e della
respirazione avvengono mediante serie di reazioni di ossido-riduzione che coinvolgono
carbonio e ossigeno.
1) Il processo fotosintetico, che avviene nei cloroplasti delle cellule vegetali può essere
riassunto dalla seguente equazione chimica:
6CO2 + 6H2O + Energia solare → C6H12O6 + 6O2
2) La respirazione cellulare che avviene nei mitocondri delle cellule eucarioti è
sintetizzata dalla seguente espressione chimica:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia (ATP)
E’ facile notare che i due processi chimici sono l’uno l’opposto dell’altro, e come tali,
dipendenti l’uno dall’altro. Vale a dire che la fotosintesi fornisce una molecola altamente
energetica, il glucosio e quindi l’amido che è fatto di glucosio (pensate a pasta, pane, riso,
biscotti, etc.), in cui è “imprigionata” energia solare.
La respirazione, utilizza il glucosio ricco di energia, demolendolo in biossido di carbonio e
acqua e rendendo l’energia disponibile sottoforma di ATP per tutte le funzioni cellulari.
Questi due processi, sebbene ben conosciuti, sono tuttavia, allo stato attuale delle nostre
conoscenze, ancora impossibili da riprodurre in laboratorio e men che meno per finalità
tecnologiche.
Analizziamo più da vicino il significato dei termini RIDUZIONE e OSSIDAZIONE.
1) RIDUZIONE: da re-ducere (in latino, riportare). Il termine nasce dalle reazioni nei
processi metallurgici, nei quali un metallo sotto forma di ossido metallico (es. Fe2O3)
veniva “riportato” allo stato metallico elementare per sottrazione dell’ossigeno.
2) OSSIDAZIONE: deriva dalle reazioni in cui partecipa l’ossigeno come ossidante
(sono queste, reazioni molto comuni)
Cosa sono le reazioni di ossido-riduzione?
Una reazione è di ossido-riduzione quando in essa variano le distanze medie degli elettroni
di legame fra gli atomi coinvolti.
Prof. Fulvio Baldanza
Pagina 1
Le reazioni di ossido-riduzione
www.fulviobaldanza.it
In sostanza, in una reazione red-ox (red = reduction, ox = oxidation, in inglese), sono
coinvolti atomi di specie chimiche a differente elettronegatività (potere di attrazione di un
elemento, degli elettroni di legame).
Se ne deduce che un’analisi delle reazioni di ossido-riduzione richiede la conoscenza del
numero di ossidazione (n.o.) degli elementi coinvolti.
Il numero di ossidazione è una carica convenzionale assegnata a ciascun atomo in una
molecola o in uno ione poliatomico, attribuendo formalmente gli elettroni di ogni legame
all’elemento più elettronegativo.
In altre parole, ogni legame viene convenzionalmente considerato ionico.
Di seguito, a beneficio dello studente, è riportata la tabella riassuntiva delle 7 regole utili al
calcolo del numero di ossidazione:
Atomi delle sostanze elementari (Fe, Al, Il n.o. è sempre uguale a 0
O2, H2, S8, etc.)
Ossigeno nei composti
Ha n.o. in genere, uguale a -2,
tranne nei perossidi (H2O2, Na2O2 in cui
compare un legame −O−O−) in cui ha
valore -1,
e nel composto OF2 in cui ha valore +2
Idrogeno nei composti
Ha n.o. in genere, uguale a +1,
tranne negli idruri metallici (LiH, CuH) in
cui ha valore -1
Ione monoatomico (Na+, Fe3+, S2-, etc.)
Il n.o. è sempre uguale alla carica dello
ione.
Na+ = +1, Fe3+ = +3, S2- = -2
Ione poliatomico (SO42-, NO3-, CO32-, etc.)
La somma dei n.o. degli atomi componenti
lo ione è uguale alla carica complessiva
dello ione stesso.
Es: CO32- : il n.o. dell’ossigeno è -2, la
carica complessiva è 2-. Quindi il n.o. del
carbonio deve essere +4. Infatti, indicando
con x il n.o. del C, deve essere: x + 3(-2) = 2, risolvendo: x=+4.
Prof. Fulvio Baldanza
Pagina 2
Le reazioni di ossido-riduzione
www.fulviobaldanza.it
Molecola o composto ionico (H2O, CO2, La somma dei n.o. deve essere 0
NaCl, etc.)
Es: CO2 : il n.o. dell’ossigeno è -2. Quindi il
n.o. del carbonio deve essere +4 perché la
somma dei n.o. sia pari a 0. Cioè, indicando
con x il n.o. del C: x + 2(-2) = 0.
Risolvendo, x = +4
Elettroni di legame in un legame covalente
Sono attribuiti formalmente all’atomo più
elettronegativo.
Es : PCl3. Il Cl è più elettronegativo del P.
Quindi, gli elettroni di legame verranno
attribuiti formalmente ai 3 atomi di Cl che
avranno ognuno n.o. = -1, mentre il P avrà
n.o. = +3
E’ bene ricordare inoltre, la sequenza decrescente di elettonegatività per alcuni non-metalli:
F > O > N = Cl > Br > S
Torniamo alle reazioni redox.
Importanti reazioni ossidoriduttive sono le reazioni di combustione. Sono queste, reazioni
chimiche che comportano l’ossidazione di un combustibile, da parte di un comburente
(che generalmente è rappresentato dall’O2 presente nell’aria). Con produzione di calore e
radiazioni elettromagnetiche, tra cui spesso anche radiazioni luminose.
Quindi, in una reazione di combustione, il combustibile di ossida e il comburente si riduce.
Esempio:
2Mg +O2 → 2MgO
Questa reazione viene innescata ponendo del magnesio su una fiamma.
L’ossido di magnesio MgO è un ossido basico, quindi un composto ionico: Mg2+ O2-. L’
anione O2- presente nel composto dunque, detto ione ossido, ha caratteristiche basiche,
perché, come vedremo quando tratteremo gli acidi, in soluzione acquosa è in grado di
provocare un aumento della concentrazione di ioni OH- he conferiscono il carattere basico
ad una soluzione. Ciò avviene perché lo ione ossido in acqua provoca la seguente reazione:
O2- +H2O → 2OH-
Prof. Fulvio Baldanza
Pagina 3
Le reazioni di ossido-riduzione
www.fulviobaldanza.it
E’ facile verificare il carattere basico della soluzione, mediante un indicatore di pH, come la
fenolftaleina. A contatto con la soluzione si ha immediatamente il “viraggio” dell’indicatore
che assume un bel colore fucsia intenso.
Riassumiamo:
2 atomi di Mg (n.o. = 0) reagiscono con una molecola biatomica O2 (n.o. = 0) per dare
origine a 2 molecole di ossido di magnesio MgO. Il n.o. del magnesio è aumentato passando
a +2 (0 → +2), mentre il n.o. dell’ossigeno è diminuito passando a -2 (0 → -2), perché
durante la reazione, il Mg ha ceduto 2 elettroni (2e-) all’ossigeno. Ci troviamo di fronte ad
una reazione redox in base alla definizione, perchè c’è stato un trasferimento di elettroni da
una specie chimica che si è ossidata (Mg) ad una che si è ridotta (O2)
In altri termini
il Mg si ossida e il suo n.o. aumenta.
L’O si riduce e il suo n.o. diminuisce.
E’ chiaro quindi che una reazione chimica è redox, se e solo se in essa avviene un
cambiamento di numeri di ossidazione.
E’ importante notare, comunque, che perché abbia luogo una reazione redox, non è
necessario che vi sia un vero e proprio trasferimento di elettroni da un atomo all’altro, basta
soltanto che avvenga uno spostamento della nuvola elettronica di legame verso l’elemento
più elettronegativo. Come nel caso di legami covalenti polari.
Facciamo un esempio:
C(s) + O2(g) → CO2(g) + Energia
(I simboli s, g a pedice significano rispettivamente stato solido e stato gassoso)
In questa reazione chimica, non si formano legami ionici, ma covalenti, eppure il n.o del
carbonio aumenta a +4 e quello dell’O a -2, indicando che siamo in presenza di una reazione
redox.
Anche se non c’e stato trasferimento di elettroni dal carbonio all’ossigeno, i doppi legami
della CO2 sono polari. Si è quindi avuto uno spostamento delle nuvole elettroniche dei
legami di valenza, verso l’ossigeno. Il che giustifica l’attribuzione delle cariche formali +4 e
-2 rispettivamente al carbonio e all’ossigeno.
Il carbonio si è ossidato e l’ossigeno si è ridotto.
Nelle reazioni che abbiamo visto finora, il carbonio e il magnesio, ossidandosi, agiscono da
agenti riducenti.
Prof. Fulvio Baldanza
Pagina 4
Le reazioni di ossido-riduzione
www.fulviobaldanza.it
L’ossigeno che si riduce, agisce da agente ossidante.
Inoltre, le coppie Mg(0)/Mg(+2)
redox.
- O(0)/O(-2) -
C(0)/C(+4) sono dette coppie coniugate
Mg(0), O(-2), C(0) sono dette forma ridotta.
Mg(+2), O(0), C(+4) sono le forme ossidate (i numeri di ossidazione sono più elevati).
Tipici agenti ossidanti degni di nota sono O2, Cl2, MnO4- (ione permanganato), Cr2O72(ione dicromato).
Si deve tener presente che il concetto di agente ossidante è relativo:
infatti, H2O2 (perossido di idrogeno), è un agente generalmente ossidante che produce H2O,
dove il n.o. dell’O passa da -1 a -2 (riduzione). Tuttavia, in presenza di un agente ossidante
più forte, come lo ione dicromato (Cr2O72-), l’H2O2 si ossida producendo O2 e fungendo da
riducente.
E’ corretto quindi dire, che in una reazione redox è la specie chimica con la maggiore
tendenza a ridursi che agisce da ossidante.
Tipici agenti riducenti da ricordare sono C (grafite) e CO (monossido di carbonio), molto
utilizzati in metallurgia.
Ad esempio nella reazione seguente:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Il ferro passa dal n.o. +3 a 0 e si riduce diventando ferro elementare (ricordare re-ducere),
mentre il carbonio passa dal n.o. +2 a +4, ossidandosi.
Precisiamo inoltre che le redox possono avvenire anche in assenza di ossigeno come ad
esempio nella seguente reazione:
2Fe(s) + 3Cl2(g) → 2FeCl2(s)
Di cui è facile verificare che sia una ossidoriduzione.
DIPENDENZA DAL pH DI ALCUNE REAZIONI DI OSSIDO-RIDUZIONE
Il modo in cui avvengono alcune reazioni redox, e di conseguenza il tipo di sostanze
prodotte, dipende dal pH.
E’ il caso delle reazioni che coinvolgono lo ione permanganato (MnO4-) che, come abbiamo
già visto è un potente agente ossidante.
Prof. Fulvio Baldanza
Pagina 5
Le reazioni di ossido-riduzione
www.fulviobaldanza.it
In ambiente acido, quindi ad elevate concentrazioni di ioni H+, il manganese dello ione
permanganato si riduce dando origine allo ione manganese Mn2+ (n.o. +7 → +2) e ciò
provoca uno scolorimento della soluzione
In ambiente neutro o solo debolmente basico, con una lieve concetrazione di ioni idrossido
OH-, il manganese, riducendosi, forma biossido di manganese MnO2 (n.o. +7 → +4) e
conseguente formazione di un precipitato (corpo di fondo) insolubile di colore brunastro.
In ambiente basico, a elevata concentrazione di ioni OH- lo ione permanganato produce lo
ione manganato MnO42- (n.o. del manganese +7 → +6) che conferisce alla soluzione un
colore verde.
REAZIONI DI DISMUTAZIONE O DISPROPORZIONE
Sono reazioni in cui una stessa specie chimica si ossida e si riduce o in altri termini funge da
ossidante e riducente allo stesso tempo.
Ad esempio:
Cl2(g) + 2OH-(aq) → Cl-(aq) + ClO-(aq) + H2O
Dove (aq) sta per particelle in soluzione acquosa (idratate).
In questa reazione, il cloro si riduce (n.o. 0 → -1) nello ione cloruro Cl- e si ossida (n.o. 0 →
+1) nello ione ipoclorito (ClO-).
Prof. Fulvio Baldanza
Pagina 6