Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni o dello ione elettronico

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Le reazioni redox o reazioni di riduzione dell’ossido sono processi chimici in cui si verificano trasferimenti netti di elettroni da una specie chimica ossidata a un’altra ridotta . Questo tipo di reazioni è difficile da regolare con metodi tradizionali come tentativi ed errori, quindi sono stati sviluppati metodi alternativi che facilitano il processo. Uno di questi metodi è il metodo della semireazione, noto anche come metodo degli ioni elettronici .

Qual è il metodo delle semireazioni o dello ione elettronico?

Il metodo della semireazione consiste in una serie di passaggi da seguire per bilanciare o regolare le equazioni delle reazioni redox. Questo metodo si basa sull’idea che i processi redox consistono in realtà nell’accoppiamento di due processi che possono essere considerati separatamente, che sono l’ossidazione e la riduzione.

Nel metodo delle semireazioni o metodo dello ione elettronico, le equazioni delle semireazioni di ossidazione e riduzione vengono regolate separatamente per combinare successivamente entrambe le equazioni in un’equazione globale già bilanciata.

Le semireazioni di ossidazione e riduzione

L’ossidazione è un processo chimico durante il quale un atomo o un gruppo di atomi perde o rilascia uno o più elettroni . Questo processo implica necessariamente un aumento dello stato di ossidazione di alcuni degli atomi che compongono la specie originaria.

D’altra parte, la riduzione è intesa come il processo opposto all’ossidazione. La riduzione è il processo chimico durante il quale una specie chimica acquista uno o più elettroni . Quando ciò accade, lo stato di ossidazione di alcuni degli atomi che compongono questa specie chimica diminuisce, poiché sta ricevendo un elettrone la cui carica è negativa.

Due metà dello stesso processo

Gli elettroni liberi sono specie estremamente instabili, quindi la reazione di ossidazione è un processo che non può avvenire in modo indipendente, se non in condizioni molto particolari. In altre parole, non può accadere che un atomo rilasci spontaneamente un elettrone senza ulteriori indugi, e che questo elettrone rimanga, per così dire, “fluttuante”. Ciò si verifica solo in condizioni altamente energetiche, come nel plasma, o quando un materiale viene bombardato con qualche tipo di radiazione ad alta energia. Di conseguenza, le reazioni di ossidazione possono verificarsi solo se allo stesso tempo un’altra specie è in grado di ricevere gli elettroni rilasciati.

In considerazione di ciò, l’ossidazione e la riduzione non possono essere considerate come reazioni chimiche in sé, ma piuttosto sono due metà dello stesso processo, motivo per cui sono chiamate semireazioni o semireazioni, sebbene quest’ultima Il termine sia usato raramente in la letteratura chimica spagnola.

Il metodo della semireazione per regolare le reazioni redox

Successivamente, verranno dettagliati i passaggi per bilanciare l’equazione di una reazione redox utilizzando il metodo degli ioni di elettroni o il metodo della semireazione.

È da notare che questo metodo ammette due varianti a seconda che la reazione venga condotta in ambiente acido o in ambiente basico. In gran parte della letteratura questi due metodi sono dettagliati separatamente, seguendo passaggi leggermente diversi durante le diverse fasi del processo. Tuttavia, una reazione adattata al redox in un mezzo acido può essere facilmente convertita in un mezzo basico mediante tre passaggi molto semplici. Per questo ci sembra più conveniente imparare ad allestire le reazioni in un mezzo acido (che è più facile) e poi trasformarlo in un mezzo basico se necessario.

Per illustrare questo processo, adatteremo la seguente reazione redox che si verifica in un mezzo basico:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Passaggio 0 (facoltativo): dissociare tutte le specie ioniche disciolte per ottenere l’equazione ionica

Il processo di aggiustamento con il metodo degli ioni elettronici è molto più semplice se si escludono dalle semireazioni tutti gli ioni spettatori, cioè tutti quegli ioni che non sono direttamente coinvolti nell’ossidazione o nella riduzione ma sono comunque presenti nella reazione. parte dei composti ionici originali.

Il primo passo per farlo è dissociare tutte le specie ioniche disciolte, cioè sali, acidi e basi. Quegli ioni che appaiono su entrambi i lati dell’equazione completamente invariati saranno gli ioni spettatori. Nel caso del nostro esempio, l’equazione ionica sarà così:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Osservando questa equazione, è chiaro che il catione di potassio non è coinvolto nella reazione ed è quindi uno ione spettatore. Quindi, l’equazione ionica netta che regoleremo, dopo aver eliminato questo ione, sarà:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Questo passaggio non è sempre necessario, poiché in alcuni casi si parte direttamente dall’equazione ionica netta (quella in cui gli ioni spettatori non sono più presenti), e in altri l’equazione è così semplice che la presenza di questi ioni non interferire nel processo di regolazione della reazione.

Passaggio 1: identificare le specie che vengono ossidate e ridotte.

Il passo successivo prevede la determinazione dello stato di ossidazione di tutti gli atomi presenti nell’equazione chimica, in modo da sapere quali atomi hanno subito un cambiamento di stato di ossidazione. Deve esserci necessariamente almeno un atomo che si ossida e uno che si riduce, e può anche trattarsi dello stesso atomo (nel qual caso siamo in presenza di un particolare tipo di reazione redox detta dismutazione).

Non è scopo di questo articolo dare una spiegazione completa su come determinare gli stati di ossidazione, ma ricordiamo come regole base che:

  • Le sostanze elementari hanno stato di ossidazione 0.
  • Lo stato di ossidazione dei cationi e degli anioni monoatomici corrisponde alla loro carica.
  • In tutti gli ossidi e ossianioni, l’ossigeno ha -2 stati di ossidazione.
  • Ad eccezione degli idruri, dove il suo stato di ossidazione è -1, l’idrogeno ha sempre uno stato di ossidazione +1 in tutti i composti di cui fa parte.
  • Gli altri stati di ossidazione sono calcolati in modo tale che la somma di tutti gli stati di ossidazione corrisponda alla carica netta della specie in questione.

La seguente equazione presenta gli stati di ossidazione di tutte le specie coinvolte nel nostro esempio:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Come possiamo vedere, gli atomi che cambiano stato di ossidazione sono il manganese e lo iodio. Il manganese nello ione permanganato viene ridotto da +7 a +4 mentre lo ioduro viene ossidato a iodio elementare, passando da -1 a 0 stato di ossidazione.

Passaggio 2: separare la reazione complessiva in semireazioni di ossidazione e riduzione.

Ora che sappiamo quali specie vengono ossidate e ridotte, possiamo dividere la reazione complessiva in due semireazioni:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Si noti che, poiché gli ioni idrossido non sono direttamente coinvolti nel processo di ossidazione o riduzione, non sono stati inclusi in nessuna delle semireazioni.

Passaggio 3: equilibrare separatamente le due semireazioni come se fossero in un mezzo acido.

Come spiegato all’inizio, sia che la reazione avvenga in ambiente acido sia che sia basica, inizieremo a regolarla come se avvenisse in ambiente acido. Successivamente, se necessario, si trasformerà in un supporto di base. La regolazione delle semireazioni in mezzo acido consiste nei seguenti 5 passaggi, che possono essere applicati contemporaneamente ad entrambe le semireazioni:

  • Regola il numero di atomi che cambiano stato di ossidazione.

Nel nostro caso, la riduzione non provoca alcun cambiamento, poiché c’è un manganese su ogni lato, ma l’ossidazione fa:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

  • Regolare per qualcosa di diverso da ossigeno o idrogeno, aggiungendo ioni spettatori se necessario.

Nel nostro esempio questo non è necessario, poiché rimuoviamo tutti gli ioni spettatori all’inizio.

  • Regola il numero di ossigeni aggiungendo molecole d’acqua dove mancano.

Nel nostro caso, è necessario regolare il numero di ossigeni nella semireazione di riduzione, ma non in quella di ossidazione:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

  • Regola il numero di idrogeni aggiungendo protoni (H + ) dove mancano:

Ancora una volta, l’ossidazione rimane invariata perché non coinvolge gli atomi di idrogeno, ma nella riduzione abbiamo bisogno di aggiustarli:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

  • Regola la carica elettrica totale aggiungendo elettroni (e ) dove mancano cariche negative o cariche positive in eccesso (Suggerimento: sono quasi sempre dalla stessa parte dei protoni):

Come si vede, nella semireazione di riduzione la carica netta sui prodotti è 0, ma sui reagenti c’è una carica netta di +4 – 1 = +3, cioè ci sono cariche positive in eccesso. Per questo motivo dobbiamo aggiungere tre elettroni dalla parte dei reagenti per compensare questo eccesso di carica:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

D’altra parte, nel caso dell’ossidazione, c’è una carica netta di -2 sul lato dei reagenti e 0 sui prodotti, quindi non ci sono cariche negative sui prodotti, quindi 2 elettroni devono essere aggiunti su questo lato per bilanciare le accuse:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Traccia

Va notato che l’aggiunta di elettroni con questa procedura (trattandoli come se fossero ioni, da cui il nome del metodo ione-elettrone) avviene indipendentemente dagli stati di ossidazione delle diverse specie coinvolte. Tuttavia, è essenziale che il numero di elettroni e il loro posizionamento corrispondano ai cambiamenti osservati negli stati di ossidazione.

Quindi, nelle semireazioni di riduzione, gli elettroni devono essere sempre sul lato sinistro dell’equazione e nelle ossidazioni devono essere sempre sul lato destro, come è successo nel nostro esempio.

Inoltre, il numero di elettroni deve corrispondere al cambiamento nello stato di ossidazione. Il manganese è ridotto da +7 a +4, quindi c’è un cambiamento di -3 nel suo stato di ossidazione, coerente con l’aggiunta di 3 elettroni. Nel caso dello ioduro, questo cambia da -1 a 0 corrispondente a un cambiamento di +1, ma ci sono due ioduri, quindi vengono rilasciati due elettroni invece di uno, come presentato nella rispettiva equazione.

Passaggio 4: moltiplicare ciascuna semireazione per il numero di elettroni nell’altra, semplificando i fattori se possibile.

Questo passaggio cerca di pareggiare il numero di elettroni rilasciati durante l’ossidazione con il numero di elettroni catturati dalla riduzione. Questo assicura che non ci siano elettroni “orfani” alla fine della reazione o che non manchino elettroni. Se entrambe le semireazioni rilasciano o assorbono lo stesso numero di elettroni, questo passaggio non è necessario.

Nel nostro esempio, ogni semireazione di ossidazione rilascia 2 elettroni, ma ogni semireazione di riduzione ne richiede 3, quindi l’ossidazione deve avvenire 3 volte per ogni 2 volte che si verifica la riduzione:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Il risultato è:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Passaggio 5: sommare entrambe le semireazioni per ottenere l’equazione ionica netta bilanciata.

La somma di queste due semireazioni risulta nell’equazione ionica netta aggiustata in un mezzo acido:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Passaggio 6 (solo per terreno di base): convertire il terreno acido in un terreno di base.

Alla fine del passaggio 5 abbiamo già l’equazione ionica netta aggiustata in un mezzo acido. Tuttavia, la reazione può avvenire in un mezzo basico piuttosto che acido. Se questo è il caso, l’equazione precedente deve essere trasformata in un mezzo di base. Questo viene fatto attraverso tre semplici passaggi:

  • Aggiungi uno ione idrossido (OH ) a ciascun lato dell’equazione per ogni protone (H + ) presente.

Nel nostro caso vanno aggiunti 8 ioni idrossido da ogni lato:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

  • Combina gli idrossidi e i protoni che si trovano sullo stesso lato per formare molecole d’acqua.

Nel nostro caso, nei reagenti ci sono 8 idrossidi e 8 protoni che vengono neutralizzati per formare 8 molecole d’acqua:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

  • Se necessario, semplifica le molecole d’acqua che si ripetono su entrambi i lati dell’equazione.

Quest’ultimo passaggio si traduce nell’equazione ionica netta bilanciata in mezzo basico. Nel caso della reazione che stiamo regolando, dopo aver formato le 8 molecole d’acqua, possiamo notare che solo quattro di queste otto partecipano effettivamente alla reazione, poiché le altre quattro rimangono invariate nei prodotti. Semplificando queste quattro molecole d’acqua ripetute si ottiene l’equazione redox corretta:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Passaggio 7 (facoltativo): aggiungere gli ioni spettatore per ottenere l’equazione molecolare complessiva

Questo passaggio non è sempre necessario, poiché l’equazione ionica netta è una rappresentazione più accurata del processo chimico che sta effettivamente avvenendo. Tuttavia, può essere importante per eseguire calcoli stechiometrici. In questo senso, se si vuole ottenere l’equazione molecolare globale, basta sommare gli ioni spettatori come controioni di tutte le specie che compaiono nell’equazione ionica netta.

Nel presente esempio, l’unico ione spettatore è il catione di potassio (K + ), quindi lo useremo per neutralizzare tutti gli anioni presenti nella reazione:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Infine, dopo aver unito i rispettivi ioni, otteniamo l’equazione aggiustata in termini di sole specie neutre:

Regolazione delle reazioni redox con il metodo delle semireazioni

Riferimenti

Chang, R. e Goldsby, K. (2013). Chimica (11a ed.). McGraw-Hill Interamericana de España SL

Generalic, E. (2021, 22 gennaio). Bilanciamento delle reazioni redox con il metodo ione-elettrone . periodni.com. https://www.periodni.com/it/metodo_delle_semi-reazioni.php

Lavado S., A., & Yenque D., JA (2005). Procedura unificata per bilanciare le reazioni redox utilizzando il metodo Ion-Electron . Redalyc. https://www.redalyc.org/pdf/816/81680214.pdf

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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