Reazioni redox

Ossidazione e riduzione

Alcune reazioni chimiche possono essere classificate come reazioni di riduzione-ossidazione o reazioni redox. L'ossidazione è il processo della materia, come un atomo o una molecola ionica, che perde uno o più elettroni, e la riduzione è il processo della materia che guadagna uno o più elettroni.

Stati di ossidazione

Ogni atomo in una molecola ha il proprio stato di ossidazione o numero di ossidazione. Lo stato di ossidazione descrive il grado di ossidazione di una molecola rispetto alla sua forma elementare libera. Lo stato di ossidazione è espresso come la carica che un atomo avrebbe se ciascuno dei suoi legami con altri elementi fosse puramente ionico. Ciò significa che gli elettroni nel legame sono assegnati all'atomo più elettronegativo. Lo stato di ossidazione di un atomo nella sua forma elementare libera è definito come 0.

Ci sono alcune regole che vengono seguite per determinare lo stato di ossidazione. Gli elementi del Gruppo I e del Gruppo II hanno tipicamente stati di ossidazione rispettivamente di +1 e +2. L'idrogeno e l'ossigeno hanno tipicamente stati di ossidazione di +1 e -2, rispettivamente, e gli alogeni di solito hanno uno stato di ossidazione di -1. Inoltre, gli stati di ossidazione degli atomi in una molecola si sommano sempre alla carica sulla molecola. Pertanto, lo stato di ossidazione di un atomo non elencato sopra può spesso essere dedotto. Ad esempio, si consideri l'anidride carbonica (CO₂), che è una molecola neutra. Se ciascuna delle due molecole di ossigeno contribuisce con -2, lo stato di ossidazione del carbonio deve essere +4 per annullare il -4 dagli ossigeni.

Per un approccio più generale, disegna la struttura di Lewis della molecola, identifica i legami tra i diversi atomi e assegna ogni legame all'atomo più elettronegativo. Quindi, conta il numero di elettroni su ciascun atomo, con ogni legame che contribuisce con due elettroni. Sottrarre il numero di elettroni attualmente presenti sull'atomo dal numero standard di elettroni di valenza per quell'atomo per ottenere il numero di ossidazione.

Consideriamo di nuovo l'anidride carbonica. Ogni ossigeno ha due coppie solitarie di elettroni ed è collegato al carbonio centrale da un doppio legame. L'ossigeno è più elettronegativo del carbonio, quindi ogni legame C=O, che rappresenta quattro elettroni, è assegnato al suo ossigeno. Così, a ogni ossigeno viene assegnato un totale di otto elettroni (quattro dalle coppie solitarie e quattro dal doppio legame) e al carbonio non ne viene assegnato nessuno. Il numero predefinito di elettroni di valenza per l'ossigeno è sei, quindi il numero di ossidazione per ciascun ossigeno è 6 – 8 = -2. Il numero predefinito di elettroni di valenza per il carbonio è quattro, quindi il numero di ossidazione per il carbonio è 4 – 0 = +4.

Reazioni redox

Non tutte le reazioni chimiche sono classificate come reazione redox. Una reazione redox è qualsiasi reazione in cui si verifica un cambiamento nello stato di ossidazione di un atomo. Pertanto, per verificare se una reazione è una reazione redox, determinare gli stati di ossidazione di ciascun atomo nei reagenti e nei prodotti e cercare eventuali cambiamenti.

Molte reazioni redox comportano un trasferimento di elettroni direttamente da una molecola o da un atomo all'altro. In queste reazioni, se una molecola, o atomo, guadagna un elettrone, un'altra molecola, o atomo, deve perdere un elettrone. Un modo semplice per ricordare le definizioni di ossidazione e riduzione è attraverso la frase OIL-RIG, che sta per: Oxidation Is Losing – Reduction Is Gaining.

La molecola che guadagna un elettrone viene ridotta, ma è chiamata ossidante o agente ossidante perché ossida l'altra molecola. Allo stesso modo, la molecola che perde un elettrone viene ossidata, ma è chiamata riducente o agente riducente perché riduce l'altra molecola.

Esistono quattro tipi principali di reazione che in genere coinvolgono processi redox.

1. Reazione di spostamento singolo: Un atomo sposta un altro atomo che fa parte di un composto e lo sostituisce.
2. Reazione di combustione: Un composto viene ridotto da un forte ossidante, tipicamente ossigeno gassoso. Le reazioni di combustione che si verificano tra idrocarburi e composti organici producono tipicamente anidride carbonica e acqua.
3. Reazione di sintesi: Due reagenti formano un unico prodotto.
4. Reazione di decomposizione: Un singolo reagente si rompe in due o più prodotti.

Referenze

1. Harris, DC (2015). Analisi chimica quantitativa. New York, NY: W. H. Freeman e compagnia.