Le reazioni di ossidoriduzione, dette anche redox, sono trasformazioni chimiche in cui due specie si scambiano elettroni: una li cede e si ossida, l'altra li acquista e si riduce.
Le ossidoriduzioni costituiscono una delle classi di reazioni più importanti della chimica, perché spiegano fenomeni quotidiani come la formazione della ruggine, la combustione del metano nei fornelli e il funzionamento delle pile che alimentano gli smartphone. A differenza delle reazioni acido-base, dove a trasferirsi sono i protoni, qui il protagonista è l'elettrone, una particella minuscola ma capace di liberare grandi quantità di energia. Per riconoscere e bilanciare queste reazioni occorre padroneggiare il concetto di numero di ossidazione e le regole che lo governano. In questa scheda vedremo come attribuire correttamente i numeri di ossidazione e come usarli per identificare ossidanti e riducenti.
Numero di ossidazione e identificazione delle redox
Il numero di ossidazione, abbreviato n.o., rappresenta la carica fittizia che un atomo assumerebbe se tutti i legami che lo coinvolgono fossero ionici, attribuendo gli elettroni all'atomo più elettronegativo. Non è una carica reale, ma uno strumento contabile estremamente utile per tenere traccia degli elettroni durante una reazione. Le regole fondamentali per assegnarlo sono poche e vanno applicate in ordine: gli elementi allo stato libero hanno n.o. zero, gli ioni monoatomici hanno n.o. uguale alla carica, l'idrogeno vale +1 (tranne negli idruri metallici dove vale -1), l'ossigeno vale -2 (tranne nei perossidi dove vale -1). La somma algebrica dei numeri di ossidazione di tutti gli atomi in una molecola neutra deve essere zero, mentre in uno ione poliatomico deve coincidere con la carica complessiva dello ione. Questa regola della somma permette di ricavare il n.o. di un atomo incognito quando gli altri sono noti, come accade frequentemente con metalli di transizione che presentano stati di ossidazione multipli. Per esempio, nell'anione permanganato MnO₄⁻ sappiamo che ogni ossigeno vale -2, quindi quattro ossigeni contribuiscono per -8; poiché la carica totale è -1, il manganese deve valere +7. Una reazione è classificata come redox se almeno un elemento cambia il proprio numero di ossidazione passando dai reagenti ai prodotti.
Ossidanti, riducenti e bilanciamento
Quando una specie chimica perde elettroni il suo numero di ossidazione aumenta e diciamo che si ossida, comportandosi da agente riducente perché costringe un'altra specie ad acquistare gli elettroni ceduti. Specularmente, la specie che acquista elettroni vede diminuire il proprio numero di ossidazione e si riduce, agendo da agente ossidante nei confronti della controparte. Ossidazione e riduzione sono quindi due processi inseparabili: non può esistere l'una senza l'altra, perché gli elettroni persi da un atomo devono necessariamente essere acquistati da un altro. Per visualizzare meglio gli scambi si scompone spesso la reazione globale in due semireazioni, una di ossidazione e una di riduzione, ciascuna delle quali mostra esplicitamente gli elettroni coinvolti. Il bilanciamento di una reazione redox richiede che il numero di elettroni ceduti dal riducente sia esattamente uguale a quello acquistato dall'ossidante, condizione che si ottiene moltiplicando opportunamente le due semireazioni. Solo dopo aver pareggiato gli elettroni si procede a bilanciare gli altri atomi e, in ambiente acquoso, si aggiungono acqua, ioni H⁺ o ioni OH⁻ a seconda del pH della soluzione.
Ricorda
- Una reazione è redox quando almeno un elemento cambia numero di ossidazione: chi lo aumenta si ossida (riducente), chi lo diminuisce si riduce (ossidante).
- Il numero di ossidazione si calcola applicando regole fisse e sfruttando la condizione che la somma totale eguagli la carica della specie.
- Nel bilanciamento gli elettroni ceduti devono uguagliare quelli acquistati: si scrivono le due semireazioni e si moltiplicano per i coefficienti opportuni.
Piccolo esercizio sul quaderno: scrivi la reazione tra zinco metallico e acido cloridrico, calcola il n.o. di ogni atomo nei reagenti e nei prodotti, individua chi si ossida e chi si riduce e separa la reazione nelle due semireazioni elettroniche.