Reazioni di ossidazione e pila

In questo appunto di chimica vengono descritte appieno i concetti fondamentali e le caratteristiche principali delle reazioni Redox, ovvero delle reazioni di ossidoriduzione, che sono alla base di moltissimi fenomeni fisici e chimici essenziali nel mondo e nella scienza.

Numero di Ossidazione

Dapprima, è necessario andare a definire il concetto di numero di ossidazione, poiché gioca un ruolo fondamentale nelle reazioni di ossidoriduzione, andando inoltre a definire divere regole utili proprio per andare ad individuare i mezzi attraverso cui il numero di ossidazione di un elemento viene determinato.
Si definisce numero di ossidazione (n.o)la carica elettrica che l’elemento assume in un composto se si pensa di associare gli elettroni di ciascun legame all’atomo considerato più elettronegativo.
Il numero di ossidazione può assumere valori sia positivi che negativi.

Quando gli elettroni di legame vengono assegnati all’elemento più elettronegativo, esso si carica di tante cariche negative quanti sono gli elettroni acquistati.
Il numero di ossidazione di un atomo in una molecola può essere determinato in base alle seguenti semplici regole riportate qui di seguito:

Il numero di ossidazione di una specie elementare è zero

• Il numero di ossidazione di un catione o di un anione corrisponde alla propria carica
• L’idrogeno H ha sempre numero di ossidazione
  [math]+1[/math]
  , tranne che negli idruri (composti binari con i metalli) in cui presenta il numero di ossidazione –1
• L’ossigeno O ha sempre numero di ossidazione
  [math]–2[/math]
  , tranne in
  [math]OF_2[/math]
  (numero di ossidazione
  [math]+2[/math]
  ) nei perossidi (-O-O-, numero di ossidazione
  [math]–1[/math]
  ) e nei superossidi (numero di ossidazione
  [math]–1/2[/math]
  ).
  Il fluoro F ha sempre numero di ossidazione
  [math]–1[/math]
  .
• Il cloro Cl ha sempre numero di ossidazione
  [math]–1[/math]
  , tranne nei legami con F e con O che possiedono numero di ossidazione positivi.
• Il Br ha sempre numero di ossidazione –1 tranne nei legami con F, O e Cl che possiedono numero di ossidazione positivi.
• I metalli hanno sempre numero di ossidazione positivi; i metalli alcalini: numero di ossidazione
  [math]+1[/math]
  .
• I metalli alcalino terrosi, Zn e Cd: numero di ossidazione
  [math]+ 2[/math]
  .
• Il B e l’Al: numero di ossidazione
  [math]+3[/math]
  .
• In una molecola la somma algebrica dei numero di ossidazione di tutti gli atomi deve essere zero.
• In uno ione (positivo o negativo) la somma algebrica dei numero di ossidazione deve essere uguale alla carica dello ione stesso.

Reazioni di Ossidazioni e Pila

consistono in cariche che vengono attribuite ad atomi presenti in molecole, o in ioni. Le reazioni di ossidoriduzioni o redox sono reazioni nelle quali si ha variazione del numero di ossidazione (numero di ossidazione) di ioni o atomi. La specie chimica che si ossida cede elettroni ed aumenta il numero di ossidazione.
La specie chimica che si riduce acquista quegli elettroni, diminuendo il numero di ossidazione. Ovviamente la specie chimica che si ossida funge da riducente mentre, al contrario, quella che si riduce funge da ossidante.
In una reazione ossidoriduttiva il bilancio delle cariche deve essere uguale a zero. Le reazioni redox possono essere proposte in due modi: in forma molecolare ed in forma ionica.
La Pila è un dispositivo in cui avvengono reazioni di ossidoriduzione spontanee e l‘energia chimica liberata viene trasformata in energia elettrica.
Un generatore di corrente che produce energia elettrica continua da una cella elettrochimica (O pila) è la pila Daniell. E’ costituita da una lamina di zinco e una di rame, poste in due diversi recipienti, immerse nella soluzione 1 M del loro solfato (Quindi solfato di zinco nel primo caso e solfato di rame nel secondo). I metalli nelle due semi-pile (per semi-pila si intendono i due recipienti, che possono essere semplici beker in cui sono immerse le lamine) rappresentano gli numero di ossidazione. Quello che si ossida costituisce l’anodo (-): in questo caso lo zinco, che si consuma, mentre quello che si riduce costituisce il catodo (+), in questo caso il rame, si ricopre di altro rame proveniente dalla soluzione. Ciò significa che si ha un flusso di elettroni che va dall’anodo al catodo e una corrente convenzionale che va dal catodo all’anodo.
Un elettrodo è un conduttore usato per stabilire un contatto elettrico con una parte non metallica di circuito, per esempio un semiconduttore, un elettrolita o il vuoto. L'anodo è definito come l'elettrodo su cui avviene l'ossidazione, mentre il catodo è l'elettrodo su cui avviene la riduzione. Un elettrodo può diventare anodo oppure catodo in dipendenza dal tipo di reazione chimica che vi ha luogo. La forza elettromotrice, comunemente abbreviata in forza elettro-motrice, è la causa della differenza di potenziale fra due punti di un circuito aperto o del flusso di corrente elettrica all'interno di un circuito elettrico.
Che cosa esprime il potenziale standard di riduzione: Misura (in Volt) la tendenza dell’ossidante (la specie che si riduce) di catturare elettroni, quando tutte le specie coinvolte nella semi reazione sono in concentrazione 1M, tutti i gas sono alla pressione di 101325 Pa (1 atm) e la temperatura è 298 K.
Le reazioni redox sono spontanee: Come in tutte le trasformazioni a P e T costanti, E° catodo deve essere maggiore E° anodo, ovvero che il reagente ossidante deve essere più forte dell’ossidante prodotto. La FEM (Forza elettro-motrice)la differenza di potenziale (ddp tra due elettrodi di una pila) che si sviluppa a circuito aperto ed è maggiore della ddp in condizioni di passaggio di corrente (circuito chiuso) L'elettrolisi (pronuncia elettrolìsi o elettròlisi) è un processo che trasforma energia elettrica in energia chimica. È il processo inverso a quello della pila. Con la pila infatti si sfrutta una reazione chimica per produrre energia elettrica, con l'elettrolisi invece si usa l'energia elettrica per far decorrere una reazione chimica che non avverrebbe spontaneamente.

Esempio di Reazione Redox Pila

Si ricorda dunque che le reazioni che avvengono con trasferimento di elettroni sono proprio le reazioni di ossido-riduzione o redox. Qui di seguito viene riportato l'esempio classico relativo anche alla reazione redox che si verifica nelle pile.

Questa reazione può essere meglio scritta nel modo seguente:

Si può osservare che alcune specie cambiano la propria struttura elettronica:

• l’atomo di Zn da neutro si trasforma in ione
  [math]Zn^{2+}[/math]
  ;
• lo ione
  [math]Cu^{2+}[/math]
  si trasforma in atomo neutro Cu.

Tali trasformazioni comportano necessariamente uno scambio di elettroni:

Per ulteriori approfondimenti sull'elettronegatività di un elemento, vedi qui

Per ulteriori approfondimenti sulla pila e FEM, vedi qui

Per ulteriori approfondimenti sulle reazioni redox vedi qui