Reazioni in cui più specie si ossidano o si riducono

Vi sono reazioni in cui  più specie si ossidano o in cui più specie si riducono e ciò comporta difficoltà nel bilanciamento.

Bilanciare una reazione significa trovare, per le sostanze che vi partecipano i coefficienti stechiometrici tali da garantire non solo la conservazione della massa, ma anche la conservazione della carica. In altre parole, la somma algebrica delle cariche delle sostanze reagenti deve essere uguale a quella delle sostanze prodotte.

Ciò equivale a dire che il numero di elettroni acquistati dalla sostanza che si riduce deve essere uguale al numero di elettroni ceduti dalla sostanza che si ossida.

Le reazioni redox possono essere bilanciate con il metodo del numero di ossidazione o con il metodo delle semireazioni.

I testi non danno alcuna indicazione sul metodo per bilanciare queste reazioni in cui più specie si ossidano o  si riducono in quanto sostanzialmente esse si bilanciano con i metodi citati. Se non si ha sufficiente pratica ci si può trovare in difficoltà. Sono proposte una serie di tali reazioni e la metodologia per bilanciarle.

Esercizi svolti

1)      FeS + NO₃^– → Fe³⁺ + SO₄^2- + NO

Innanzi tutto bisogna individuare le specie che si ossidano o si riducono scrivendo le rispettive semireazioni. Poiché lo ione solfuro ha numero di ossidazione -2 il ferro in FeS ha numero di ossidazione +2.

Le tre semireazioni sono:

Fe²⁺ → Fe³⁺

S^2- → SO₄^2-

NO₃^– → NO

Le tre semireazioni vengono bilanciate con il metodo delle semireazioni:

Fe²⁺ → Fe³⁺  + 1 e^–

S^2- + 4 H₂O → SO₄^2- + 8 H⁺ + 8 e^–

NO₃^– + 4 H⁺  + 3 e^– → NO + 2 H₂O

 Come si può notare le prime due semireazioni sono entrambe di ossidazione: nella prima si ha la perdita di un elettrone, nella seconda si ha la perdita di 8 elettroni. Complessivamente gli elettroni persi sono quindi pari a nove, pertanto nella terza semireazione ( di riduzione) andranno acquistati nove elettroni. Si ricordi che per bilanciare una redox il numero di elettroni persi deve essere uguale al numero di elettroni acquistati. Bisogna quindi moltiplicare per tre la terza semireazione:

3 NO₃^– + 12 H⁺  + 9 e^– → 3 NO + 6 H₂O

Sommiamo membro a membro le tre semireazioni e semplifichiamo:

Fe²⁺  +3 NO₃^– + 12 H⁺  + 9 e^–  + S^2- + 4 H₂O  → 3 NO + 6 H₂O + Fe³⁺  + 1 e^– + SO₄^2- + 8 H⁺ + 8 e^–

Fe²⁺  +3 NO₃^– + S^2- + 4 H⁺ → Fe³⁺  + 3 NO + SO₄^2- + 2 H₂O

2)      CrI₃ + Cl₂→ CrO₄^2- + IO₄^– + Cl^– ( soluzione basica)

 Poiché lo ione ioduro ha numero di ossidazione -1 il cromo in CrI₃ ha numero di ossidazione +3

Le tre semireazioni sono:

Cr³⁺ → CrO₄^2-

I^– → IO₄^–

Cl₂ → Cl^–

Le tre semireazioni vengono bilanciate con il metodo delle semireazioni:

Cr³⁺ + 4 H₂O → CrO₄^2- + 8 H⁺ + 3e^–

I^– + 4 H₂O → IO₄^– + 8 H⁺ + 8 e^–

Cl₂ + 2e^– →  2 Cl^–

Come si può notare le prime due semireazioni sono entrambe di ossidazione: nella prima si ha la perdita di tre elettroni, nella seconda si ha la perdita di 8 elettroni per complessivi 11 elettroni. Nell a terza semireazione di riduzione di riduzione vengono acquistati 2 elettroni. Per fare in modo che gli elettroni persi siano uguali a quelli acquistati moltiplichiamo le prime due semireazioni per 2 e la terza semireazione per 11.

 2 Cr³⁺ + 8 H₂O → 2 CrO₄^2- + 16 H⁺ + 6 e^–

2 I^– + 8 H₂O →2 IO₄^– + 16 H⁺ + 16 e^–

11 Cl₂ + 22e^– →  22 Cl^–

Sommiamo membro a membro le tre semireazioni e semplifichiamo:

2 Cr³⁺ + 8 H₂O + 2 I^– + 8 H₂O+ 11 Cl₂ + 22e^– → 2 CrO₄^2- + 16 H⁺ + 6 e^–  + 2 IO₄^– + 16 H⁺ + 16 e^– + 22 Cl^–

 2 Cr³⁺ + 2 I^– + 16  H₂O+ 11 Cl₂ → 2 CrO₄^2- + 32 H⁺ + 2 IO₄^– + 22 Cl^–

Poiché la reazione avviene in soluzione basica aggiungiamo, a destra e a sinistra 32 OH^– e, tenendo conto che 32 H⁺ + 32 OH^– = 32 H₂O si ha

2 Cr³⁺ + 2 I^– + 11 Cl₂  + 32 OH^– → 2 CrO₄^2- +  16 H₂O + 2 IO₄^– + 22 Cl^–

3)      Sb₂S₃ + Na₂CO₃ + C → Sb + Na₂S+ CO

Eliminiamo gli ioni spettatori e riscriviamo la reazione in forma ionica ( si noti che lo ione solfuro S^2- non si ossida né si riduce :

Sb³⁺ + CO₃^2- + C → Sb + CO

Si noti inoltre che il solfuro di antimonio presenta due atomi di antimonio pertanto nelle semireazioni si deve imporre che vi siano due ioni antimonio.

Le tre semireazioni sono:

2 Sb³⁺ = Sb

CO₃^2- → CO

C → CO

Le tre semireazioni vengono bilanciate con il metodo delle semireazioni:

2 Sb³⁺ + 6 e^–  → 2 Sb

CO₃^2- + 4 H⁺  + 2e^– → CO + 2 H₂O

C+ H₂O → CO + 2 H⁺ + 2 e^–

Questa reazione presenta una difficoltà in più rispetto alle precedenti in quanto si devono semplificare oltre agli elettroni anche gli ioni H⁺ e l’acqua. Moltiplichiamo la seconda semireazione per 3 e la terza per 6 e si ottiene:

3 CO₃^2- + 12 H⁺  + 6e^– → 3 CO + 6 H₂O

6 C+ 6 H₂O →  6 CO + 12 H⁺ + 12 e^–

Sommiamo tali semireazioni e semplifichiamo:

3 CO₃^2- + 6 C → 9 CO + 6 e^–

Sommiamo quest’ultima alla prima e si ottiene, dopo aver semplificato gli elettroni,

2 Sb³⁺ + 3 CO₃^2- + 6 C  → 2 Sb + 9 CO

Aggiungiamo gli ioni spettatori:

Sb₂S₃ +3 Na₂CO₃ + 6 C → 2 Sb + 3 Na₂S+9 CO

4)      Bi(NO₃)₃ + Al + NaOH → Bi + NH₃ + NaAlO₂

Eliminiamo gli ioni spettatori, nel nostro caso solo lo ione sodio e riscriviamo la reazione in forma ionica:

Bi³⁺ → Bi

NO₃^– → NH₃

Al → AlO₂^–

Le tre semireazioni vengono bilanciate con il metodo delle semireazioni:

Bi³⁺ + 3e^–  →  Bi

8e^– + 9H⁺ + NO₃^– → NH₃ + 3H₂O
2H₂O + Al → AlO₂^–  + 4H⁺ + 3e^–

Poiché il rapporto tra Bi³⁺ e NO₃^– deve essere di 1:3 moltiplichiamo la seconda semireazione per 3 e riscriviamo le altre due:

Bi³⁺ + 3e^–  →  Bi

24 e^– + 27 H⁺ + 3 NO₃^– →3 NH₃ + 9H₂O

2H₂O + Al → AlO₂^–  + 4H⁺ + 3e^–

Le prime due semireazioni sono di riduzione e coinvolgono un totale di 3 + 24 = 27 elettroni; la terza semireazione di ossidazione prevede la perdita di 3 elettroni quindi va moltiplicata per 9:

Bi³⁺ + 3e^–  →  Bi

24 e^– + 27 H⁺ + 3 NO₃^– →3 NH₃ + 9H₂O

18 H₂O + 9 Al →9 AlO₂^–  + 36H⁺ + 27e^–

Sommiamo membro a membro e semplifichiamo:

Bi³⁺ + 3 NO₃^– + 9 Al  + 9 H₂O → Bi + 3 NH₃ + 9 AlO₂^–  + 9 H⁺

Anche se non viene detto esplicitamente con la dizione ambiente basico la presenza di NaOH tra i reagenti ci impone di trattare la reazione come tale pertanto si aggiungono 9 OH^– a destra e a sinistra e, tenendo conto che 9 H⁺ + 9 OH^– = 9 H₂O facendo le debite semplificazioni si ha:

Bi³⁺ + 3 NO₃^– + 9 Al  + 9 OH^–  → Bi + 3 NH₃ + 9 AlO₂^–

Reintroduciamo gli ioni spettatori:

Bi(NO₃)₃ + 9 Al + 9 NaOH → Bi +3  NH₃ +9 NaAlO₂