L’hai visto accadere. Un metallo si illumina, diventa nero e cambia stato. Non è solo calore. È chimica in azione. Nello specifico, si tratta di una reazione redox, in cui una sostanza perde elettroni e un’altra li cattura. Nessuna magia coinvolta. Solo uno scambio molto specifico di particelle cariche.
Se vuoi capire perché si forma la ruggine, come le batterie alimentano il tuo telefono o perché le salviette antisettiche uccidono i germi, devi considerare il trasferimento di elettroni. In ogni processo redox, almeno una sostanza si ossida mentre un’altra si riduce. La specie ossidata cede elettroni. Le specie ridotte li accolgono. Questo spostamento cambia lo stato di ossidazione degli atomi coinvolti.
Come individuare il ladro di elettroni e il donatore
Non tutte le reazioni chimiche sono un evento redox. Ma quando gli elettroni si muovono, si possono identificare due ruoli distinti.
- L’agente ossidante : Questo è il ladro di elettroni. Accetta elettroni, provocando la caduta del proprio stato di ossidazione. Questi sono solitamente elementi o composti altamente elettronegativi. Pensa all’ossigeno (O), allo iodio (I), al bromo (Br) o ad elementi pesanti come il permanganato di potassio (KMnO4), il clorato di potassio (KClO3) e il dicromato di potassio (K2Cr2O7).
- L’agente riducente : Questo è il donatore. Cede elettroni, il che forza il suo stato di ossidazione. Questi tendono ad essere specie meno elettronegative come il ferro (II) (Fe2+), il ferro (III) (Fe3+), il sodio (Na) o il magnesio (Mg).
Perché è importante? Perché l’identità di questi agenti prevede come procederà la reazione. Non puoi averne uno senza l’altro. Uno sale, uno scende.
Spezzare la reazione a metà
I chimici non guardano solo al quadro generale. Dividono le reazioni redox in due parti separate chiamate semireazioni: la parte di ossidazione e la parte di riduzione. Ciò rende molto più semplice bilanciare le equazioni e prevedere i risultati.
Prendiamo come esempio concreto la formazione dell’ossido di rame(II), noto anche come ossido rameico. Quando il rame reagisce con l’ossigeno, gli atomi di rame perdono elettroni. Gli atomi di ossigeno li guadagnano. Il risultato è un composto stabile, ma il viaggio verso di esso riguarda esclusivamente il movimento degli elettroni.
“La sostanza che si ossida fornisce gli elettroni, mentre quella che si riduce li accetta.”
Questa semplice regola è valida sia che tu stia analizzando una minuscola cella di batteria o un’enorme fonderia industriale. Agli atomi non interessa la scala. A loro interessa solo il saldo delle spese. E quell’equilibrio determina tutto, dalla stabilità materiale al rilascio di energia.
Perché il rame diventa verde e la ruggine effettivamente mangia il ferro
La reazione dell’ossido di rame non è solo un diagramma da manuale. È un segno visibile che gli elettroni si stanno muovendo. Quando il rame incontra l’ossigeno, cede due elettroni. Il rame diventa Cu2+. L’ossigeno cattura quegli elettroni per diventare O2-.
Questo scambio definisce l’intero processo. Il rame è l’agente riducente perché il suo stato di ossidazione è aumentato. L’ossigeno è l’agente ossidante perché il suo stato è caduto. Gli atomi fanno questo per raggiungere uno stato stabile, simile ai gas nobili. Guadagnano o perdono elettroni in base alla loro elettronegatività.
Lo vedi ovunque. Il ferro arrugginisce. Il cibo si deteriora nel tuo metabolismo. I combustibili bruciano nei motori. Le batterie funzionano tramite celle elettrochimiche. In quelle cellule, l’ossidazione avviene all’anodo. La riduzione avviene al catodo.
Come si comportano effettivamente le diverse reazioni redox
Le reazioni redox variano in base alla velocità e alle sostanze chimiche specifiche coinvolte. Si distinguono quattro tipologie.
Ossidazioni dei metalli
Questi sono lenti. Spesso molto lento. Metalli come ferro, rame, alluminio o zinco reagiscono con l’acqua e l’ossigeno nel tempo. Il metallo perde elettroni. L’ossigeno li accetta.
– Il rame forma CuO.
– Il ferro forma Fe2O3.
Ecco perché le vecchie tubature appaiono sporche o le statue diventano verdi.
Combustioni
Questi sono veloci. Pericoloso, addirittura. La combustione rilascia enormi quantità di energia sotto forma di calore e luce. La combustione del carburante nell’ossigeno è l’esempio classico. La velocità lo rende utile per i motori e spaventoso in caso di incendio in cucina.
Reazioni di doppio spostamento
Qui, un atomo si scambia di posto con un altro all’interno di una molecola. Il primo atomo si ossida per unirsi alla molecola. L’atomo originale si riduce e se ne va.
Prendiamo lo zinco che reagisce con il solfato di rame (CuSO4). Partner di scambio di zinco e rame. Lo zinco prende lo ione solfato.
Reazioni di sproporzione
Chiamato anche anolisi o dismutazione. Un elemento si ossida e si riduce allo stesso tempo. Ciò accade quando un elemento può esistere in tre o più stati di ossidazione.
– Azoto
– Zolfo
– Fosforo
– Manganese
Questi elementi sono chimicamente camaleonti.
Esempi concreti di trasferimento di elettroni
Diamo un’occhiata alla meccanica.
Solfato di zinco e rame
Immergi lo zinco in una soluzione di solfato di rame. Lo zinco cede due elettroni. Si ossida. Agisce come agente riducente.
Il rame accetta questi due elettroni. Si riduce. Agisce come agente ossidante.
Lo zinco sostituisce il rame per legarsi al gruppo solfato (SO42-). Il solfato è un sale derivato dall’acido solforico. Il rame aveva bisogno di quei due elettroni per lasciare la soluzione. Ecco perché avviene la reazione.
Sodio e cloro
Il sodio (Na) e il cloro gassoso (Cl2) reagiscono per produrre cloruro di sodio (NaCl).
Il sodio perde un elettrone. Il suo stato di ossidazione diventa +1.
Il cloro guadagna quell’elettrone. Il suo stato diventa -1.
Si legano. Ottieni sale da cucina. Ingredienti semplici e mortali. Risultato stabile.
Ossidazione del ferro(III)
Il ferro può ossidarsi a +2 o +3. Il ferro (III) è lo stato superiore.
Il ferro rilascia tre elettroni. Diventa Fe3+.
L’ossigeno prende due elettroni. Diventa O2-.
I conti sono complicati. Tre elettroni dal ferro, due necessari all’ossigeno. Sono necessari due atomi di ferro e tre atomi di ossigeno per bilanciare il trasferimento. Questo forma ossido di ferro (III). La ruggine sulla portiera della tua auto è la soluzione esatta di questo squilibrio.
