Esercizi: Numeri di ossidazione e metodo ione-elettrone

Il concetto di numero di ossidazione presenta situazioni particolari in alcuni composti binari come i perossidi e gli idruri metallici. A partire dalle regole generali di assegnazione:

1. a) Determina il numero di ossidazione dell'ossigeno nel perossido di bario, $\mathrm{BaO_2}$, e nel difluoruro di ossigeno, $\mathrm{OF_2}$.
2. b) Determina il numero di ossidazione dell'idrogeno nell'idruro di calcio, $\mathrm{CaH_2}$, e nell'acqua, $\mathrm{H_2O}$. Giustifica brevemente ciascun valore in funzione delle elettronegatività relative degli elementi combinati.

Introducendo una lamina di zinco metallico in una soluzione acquosa di acido cloridrico, si produce un vivace gorgogliamento di idrogeno gassoso secondo il seguente processo:

$$\mathrm{Zn(s) + 2\,HCl(aq) \rightarrow ZnCl_2(aq) + H_2(g)}$$

1. a) Calcola il numero di ossidazione di tutti gli atomi nei reagenti e nei prodotti.
2. b) Identifica la specie che si ossida, quella che si riduce, l'agente ossidante e l'agente riducente, motivando la risposta in termini di trasferimento di elettroni.

In ambiente acquoso acido, lo ione nitrato può trasformarsi in monossido di azoto, mentre lo ione stagno(II) può passare a stagno(IV).

1. a) Scrivi e bilancia la semireazione di riduzione dello ione nitrato, $\mathrm{NO_3^-(aq)}$, a monossido di azoto, $\mathrm{NO(g)}$, in ambiente acido, indicando il numero di elettroni trasferiti.
2. b) Scrivi la semireazione di ossidazione del catione $\mathrm{Sn^{2+}(aq)}$ a $\mathrm{Sn^{4+}(aq)}$ e verifica per entrambe le semireazioni il bilancio simultaneo di massa e di carica elettrica.

Lo schema seguente illustra il flusso di elettroni che si verifica spontaneamente quando due semicelle redox interagiscono attraverso un circuito conduttore. Osserva la disposizione delle specie chimiche e la direzione del flusso elettronico:

1. a) Scrivi le semireazioni bilanciate di ossidazione e di riduzione, deducendo il valore numerico che deve sostituire il punto interrogativo nella quantità di elettroni trasferiti, e formula l'equazione ionica netta complessiva.
2. b) Assegna in modo motivato il ruolo di agente ossidante e agente riducente a partire dalle variazioni dei numeri di ossidazione.

Il cloro gassoso, $\mathrm{Cl_2(g)}$, fatto gorgogliare in una soluzione acquosa diluita e fredda di idrossido di sodio, subisce un processo di dismutazione o disproporzione che porta alla formazione di anioni cloruro, $\mathrm{Cl^-}$, e anioni ipoclorito, $\mathrm{ClO^-}$.

1. a) Scrivi e bilancia con il metodo ione-elettrone in ambiente basico le semireazioni di ossidazione e riduzione indipendenti, indicando i reagenti e i prodotti ausiliari ($\mathrm{H_2O}$ e $\mathrm{OH^-}$) e gli elettroni scambiati.
2. b) Deduci l'equazione ionica netta complessiva bilanciata e giustifica quantitativamente il concetto di dismutazione a partire dagli stati di ossidazione del cloro.

In soluzione basica, l'anione permanganato, $\mathrm{MnO_4^-}$, è in grado di ossidare l'anione solfito, $\mathrm{SO_3^{2-}}$, producendo biossido di manganese solido, $\mathrm{MnO_2(s)}$, e anione solfato, $\mathrm{SO_4^{2-}}$.

1. a) Scrivi e bilancia con il metodo ione-elettrone in ambiente basico le semireazioni di ossidazione e riduzione, dettagliando il bilancio degli atomi mediante $\mathrm{H_2O}$ e $\mathrm{OH^-}$, nonché quello delle cariche con gli elettroni.
2. b) Ottieni l'equazione ionica netta complessiva e verifica esplicitamente che la carica totale dei reagenti coincide con quella dei prodotti.

In soluzione acida di acido solforico, $\mathrm{H_2SO_4}$, il permanganato di potassio, $\mathrm{KMnO_4}$, ossida quantitativamente l'acido ossalico (etandioico), $\mathrm{H_2C_2O_4}$, producendo anidride carbonica gassosa, $\mathrm{CO_2(g)}$, e solfato di manganese(II), $\mathrm{MnSO_4(aq)}$.

1. a) Scrivi e bilancia con il metodo ione-elettrone le semireazioni corrispondenti e ottieni l'equazione ionica e molecolare completa bilanciata.
2. b) Si prelevano $25{,}0\,\text{mL}$ di una soluzione acquosa di acido ossalico acidificata con $\mathrm{H_2SO_4}$. Per raggiungere il punto finale rosa tenue persistente del permanganato stesso nella titolazione redox, si consumano con precisione $18{,}4\,\text{mL}$ di una soluzione standard di $\mathrm{KMnO_4}$ di concentrazione $0{,}0250\,\text{M}$. Calcola la concentrazione molare dell'acido ossalico analizzato.

In soluzione fortemente alcalina con idrossido di sodio, $\mathrm{NaOH}$, l'idrossido di cromo(III) solido, $\mathrm{Cr(OH)_3}$, viene ossidato dallo ione ipoclorito, $\mathrm{ClO^-}$, trasformandosi in anioni cromato solubili, $\mathrm{CrO_4^{2-}}$, mentre il cloro si riduce a ione cloruro, $\mathrm{Cl^-}$.

1. a) Bilancia con il metodo ione-elettrone in ambiente basico l'equazione ionica netta complessiva e formula la reazione molecolare completa considerando sali di sodio.
2. b) Si parte da $5{,}15\,\text{g}$ di $\mathrm{Cr(OH)_3}$ e da un eccesso di soluzione di $\mathrm{NaClO}$ in presenza di $\mathrm{NaOH}$. Calcola la massa in grammi di cromato di sodio, $\mathrm{Na_2CrO_4}$, ottenuta se la resa complessiva del processo è del $82{,}0\,\%$.

Dati di masse atomiche: $\mathrm{H}=1{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{O}=16{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{Na}=23{,}0\,\text{u}$; $\mathrm{Cl}=35{,}5\,\text{u}$; $\mathrm{Cr}=52{,}0\,\text{u}$.

In soluzione acida di acido solforico, il dicromato di potassio, $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$, reagisce con il perossido di idrogeno, $\mathrm{H_2O_2}$. In questa reazione, il cromo si riduce a catione cromo(III), $\mathrm{Cr^{3+}}$, mentre il perossido agisce da riducente sviluppando ossigeno gassoso, $\mathrm{O_2(g)}$.

1. a) Bilancia con il metodo ione-elettrone in ambiente acido le semireazioni e ottieni l'equazione ionica complessiva bilanciata.
2. b) Si mescolano $40{,}0\,\text{mL}$ di una soluzione acquosa di $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$ $0{,}125\,\text{M}$ con un eccesso di soluzione acidificata di $\mathrm{H_2O_2}$. Calcola il volume di $\mathrm{O_2(g)}$, espresso in litri, che si raccoglierà a una temperatura di $295\,\text{K}$ e a una pressione di $1{,}02\cdot 10^5\,\text{Pa}$.

Dato: $R = 8{,}314\,\text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1} = 8{,}314\cdot 10^{-2}\,\text{bar}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$; considera $1\,\text{Pa} = 10^{-5}\,\text{bar}$. Considera gas secco ideale e assenza di decomposizione secondaria del perossido.