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sabato 31 luglio 2010
 
 
Reazioni di ossidoriduzione e potenziale Redox
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Reazioni di ossidoriduzione e potenziale Redox
Pagina 2
Di Walter Peris

Premessa
Il paragrafo che ci accingiamo a trattare riguarda una parte piuttosto ostica della chimica, anche per gli stessi chimici. Nel primo articolo abbiamo descritto il significato di pH trattando le reazioni acido-base, reazioni che hanno in comune il processo di trasferimento di protoni (gli ioni H+). Le reazioni di ossidoriduzione hanno un'analogia con queste: anch'esse trattano di un trasferimento, ma di una specie fisica: l'elettrone (e-). Ad esempio la reazione di formazione della ruggine

4 Fe + 3O2 = 2Fe2O3 (1)

è una tipica reazione di ossidoriduzione in cui gli elettroni vengono trasferiti dal ferro (Fe - l'elemento che si ossida) all'ossigeno (O2 - l'elemento che si riduce). Già da questa semplice reazione si può evidenziare quello che è uno degli elementi più importanti di questa trattazione: le singole reazioni di ossidazione (cessione di elettroni) e di riduzione (acquisto di elettroni) avvengono sempre contemporaneamente. Questo significa che se abbiamo una specie chimica che si ossidi, dovremo avere necessariamente almeno un'altra specie chimica che si riduca. Una volta capito questo punto, gran parte del lavoro è fatta. Infatti la reazione (1) può essere vista come la somma di due semireazioni:

Fe = Fe3+ + 3e- (ossidazione)
O2 + 4e- = 2O2- (riduzione)

che opportunamente bilanciate e sommate tra loro daranno l'equazione finale come scritta in (1).
Una grossa complicazione deriva dal tipo di nomenclatura che normalmente viene utilizzata: la specie che si ossida (Fe) viene detta riducente (perché riduce un'altra specie chimica) mentre la specie che si riduce (O2) viene detta ossidante (perché a sua volta ossida un'altra specie chimica). Da questa reazione abbiamo poi una specie ossidata (Fe3+) ed una specie ridotta (O2-).

L'ossidoriduzione più importante nell'acquario: ammoniaca/nitrato
Una reazione molto importante di ossidoriduzione in acquariofilia è la trasformazione dello ione ammonio, derivante dal metabolismo dei pesci, in nitriti e nitrati (ed eventualmente in azoto). Vediamo più in dettaglio di cosa si tratta.
Il principale prodotto di rifiuto del metabolismo dei pesci è l'ammoniaca; abbiamo già visto che in funzione del pH dell'acqua questa specie tossica può trovarsi in soluzione come ammoniaca libera o come ione ammonio. In ogni caso questo prodotto viene sottoposto ad una reazione di ossidoriduzione (detta anche reazione redox) da parte dei batteri Nitrosomonas, presenti nell'acqua e nel filtro, e le cui semireazioni sono le seguenti

NH4+ + 8OH- = NO2- + 6e- + 6H2O
O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-

Dato che gli elettroni scambiati devono essere in numero uguale in entrambe le semireazioni, il metodo migliore per trovare questo numero è utilizzare il metodo del minimo comune multiplo tra 6 e 4 (pari a 12), e moltiplicando la prima semireazione per 2 e la seconda per 3. Quindi otterremo:

2NH4+ + 16OH- = 2NO2- + 12e- + 12H2O
3O2 + 6H2O + 12e- = 12OH-

e sommando membro a membro avremo

2NH4+ + 4OH- + 3O2 = 2NO2- + 6H2O

che rappresenta l'equazione finale di ossidazione dello ione ammonio a ione nitrito; con questa reazione si consumano ioni OH-, e quindi si incrementa l'acidità dell'acqua dell'acquario, e si consuma ossigeno.
Il passaggio seguente è la trasformazione dello ione nitrito in ione nitrato, ad opera dei batteri Nitrobacter; le due semireazioni di questa ossidoriduzione sono

NO2- + 2OH- = NO3- + 2e- + H2O
O2 + 4e- + 2H2O = 4OH

In questo caso basta moltiplicare la prima semireazione per due e sommare membro a membro per ottenere:

2NO2- + O2 = 2NO3

Da queste equazioni si può subito evincere che per metabolizzare uno ione ammonio prodotto si consumano ben due molecole di ossigeno e due ioni OH-. La reazione globale sarà quindi

2NH4+ + 4OH- + 4O2 = 2NO3- + 6H2O

che divisa per due risulterà essere

NH4+ + 2OH- + 2O2 = NO3- + 3H2O

Questa è una prova che il processo di trasformazione dei prodotti di scarto è un processo "costoso" dal punto di vista dell'economia dell'acquario in quanto l'ossigeno utilizzato nelle reazioni sopra riportate proviene dalla fotosintesi delle piante; quindi meno piante abbiamo nell'acquario, meno ossigeno avremo a disposizione per i processi di ossidoriduzione e per la respirazione dei pesci.



 
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