bilanciamento reazione

Vorrei chiedere per favore quale criterio seguire per bilanciare dal
punto
di vista dei rapporti stechimetrici reazioni del tipo

KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

Il risultato è

2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 = 5Fe2(SO4)3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O

Ho iniziato provando con il bilanciare un elemento alla volta ma credo
che
non sia il metoto corretto, anche perchè non ci riesco proprio.

Grazie per le eventuali risposte Rosario Bettinelli

On 30 Nov, 21:18, benterr16 <[Only registered users see links. ]> wrote:

Puoi impostare il problema da un punto di vista puramente algebrico
associando alla reazione un sistema di equazioni lineari. È un metodo
generale che va bene per ogni reazione.

Oppure puoi riconoscere la reazione come una redox. In tal caso
troverai almeno due metodi specifici per bilanciare questo tipo di
reazioni. Basta che cerchi:
*"numero di ossidazione"
*bilanciamento redox

Ciao

On 30 Nov, 23:58, Francesco <[Only registered users see links. ]> wrote:

Purtroppo sono ancora in alto mare.

Gli elementi che cambiano N.O sono il Mn che da 7+ passa a 2+ e il Fe
che da 2+ passa a 3+.
Gli elementi che non cambiano N.O. non li aggiugno nelle
semireazioni ???

Potresti, per cortesia farmi un breve cenno su come associare un
sistema di eq lineari alla suddetta reazione.

Grazie per la pazienza. rosario

Ciao,
premesso che sono un fisico (quasi) e che e' molto che non metto mano ad
una redox e quindi probabilmente non sara' un metodo elegante o corretto
fino in fondo, ti faccio vedere come l'ho bilanciata.
Per quanto riguarda il bilanciamento di una redox puoi procedere
considerando le semireazioni che coinvolgono gli elementi che cambiano
il numero d'ossidazione, quindi, nel tuo caso

Mn (+7) + 5e- --> Mn (+2)
servono infatti 5 elettroni per far si' che il n.o. passi da +7 a +2

Fe(+2) ----> Fe2(+3) + 1e-
Il ferro a primo membro perde infatti un elettrone - per questo lo metto
con segno positivo a secondo membro - per passare da n.o. +2 a +3.
A questo punto bilanci algebricamente la semireazione del ferro e ottieni

2Fe(+2) ---> Fe2(+3) + 1e-

Ora scrivi le due semireazioni una sotto l'altra e consideri gli
elettroni in gioco, devi fare in modo che gli elettroni a primo membro
si elidano con quelli a secondo membro; in questo caso poiche' hai
5elettroni nella prima semireazione e solo una nella seconda,
moltiplichi quest'ultima per 5:

Mn (+7) + 5e- --> Mn (+2) +
5[2Fe(+2)] ----> 5[Fe2(+3) + 1e- ] =
---------------------------------
Mn(+7) + 5e- + 10Fe(+2) ---> Mn(+2) + 5Fe2(+3) + 5e-

dalla quale si elidono i 5elettroni.
Ora riscrivi in forma molecolare l'intera reazione tenendo conto di
questi coefficienti trovati:

KMnO4 + 10Fe2SO4 + H2SO4 ---> 5Fe2(SO4)3 + MnSO4 + K2SO4 + H2O

A questo punto bilanci algebricamente la reazione considerando i singoli
elementi, e con poco arrivi al risultato.

Come detto in apertura di messaggio, non maneggio una redox da una vita
e non ho sottomano quello che per me fu il testo sacro nella
preparazione dell'esame (Lausarot-vaglio, fondamenti di stechiometria) a
causa dei lavori a casa (sara' in qualche scatolone) quindi prendi con
le molle questo procedimento che, per quanto consenta un bilanciamento
esatto della reazione, potrebbe essere errato.
A questo punto, rivolgo io un appello ai frequentatori chimici del ng:
mi aiutate a rinfrescarmi la memoria?
Buona serata
Lois

On 1 Dic, 08:32, benterr16 <[Only registered users see links. ]> wrote:

Dipende dal metodo che usi. Se usi il metodo della variazione del
numero di ossidazione, nelle semireazioni ci vanno solo le specie
atomiche in cui varia il N.O. Se invece usi il metodo ionico-
elettronico ci vanno le specie molecolari in cui è contenuto l'atomo
in cui cambia il N.O. e poi H+/H2O/OH- per bilanciare.

Con il metodo ionico-elettronico nel tuo caso si avrebbe:

Semireazione di riduzione

MnO4- + 5e- -> Mn(2+)
MnO4- + 5e- -> Mn(2+) + 4H2O (bilanciamento atomi di ossigeno)
MnO4- + 8H+ + 5e- -> Mn(2+) + 2H2O (bilanciamento atomi di idrogeno)

Semireazione di ossidazione

2Fe(2+) -> Fe2(3+) + 2e-

Si sommano le due semireazioni e si moltiplica la seconda per cinque e
la prima per due in modo da eguagliare il numero di e- scambiati

2MnO4- + 10Fe(2+) + 16H+ -> 2Mn(2+) + 5Fe2(3+) + 8H2O

Si può riportare l'equazione in forma neutra reintroducendo K+ per
bilanciare le specie negative e SO4(2-) per bilanciare le specie
positive:

2KMnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 -> 2MnSO4 + 5Fe2(SO4)3 + H2O + K2SO4

è stato necessario aggiungere K2SO4 ai prodotti per bilanciare
potassio e solfati.


Questo metodo si basa solo sulla conservazione del numero di atomi di
un dato elemento passando dai reagenti ai prodotti. Le incognite sono
i coefficienti stechiometrici, nel tuo esercizio

aKMnO4 + bFeSO4 + cH2SO4 = dFe2(SO4)3 + eMnSO4 + fK2SO4 + gH2O

Puoi costruire una equazione per ogni elemento:

K: a = 2f
Mn: a = e
O: 4a + 4b + 4c = 12d + 4e + 4f + g
Fe: b = 2d
S: b + c = 3d + e + f
H: 2c = 2g

Hai sette incognite e sei equazioni, un'incognita puoi eliminarla
ponendo a piacere un coefficiente stechiometrico uguale a 1 (questo
perché ogni multiplo di tutti i coefficienti steochiometrici è una
possibile soluzione valida del problema), il resto dei coefficienti
stechiometrici li trovi risolvendo il sistema di equazioni lineari. Ci
sono diversi metodi per farlo.

Francesco ha scritto:
Potevi solo precisare che si tratta di sei equazioni lineari omogenee.

Questo e' il metodo che mi verrebbe naturale adoperare, dato che non
sono chimico.
Ma ho sempre avuto un dubbio: funzione sempre? perche' funzioni
occorre appunto che le equazioni siano giusto una meno delle
incognite, ossia degli elementi presenti.
Questo chi me lo garantisce?


--
Elio Fabri

Elio Fabri ha scritto:

A H2SO4 + B H2S --> C S + D SO2 + E H2O

A,B,C,D,E sono incognite

le equazioni sarebbero

| 2A + 2B = 2E
| 4A = 2D + E
| A + B = C + D

ma non mi ricordo più come, impostata la matrice, si capisce se
un sistema è sovradeterminato, sottodeterminato, o determinato
.... Questo com'è ? Mi verrebbe da dire che è sottodeterminato
(perché ha 5 incognite e 3 equazioni), ma non ricordo se basta
il criterio che ho detto per definirlo sottodeterminato.
In ogni caso la sua atipicità è che un unico elemento gioca con
quattro valenze distinte
ciao
Soviet_Mario

On 7 Dic, 21:35, Elio Fabri <[Only registered users see links. ]> wrote:

Grazie


Nel bilanciamento di una reazione chimica ci sono solo due vincoli da
rispettare:

1. Il numero di atomi di un dato elemento si conserva passando dai
reagenti ai prodotti.
2. Conservazione della carica elettrica

La conservazione della carica elettrica credo possa essere trascurata,
l'equazione che si ricaverebbe imponendo tale vincolo mi pare sia
sempre ridondante rispetto alle equazioni ottenute dal vincolo 1.

Ora, nel momento in cui si imposta il sistema di equazioni lineari
omogeneo si soddisfa automaticamente il vincolo 1. Quindi si è in una
botte di ferro. Tutto quello che dovevamo soddisfare l'abbiamo
soddisfatto. Se poi nella soluzione del sistema si hanno zero
soluzioni o infinite soluzioni, vuol dire o che c'è qualche cosa che
non va nella reazione che si voleva bilanciare o che la reazione può
essere vista come la somma di due o più reazioni.

Quando il sistema non ha soluzioni vuol dire che c'è un errore
nell'equazione chimica e la reazione non può essere bilanciata.

Esempio:

aH2O -> bH2O2

H: 2a = 2b
O: a = 2b

(la soluzione a=b=0 non è interessante)

Altro esempio:

aC2H4 + bO2 -> cCH4 + dH2O

il rapporto H/C = 2 tra i reagenti mentre tra i prodotti è >4, quindi
l'equazione non potrà essere bilanciata.

Il caso in cui si hanno infinite soluzioni si ha quando la reazione
può essere vista come sovrapposizione di due o più reazioni
indipendenti. Per esempio

aH2 + bN2 + cO2 -> dH2O + eNH3

Abbiamo cinque incognite e solo tre elementi, quindi solo tre
equazioni:

H: 2a = 2d + 3e
N: 2b = e
O: 2c = d

Ma essendo la reazione sovrapposizione delle due reazioni:

aH2 + bN2 -> eNH3
aH2 + cO2 -> dH2O

è come se i vettori (a,c,d) e (a,b,e) fossero ortogonali e le
soluzioni f fossero le combinazioni lineari

f = c1(a,c,d) + c2(a,b,e)

Nel caso proposto da Soviet accade formalmente la stessa cosa

aH2SO4 + bH2S -> cS + dSO2 + eH2O

è come se fosse la somma di

aH2SO4 + bH2S -> dSO2 + eH2O
aH2SO4 + bH2S -> cS + eH2O

e le soluzioni le combinazioni lineari di

f = c1(a,b,d,e) + c2(a,b,c,e)

In questi casi non è detto che scegliendo arbitrariamente i valori di
due coefficienti stechiometrici a caso si ottenga una soluzione
esatta.

Dunque se le equazioni non sono esattamente una in meno rispetto alle
incognite vuol dire che la reazione non può essere bilanciata oppure
può essere considerata la somma di reazioni indipendenti.

Il caso della reazione dell'acido solforico con il solfuro di idrogeno
è curioso perché stando alla chimica redox di base ci si aspetterebbe
che il rapporto H2SO4/H2S sia invariabilmente uguale a 1 mentre il
metodo algebrico ci dice che H2SO4/H2S = 1 è solo un caso particolare
e il rapporto può variare pur rispettando il bilanciamento globale
della reazione.


Ciao

Francesco ha scritto:

ti faccio i più sentiti complimenti per questa chiarissima
razionalizzazione e sistematizzazione metodologica.



Tuttavia, per una coincidenza, la reazione che ho scritto può
appunto solo formalmente essere immaginata come combinazione
lineare delle due che hai citato, ma è un artificio.

E ha anche problemi concettuali di natura fisica (circa i moti
perpetui, o cicli apparenti tra valenze diverse, ed è
irrispettosa dell'energia in accordo coi diagrammi voltequivalenti).

Detto diversamente, se si scrivono i grafi redox di qualsiasi
combinazione lineare delle due che scrivi sopra, si incrociano i
tratti della RED e della OX, e ciò PER IL MEDESIMO ATOMO (è
questo che crea inconsistenza, o cicli perpetui di scavalcamenti
di valenze non consistenti).

L'unica forma consistente che non porta scavalcamenti di valenza
per il medesimo elemento, è la riduzione dello zolfo da 6 a 4, e
l'ossidazione di quello da -2 a 0. Di fatto quindi devono essere
usati in un solo colpo tutti i composti, e la reazione non può
essere realmente vista come la sovrapposizione di due
sinproporzioni, se nessuna delle due si verifica in questo contesto.



cmq un esame dei grafici di potenziale (voltequivalenti) fanno
subito capire le violazioni "di percorso", anche se magari non
si vedono più nella reazione definitiva somma.
Io spesso (agli studenti, a cui non posso parlare di
voltequivalenti), dico spesso la regoletta di non far mai
incrociare i grafi della red e della ox, se riguardano il
medesimo elemento mentre, al limite, è ammesso il caso dei grafi
convergenti a un punto (sinproporzioni) o divergenti da un punto
(disproporzioni). Ma l'incrocio mai : se è stabile lo stato
incrociato, il sistema si fermerebbe PRIMA, dato che deve essere
stata incontrata una reazione equivalente priva di incrocio. So
di essere oscuro, e senza disegnino (banale) pare contorto. Ma
sforzandosi spero si capisca quel che volevo dire.

P.S. il deltaG a partire dallo stato stabile Pre-incrocio di
valenze e post-incrocio, è naturalmente nullo. Che possa poi
verificarsi col tempo o meno, è questione cinetica e non più
termodinamica, e solo uno scambio isotopico può dire se si
verifica o meno.
Nel caso specifico penserei che uno scambio di zolfi tra S
solido e SO2 debba essere assente o molto lento in condizioni
normali (fermo restando il DG = 0)


e infatti questo volevo dire : è come per le soluzioni di
equazioni di II grado per sistemi "fisici", nei quali talvolta
molte soluzioni devono essere scartate perché incompatibili con
vincoli di altra natura del sistema. Ad es. facendo esercizi
sull'equilibrio (perturbazioni e compensazioni sec. Les
Chatelier), vengono spesso fuori variazioni che sforano sulle
quantità totali presenti, e che sono soluzioni da scartare
perché inconsistenti.
ciao

Soviet_Mario

On 8 Dic, 12:56, Soviet_Mario <[Only registered users see links. ]> wrote:


Grazie!


Anche i numeri di ossidazione sono un artificio :-) Comunque non è una
coincidenza che la tua reazione possa essere vista come somma di altre
due; in tutti i casi in cui il numero di equazioni lineari che si
ricavano bilanciando il numero di atomi di ogni elemento tra reagenti
e prodotti è inferiore a N-1 (N è il numero di coefficienti
stechiometrici da determinare), si avrà che la reazione può essere
vista come somma di reazioni (somma di due reazioni se le equazioni
sono N-2; somma di tre reazioni se le equazioni sono N-3; e così via).

Prima di andare avanti credo sia bene specificare due punti:

1) Quello che vogliamo fare è solamente bilanciare la reazione, senza
dire nulla sulla reattività, sul meccanismo di reazione. La reazione
potrebbe avvenire nelle più disparate condizioni, in presenza di
differenti catalizzatori, a diverse temperature, in eccesso di uno dei
reagenti, etc. Per assurdo si potrebbe voler farla avvenire anche
sottoponendo i reagenti al bombardamento elettronico, o a scariche
elettriche, a radiazione di elevata frequenza, al bombardamento da
parte di un plasma di argo, etc. Oppure si può immagine che la
reazione avvenga in un sistema biologico e che i vari stadi in cui può
essere scomposta e tutte le possibili reazioni parallele siano
soggette a una fine regolazione.

2) Teniamo presente che la reazione è un evento macroscopico, somma di
N eventi elementari, dove N è dell'ordine del numero di Avogadro.

Io credo che non ci sia nessuna violazione fisica nel vedere la
reazione

aH2SO4 + bH2S -> cS + dSO2 + eH2O

come somma delle due reazioni

3H2SO4 + H2S -> 4SO2 + 4H2O
H2SO4 + 3H2S -> 4S + 4H2O

come dicevo nell'altro post, condizione necessaria e sufficiente
affinché la reazione sia bilanciata è che il numero di atomi di un
dato elemento si conservi passando dai reagenti ai prodotti. Se si
rispetta questa condizione siamo a posto. Quindi sono entrambe valide
le seguenti soluzioni

31 H2SO4 + 13 H2S --> 4S + 40 SO2 + 44 H2O

13 H2SO4 + 31 H2S --> 40 S + 4 SO2 + 44 H2O

Il fatto che siano valide entrambe significa solamente che sono
entrambe possibili, così come sono possibili infinite altre soluzioni,
poi saranno le particolari condizioni a favorire una data
stechiometria. Mi aspetterò che sia più favorita la prima soluzione se
si opera in eccesso di acido solforico e più favorita la seconda se si
opera in eccesso di solfuro di idrogeno. Se per esempio immaginiamo di
far gorgogliare una piccolissima quantità di H2S in H2SO4 a elevata
concentrazione e supponiamo che avvenga la reazione globale

H2SO4 + H2S -> S + SO2 + 2H2O

il forte eccesso di H2SO4 potrebbe poi reagire con S per dare SO2
secondo la reazione

2H2SO4 + S -> 3SO2 + 2H2O

Se assumiamo che tutto lo zolfo elementare venga consumato, avremmo
come reazione globale

3H2SO4 + H2S -> 4SO2 + 4H2O

Questo è il caso limite in cui nella combinazione lineare c1 = 1 e c2
= 0

Si può ottenere il risultato opposto immaginando di indrodurre una
minima quantità di acido solforico in H2S concentrato (eventualmente
in equilibrio con H2S(g) ad elevata pressione) e assumere che poi
avvenga la reazione

H2SO4 + H2S -> S + SO2 + 2H2O

l'eccesso di H2S potrebbe reagire con SO2 secondo la reazione

2H2S + SO2 -> 3S + 2H2O

Assumendo che tutto SO2 venga consumato, come reazione globale avremmo

H2SO4 + 3H2S -> 4S + 4H2O

Che è l'altro caso limite, quello con c1 = 0 e c2 = 1.

In modo che avvengano effettivamente quelle reazioni, oltre a
scegliere l'opportuno rapporto H2SO4/H2S, si dovrebbe operare in
presenza degli opportuni catalizzatori, alle giuste temperature, etc.
Per esempio l'ultima reazione citata (2H2S + SO2 -> 3S + 2H2O) avviene
a 300°C in presenza di Fe2O3/Al2O3.

Insomma la reazione aH2SO4 + bH2S -> cS + dSO2 + eH2O è un caso
analogo a quello, più famigliare, delle combustioni, in cui si possono
avere diversi prodotti a seconda delle condizioni operative.

Un esempio semplice (almeno limitandoci alla stechiometria) è la
combustione del carbone per dare CO e CO2

aC + bO2 -> cCO2 + dCO

che può essere visto come sovrapposizione di

C + O2 -> CO2
C + 1/2O2 -> CO

Un esempio più complesso potrebbe essere la combustione di un alcano
per dare una grande varietà di composti

aC4H10 + bO2 -> cCO2 + dCO + eH2O + fCH2O + gCH3CHO + hC6H6
+ ..........

qui dovrebbe essere evidente che le soluzioni sono infinite e
dipendono dalle particolari condizioni in cui si opera.

Comunque la questione è più algebrica e statistica che chimica,
sappiamo che la conservazione della massa è rispettata per qualsiasi
rapporto tra i coefficienti stechiometrici di H2SO4 e H2S, allora
perché dovrebbe necessariamente essere uguale a 1 in ogni condizione?
Tenuto conto che abbiamo un reattore con un numero di reagenti che è
dell'ordine di 10^23, che il meccanismo di reazione sarà probabilmente
abbastanza complesso, che ci saranno reazioni competitive, divergenze,
convergenze, etc. e che saranno più o meno favorite al variare delle
condizioni.



Qui non è che ti segua molto, mi pare che ti riferisca al diagramma di
Frost, ma non credo sia necessario coinvolgere la termodinamica in
questo contesto.


Anche qui non è che ti segua molto, sembra quasi che tu stia
trascurando il fatto che la reazione coinvolge (o può coinvolgere) un
numero elevatissimo di molecole di H2SO4 e H2S e non solo due. Ma
forse sono io a non capire cosa vuoi dire.


Il punto secondo me è quello che ho scritto sopra e cioè che la
termodinamica qui non ha motivo di essere coinvolta, quello che
volevamo fare era solo bilanciare una reazione. Trovato poi che la
reazione non ha stechiometria fissa si potranno fare considerazioni
termodinamiche su quali siano le stechiometrie favorite per un dato
set di condizioni operative.



Quello che volevo dire era il contrario e cioè che il metodo algebrico
ci offre un'informazione che il metodo di bilanciamento chimico non ci
dava, che la reazione non ha stechiometria fissa. E l'informazione
credo possa trovare conferma sperimentale in base a quanto scritto
sopra.
Ciao