Problema
Bilanciare la seguente reazione redox:
$Cu+HNO_3\rightarrow NO_2+Cu(NO_3)_2+H_2O$
Svolgimento
Per bilanciare la reazione redox procediamo per step.
step 1
Individuiamo quali elementi variano il loro numero di ossidazione (n.o.) nel passaggio da reagenti a prodotti.
Nel nostro caso il n.o. del rame passa da $0$ in $Cu$ a $+2$ in $Cu(NO_3)_2$, cioè si ossida.
Mentre il n.o. dell’azoto passa da $+5$ in $HNO_3$ a $+4$ in $NO_2$, cioè si riduce.
Step 2
Scriviamo in forma dissociata la reazione di partenza, per evidenziare quali specie sono coinvolte nella reazione.
$Cu+H^++NO_3^-\rightarrow NO_2+Cu^{2+}+2NO_3^{-}+H_2O$
STEP 3
Scriviamo due semireazioni, la prima di ossidazione e la seconda di riduzione:
$Cu\rightarrow Cu^{2+}$
$NO_3^-\rightarrow NO_2$
STEP 4
Bilanciamo gli elementi che si ossidano e si riducono nelle due semireazioni.
Nel nostro caso non serve, perché sia $Cu$ che $N$ sono già bilanciati nelle due semireazioni.
STEP 5
Bilanciamo il numero di elettroni dovuti all’ossidazione e alla riduzione.
Nella semireazione di ossidazione il rame passando da n.o. $0$ a $+2$ cederà $2e^-$ per ogni atomo, quindi aggiungeremo ai prodotti $2e^-$.
Nella semireazione di riduzione l’azoto passando da n.o. $+5$ a $+4$ acquisterà $1e^-$ per ogni atomo, quindi aggiungeremo ai reagenti $1e^-$.
$Cu\rightarrow Cu^{2+}+2e^-$
$NO_3^-+1e^-\rightarrow NO_2$
step 6
Bilanciamo la carica elettrica tra reagenti e prodotti in ciascuna semiereazione.
Siccome la reazione avviene in ambiente acido ($HNO_3$) bilanceremo le cariche con la specie $H^+$. La semireazione di ossidazione è già bilanciata elettricamente.
Per bilanciare quella di riduzione aggiungiamo $2H^+$ tra i reagenti e per bilanciare anche idrogeno e ossigeno aggiungeremo $H_2O$ tra i prodotti.
$Cu\rightarrow Cu^{2+}+2e^-$
$NO_3^-+1e^-+2H^+\rightarrow NO_2+H_2O$
STEP 7
Moltiplichiamo i coefficienti stechiometrici delle semireazioni per avere lo stesso numero di $e^-$ in entrambe le semireazioni.
Nel nostro caso moltiplicheremo $\times 2$ la seconda e lasceremo com’è la prima.
$Cu\rightarrow Cu^{2+}+2e^-$
$2NO_3^-+2e^-+4H^+\rightarrow 2NO_2+2H_2O$
STEP 8
Sommiamo le due semireazioni.
$Cu+2NO_3^-+2e^-+4H^+\rightarrow Cu^{2+}+2e^-+2NO_2+2H_2O$
Da cui semplificando gli elettroni otteniamo la reazione bilanciata:
$Cu+2NO_3^-+4H^+\rightarrow Cu^{2+}+2NO_2+2H_2O$
STEP 9
Aggiungendo $2NO_3^-$ sia a reagenti che prodotti e ritornando alla reazione in forma non dissociata si ottiene
$Cu+4HNO_3\rightarrow Cu(NO_3)_2+2NO_2+2H_2O$