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Balanceamento de equações redox

Introdução

Uma boia enferrujada em uma praia rochosa.
A ferrugem é formada pela reação redox do ferro e do gás oxigênio na presença de umidade. Crédito da imagem: "Badentarbat Bay: Corroded Buoy on the Beach" por DeFacto, em Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.
Reações de oxidação–redução ou redox são reações que envolvem a transferência de elétrons entre espécies químicas (leia este artigo sobre reações redox se quiser refrescar a memória!). As equações das reações de oxidação-redução devem ser balanceadas tanto em relação à massa quanto em relação à carga, o que pode tornar seu balanceamento apenas por inspeção um desafio. Neste artigo, vamos aprender sobre o método de semirreações de balanceamento, um procedimento útil para balancear as equações de reações redox que ocorrem em solução aquosa.

O método das semirreações de balanceamento de equações redox

Para balancear uma equação redox usando o método das semirreações, a equação é primeiramente dividida em duas semirreações, uma que representa a oxidação e outra que representa a redução. As equações das semirreações são, então, balanceadas em relação à massa e à carga e, se necessário, ajustadas para que o número de elétrons transferidos em cada equação seja o mesmo. Por fim, as equações das semirreações são somadas, o que resulta na equação geral balanceada da reação.
Vamos ver como esse procedimento funciona para uma reação redox mais simples. Por exemplo, considere a reação entre o íon CoA3+ e o metal níquel:
CoA3+(aq)+Ni(s)CoA2+(aq)+NiA2+(aq)
Esta equação está balanceada? Ela parece balanceada em relação à massa, pois há um átomo de Co e um átomo de Ni em cada lado da equação. No entanto, ela não está balanceada em relação à carga: a carga líquida no lado esquerdo da equação é igual a +3, enquanto a carga líquida no lado direito é de +4. Para nos ajudar a balancear a equação em relação à carga, usaremos o método das semirreações.
Para começar, vamos dividir a equação em semirreações de oxidação e de redução separadas:
Semirreação de oxidação: A semirreação de oxidação mostra os reagentes e produtos que participam do processo de oxidação. Uma vez que o metal Ni está sendo oxidado para NiA2+ nesta reação, podemos começar escrevendo esse processo da seguinte forma:
Oxidação:Ni(s)NiA2+(aq)
No entanto, esta não é a semirreação de oxidação completa! Assim como a equação geral, nossa semirreação está balanceada em relação à massa, mas não em relação à carga. Podemos balancear as cargas adicionando dois elétrons ao lado direito da equação de modo que a carga líquida em cada lado seja 0:
Oxidação:Ni(s)NiA2+(aq)+2e
Agora que a semirreação de oxidação está balanceada, ela nos diz que dois elétrons são produzidos para cada átomo de níquel oxidado. Mas para onde vão esses elétrons? Podemos seguir seu rastro até a semirreação de redução.
Semirreação de redução: a semirreação de redução mostra os reagentes e produtos que participam da etapa de redução. Nesse caso, nossa equação deve mostrar o CoA3+ sendo reduzido em CoA2+. Ela também deve incluir um elétron do lado esquerdo da equação para o balanceamento das cargas:
Redução:CoA3+(aq)+eCoA2+(aq)
A semirreação de redução balanceada nos diz que um elétron é consumido para cada íon CoA3+ reduzido. É importante ressaltar que os elétrons deste processo vêm da semirreação de oxidação.
Em seguida, queremos somar as semirreações balanceadas para obter a equação geral balanceada. Mas, primeiramente, precisamos verificar se os elétrons se cancelarão quando combinarmos as semirreações (não podemos ter elétrons perdidos por aí!). No momento, a semirreação de oxidação envolve a transferência de dois elétrons, enquanto a semirreação de redução envolve a transferência de apenas um elétron. Portanto, precisamos multiplicar a semirreação de redução por 2:
2[CoA3+(aq)+eCoA2+(aq)]2CoA3+(aq)+2e2CoA2+(aq)
Agora, podemos somar as duas semirreações, cancelando os elétrons em ambos os lados:
Ni(s)NiA2+(aq)+2e2CoA3+(aq)+2e2CoA2+(aq)Ni(s)+2CoA3+(aq)NiA2+(aq)+2CoA2+(aq)Ni(s)+2CoA3+(aq)NiA2+(aq)+2CoA2+(aq)
A equação resultante tem números iguais de cada tipo de átomo em ambos os lados da equação (1 Ni e 2 Co) bem como a mesma carga líquida nos dois lados (6+). Isso significa que a equação está balanceada em relação à massa e em relação à carga!

Balanceamento de equações redox em solução ácida ou básica

Acabamos de usar o método das semirreações para balancear uma equação redox simples. No entanto, muitas das reações redox que ocorrem em solução aquosa são mais complicadas do que o exemplo mostrado acima. Nesses casos, podemos precisar adicionar moléculas de HA2O e íons HA+ (para reações que ocorrem em solução ácida) ou íons OHA (para reações que ocorrem em solução básica) para balancear totalmente a equação. O exemplo 1 abaixo mostra este processo para uma reação que ocorre em solução ácida, enquanto o exemplo 2 mostra este processo para uma reação que ocorre em solução básica.

Exemplo 1: balanceamento de equações redox em solução ácida

Faça o balanceamento da equação da reação do metal cobre com o íon nitrato em solução ácida.
Cu(s)+NOA3A(aq)CuA2+(aq)+NOA2(g)
Para balancear a equação, vamos seguir o método das semirreações que acabamos de aprender. Como esta reação está ocorrendo em solução ácida, podemos usar íons HA+ e moléculas de HA2O para ajudar a balanceá-la.

Etapa 1: dividir a equação em semirreações

Vamos começar separando a equação não balanceada em duas semirreações:
Oxidação:Cu(s)CuA2+(aq)Redução:NOA3A(aq)NOA2(g)
Observe que nenhuma das semirreações está totalmente balanceada! Vamos fazer isso na próxima etapa.

Etapa 2: balancear cada semirreação em relação à massa e à carga

A semirreação de oxidação já está balanceada em relação à massa, então só precisamos balanceá-la em relação à carga. Podemos fazer isso adicionando dois elétrons ao lado direito da equação, o que torna a carga líquida igual a 0 em ambos os lados:
Oxidação:Cu(s)CuA2+(aq)+2e
E quanto à semirreação de redução? Esta equação não está balanceada em relação à massa nem em relação à carga. Primeiramente, vamos balanceá-la em relação à massa: sabemos que os átomos de N já estão balanceados (há um em cada lado da equação). No entanto, os átomos de O não estão. Podemos balancear os átomos de O adicionando uma molécula de HA2O ao lado direito da equação:
NOA3A(aq)NOA2(g)+HA2O(l)
Há, agora, dois átomos de H não balanceados no lado direito da equação. Como a reação está em solução ácida, podemos balancear esses átomos adicionando íons HA+ ao lado esquerdo:
NOA3A(aq)+2HA+(aq)NOA2(g)+HA2O(l)
Em seguida, vamos balancear a equação em relação à carga. Para fazer isso, precisamos adicionar um elétron ao lado esquerdo da equação de modo que a carga líquida de cada lado seja igual a 0:
Redução:NOA3A(aq)+2HA+(aq)+eNOA2(g)+HA2O(l)

Etapa 3: igualar o número de elétrons transferidos

Como dois elétrons são perdidos na semirreação de oxidação e um elétron é ganho na semirreação de redução, precisamos multiplicar a semirreação de redução por 2:
2[NOA3A(aq)+2HA+(aq)+eNOA2(g)+HA2O(l)]2NOA3A(aq)+4HA+(aq)+2e2NOA2(g)+2HA2O(l)

Etapa 4: somar as semirreações

Ao combinarmos as duas semirreações e cancelarmos os elétrons, obteremos
Cu(s)CuA2+(aq)+2e2NOA3A(aq)+4HA+(aq)+2e2NOA2(g)+2HA2O(l)Cu(s)+2NOA3A(aq)+4HA+(aq)CuA2+(aq)+2NOA2(g)+2HA2O(l)Cu(s)+2NOA3A(aq)+4HA+(aq)CuA2+(aq)+2NOA2(g)+2HA2O(l)
E pronto! Vamos conferir nosso trabalho: há números iguais de cada tipo de átomo em ambos os lados da equação (1 Cu, 2 N, 6 O e 4 H) e a carga líquida é a mesma nos dois lados (2+), portanto a equação está balanceada!

Exemplo 2: balanceamento de equações redox em solução básica

Faça o balanceamento da equação da reação de íons permanganato e iodeto em solução básica.
MnOA4A(aq)+IA(aq)MnOA2(s)+IA2(aq)
Novamente, vamos usar o método das semirreações para balancear esta equação. Desta vez, no entanto, só podemos usar íons OHA e moléculas de HA2O para ajudar a balancear a equação, já que a reação está ocorrendo em solução básica.

Etapa 1: dividir a equação em semirreações

Nesta reação, o íon iodeto é oxidado e o íon permanganato é reduzido:
Oxidação:IA(aq)IA2(aq)Redução:MnOA4A(aq)MnOA2(s)

Etapa 2: balancear cada semirreação em relação à massa e à carga

Vamos começar com a semirreação de oxidação, que precisa ser balanceada em relação à massa e à carga. Primeiramente, colocamos o coeficiente 2 na frente do IA para balancear a massa:
2IA(aq)IA2(aq)
Em seguida, adicionamos dois elétrons ao lado direito da equação para balancear a carga:
Oxidação:2IA(aq)IA2(aq)+2e
Depois, vamos nos voltar para a semirreação de redução, que também precisa ser balanceada em relação à massa e à carga. Vamos começar com a massa: como já existe um átomo de Mn em cada lado da equação, só precisamos balancear os átomos de O. Poderíamos fazer isso adicionando íons OHA e moléculas de HA2O a qualquer um dos lados da equação em uma abordagem de tentativa e erro, mas esse método pode ser complicado e demorado. Em vez disso, vamos primeiramente balancear a semirreação como se ela ocorresse em solução ácida:
MnOA4A(aq)+4HA+(aq)MnOA2(s)+2HA2O(l)
Em seguida, para dar conta do fato de que a semirreação na verdade ocorre em solução básica, vamos adicionar OHA aos dois lados da equação para neutralizar o HA+:
MnOA4A(aq)+4HA+(aq)+4OHA(aq)MnOA2(s)+2HA2O(l)+4OHA(aq)4HA2O(l)MnOA4A(aq)+2HA2O(l)MnOA2(s)+4OHA(aq)
Observe que combinamos os íons HA+ e OHA do lado esquerdo da equação para formar novas moléculas de HA2O, e, em seguida, eliminamos as moléculas de HA2O que apareceram nos dois lados da equação.
Por fim, vamos balancear a semirreação em relação à carga. Para fazer isso, vamos adicionar três elétrons ao lado esquerdo da equação, o que torna a carga líquida em cada lado igual a 4:
Redução:MnOA4A(aq)+2HA2O(l)+3eMnOA2(s)+4OHA(aq)

Etapa 3: igualar o número de elétrons transferidos

Para igualar o número de elétrons transferidos nas duas semirreações, precisamos multiplicar a semirreação de oxidação por 3 e a semirreação de redução por 2 (o que faz com que cada semirreação contenha seis elétrons):
3[2IA(aq)IA2(aq)+2e]6IA(aq)3IA2(aq)+6e2[MnOA4A(aq)+2HA2O(l)+3eMnOA2(s)+4OHA(aq)]2MnOA4A(aq)+4HA2O(l)+6e2MnOA2(s)+8OHA(aq)

Etapa 4: somar as semirreações

Por fim, vamos somar as duas semirreações, conferindo se os elétrons em cada equação estão realmente sendo cancelados:
2MnOA4A(aq)+4HA2O(l)+6e2MnOA2(s)+8OHA(aq)6IA(aq)3IA2(aq)+6e2MnOA4A(aq)+4HA2O(l)+6IA(aq)2MnOA2(s)+8OHA+3IA2(aq)2MnOA4A(aq)+6IA(aq)+4HA2O(l)2MnOA2(s)+3IA2(aq)+8OHA(aq)
Ao conferirmos nosso trabalho, vemos que há 2 átomos de Mn, 12 átomos de O, 8 átomos de H e 6 átomos de I, bem como uma carga líquida de 8, nos dois lados da equação. Portanto, a equação está balanceada!

Resumo

Podemos usar o método das semirreações para balancear as equações de reações redox que ocorrem em solução aquosa. Neste método, uma equação redox é separada em duas semirreações, uma que envolve oxidação e outra que envolve redução. Cada semirreação é balanceada em relação à massa e à carga, e, em seguida, as duas equações são recombinadas com os coeficientes apropriados para que os elétrons se cancelem. Para balancear equações redox mais complexas, às vezes, é necessário adicionar a elas íons HA+ e moléculas de HA2O (se a reação ocorrer em solução ácida) ou íons OHA e moléculas de HA2O (se a reação ocorrer em solução básica).

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