Redoks i elektrochemia
Bilans elektronowy i dobieranie współczynników
Kwasy, zasady, pH, hydroliza i bufory
W teorii Brønsteda kwas oddaje proton, a zasada go przyjmuje. Każdej reakcji odpowiadają sprzężone pary różniące się o H⁺. Woda jest amfiprotyczna i może pełnić obie role.
pH=−log[H₃O⁺], a w 25°C pH+pOH=14. Zmiana pH o 1 oznacza dziesięciokrotną zmianę stężenia jonów hydroniowych.
Mocny elektrolit przyjmuje się za całkowicie zdysocjowany, a dla słabego stosuje się stałą Ka lub Kb. Hydroliza jonów soli wynika z reakcji sprzężonych kwasów lub zasad z wodą.
Bufor zawiera słaby kwas i jego sprzężoną zasadę lub słabą zasadę i sprzężony kwas. Zużywa niewielkie ilości dodanych H⁺ lub OH⁻, ograniczając zmianę pH.
pH=−log[H₃O⁺]; pOH=−log[OH⁻]; Ka·Kb=Kw
- Moc kwasu to położenie równowagi, nie jego stężenie.
- Sprzężona zasada mocnego kwasu jest bardzo słaba.
- Punkt równoważnikowy nie zawsze ma pH=7.
- W buforze największa pojemność występuje przy porównywalnych stężeniach pary.
Schemat: Kwasy, zasady, pH, hydroliza i bufory
Kolejne etapy procesu wraz z kierunkiem zmian.
Podstawa programowa: VIII.2
Reakcje utleniania–redukcji i bilans elektronowy
Utlenianie oznacza oddawanie elektronów i wzrost stopnia utlenienia, a redukcja przyjmowanie elektronów i spadek stopnia. Utleniacz przyjmuje elektrony i sam ulega redukcji; reduktor oddaje elektrony i ulega utlenieniu.
Bilans elektronowy wyrównuje liczbę elektronów oddanych i przyjętych. W metodzie jonowo-elektronowej osobno bilansuje się atomy, O przez H₂O, H przez H⁺ w środowisku kwasowym, a ładunek elektronami.
Siła utleniacza i produkty mogą zależeć od pH. Jon MnO₄⁻ w kwasie redukuje się zwykle do Mn²⁺, w obojętnym do MnO₂, a w silnie zasadowym do MnO₄²⁻.
- Pierwiastek w stanie wolnym ma stopień 0.
- Suma stopni utlenienia w cząsteczce obojętnej wynosi 0, w jonie — jego ładunek.
- Dysproporcjonowanie: jeden pierwiastek jednocześnie się utlenia i redukuje.
- Bilans elektronów nie zastępuje pełnego bilansu atomów i ładunku.
Schemat: Reakcje utleniania–redukcji i bilans elektronowy
Kolejne etapy procesu wraz z kierunkiem zmian.
Podstawa programowa: VIII.5
Niemetale i ich związki
Niemetale tworzą związki kowalencyjne i aniony, a ich tlenki na wysokich stopniach utlenienia często mają charakter kwasowy. Reaktywność i siła utleniająca halogenów maleje w dół grupy.
Azot tworzy związki od −III w NH₃ do +V w azotanach. Amoniak jest zasadą Brønsteda i ligandem, a proces Habera wymaga kompromisu między równowagą i szybkością.
SO₂ jest tlenkiem kwasowym i reduktorem, a stężony H₂SO₄ może działać utleniająco i odwadniająco. Chlor w wodzie dysproporcjonuje, tworząc HCl i HClO odpowiedzialny za działanie dezynfekujące.
- Ozon jest silniejszym utleniaczem niż O₂.
- HF jest słabym kwasem w wodzie mimo dużej elektroujemności F, ze względu na silne wiązanie H–F.
- HNO₃ i stężony H₂SO₄ mogą pasywować Fe, Al i Cr.
- NO utlenia się w powietrzu do brunatnego NO₂.
Podstawa programowa: VIII.2
Chemia w środowisku, zdrowiu i technologii
Ryzyko chemiczne zależy od zagrożenia substancji i wielkości narażenia: dawki, drogi, czasu i wrażliwości organizmu. Sama obecność substancji nie określa jeszcze rzeczywistego ryzyka.
Zielona chemia dąży do zapobiegania odpadom, wysokiej selektywności, bezpieczniejszych rozpuszczalników, efektywności atomowej i energetycznej oraz projektowania produktów podatnych na kontrolowany rozkład.
Ocena procesu obejmuje surowce, energię, emisje, trwałość produktu i koniec życia. Zamiana jednej substancji na inną jest korzystna tylko wtedy, gdy nie przenosi problemu na inny etap.
- Dawka czyni truciznę — toksyczność nie jest kategorią zero-jedynkową.
- Kwaśne deszcze wiążą się m.in. z SO₂ i NOₓ.
- Eutrofizacja wynika z nadmiaru biogenów, nie z samej obecności wody.
- Kataliza może zmniejszać temperaturę procesu i ilość produktów ubocznych.
Podstawa programowa: VIII.5
Najczęstsze błędy
„Mocny kwas zawsze ma niższe pH niż słaby”
Poprawnie: pH zależy także od stężenia; rozcieńczony mocny kwas może mieć wyższe pH niż stężony słaby.
„Sól mocnego kwasu i mocnej zasady zawsze daje pH=7 w każdych warunkach”
Poprawnie: W idealnym rozcieńczonym roztworze w 25°C tak, ale temperatura, aktywności i dodatkowe reakcje mogą zmieniać wynik.
„Utleniacz ulega utlenieniu”
Poprawnie: Utleniacz przyjmuje elektrony, więc ulega redukcji.
„Stopień utlenienia jest rzeczywistym ładunkiem atomu”
Poprawnie: To formalna wielkość księgowa przy założeniu całkowicie jonowego podziału elektronów.
Zadania z odpowiedziami
1. pH mocnego kwasu
Oblicz pH roztworu HCl o c=1,0×10⁻³ mol/dm³.
- 1.Przyjmij pełną dysocjację.
- 2.[H₃O⁺]=10⁻³ mol/dm³.
- 3.Oblicz −log(10⁻³).
Odpowiedź
pH=3,00.
2. Hydroliza anionu
Oceń odczyn roztworu Na₂CO₃.
- 1.Na⁺ pochodzi od mocnej zasady i nie hydrolizuje istotnie.
- 2.CO₃²⁻ jest sprzężoną zasadą słabego HCO₃⁻/H₂CO₃.
- 3.Zapisz CO₃²⁻+H₂O⇌HCO₃⁻+OH⁻.
Odpowiedź
Roztwór ma odczyn zasadowy wskutek powstawania OH⁻.
3. Bilans prostego redoks
Zbilansuj Fe²⁺+Ce⁴⁺→Fe³⁺+Ce³⁺.
- 1.Fe²⁺ oddaje 1 e⁻.
- 2.Ce⁴⁺ przyjmuje 1 e⁻.
- 3.Liczby elektronów są równe, więc współczynniki wynoszą 1.
Odpowiedź
Fe²⁺+Ce⁴⁺→Fe³⁺+Ce³⁺.
4. Wypieranie halogenu
Czy Cl₂ utleni Br⁻ do Br₂?
- 1.Porównaj siłę utleniającą Cl₂ i Br₂.
- 2.Cl₂ jest silniejszym utleniaczem.
- 3.Zapisz Cl₂+2Br⁻→2Cl⁻+Br₂.
Odpowiedź
Tak, chlor wypiera brom z bromków.
Podsumowanie
- Moc kwasu to położenie równowagi, nie jego stężenie.
- Sprzężona zasada mocnego kwasu jest bardzo słaba.
- W teorii Brønsteda kwas oddaje proton, a zasada go przyjmuje. Każdej reakcji odpowiadają sprzężone pary różniące się o H⁺. Woda jest amfiprotyczna i może pełnić obie role.
- Pierwiastek w stanie wolnym ma stopień 0.
- Suma stopni utlenienia w cząsteczce obojętnej wynosi 0, w jonie — jego ładunek.
- Utlenianie oznacza oddawanie elektronów i wzrost stopnia utlenienia, a redukcja przyjmowanie elektronów i spadek stopnia. Utleniacz przyjmuje elektrony i sam ulega redukcji; reduktor oddaje elektrony i ulega utlenieniu.
- Ozon jest silniejszym utleniaczem niż O₂.
Słownik pojęć
- Sprzężona para
- Kwas i zasada różniące się jednym protonem.
- Hydroliza soli
- Reakcja jonu soli z wodą wpływająca na pH.
- Pojemność buforowa
- Ilość kwasu lub zasady, którą bufor może zobojętnić przy małej zmianie pH.
- Utleniacz
- Substancja przyjmująca elektrony i ulegająca redukcji.
- Reduktor
- Substancja oddająca elektrony i ulegająca utlenieniu.
- Dysproporcjonowanie
- Redoks, w którym ten sam pierwiastek jest utleniany i redukowany.
- Pasywacja
- Ochrona metalu przez zwartą warstwę produktu.
- Tlenek kwasowy
- Tlenek reagujący z zasadami i często tworzący kwas z wodą.