Redoks i elektrochemia
Korozja elektrochemiczna i ochrona metali
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: IX.5a
Ogniwa, elektroliza i korozja
W ogniwie galwanicznym samorzutny redoks wytwarza energię elektryczną. Na anodzie zachodzi utlenianie, na katodzie redukcja; elektrony płyną w obwodzie zewnętrznym od anody do katody.
Siła elektromotoryczna E°=E°katody−E°anody. Dodatnie E°ogniwa oznacza samorzutność reakcji w warunkach standardowych.
Elektroliza wykorzystuje zewnętrzne napięcie do wymuszenia reakcji niesamorzutnej. Produkty zależą od składu elektrolitu, materiału elektrod i potencjałów konkurencyjnych procesów.
Korozja elektrochemiczna tworzy lokalne obszary anodowe i katodowe. Ochrona obejmuje powłoki, pasywację i protektory z bardziej aktywnego metalu.
E°ogniwa = E°katody − E°anody; Q=It; n(e⁻)=Q/F
- Anoda: utlenianie zawsze; katoda: redukcja zawsze.
- W ogniwie anoda jest ujemna, w elektrolizerze dodatnia.
- Mostek solny zamyka obwód jonowy i utrzymuje elektryczną obojętność.
- Prawo Faradaya wiąże ładunek z liczbą moli elektronów.
Podstawa programowa: IX.5b
Właściwości metali, jony i związki kompleksowe
Reaktywność metalu zależy od łatwości utleniania. Metal o niższym potencjale standardowym może redukować jony metalu o wyższym potencjale, jeśli warunki pozwalają na samorzutny przebieg.
Metale przejściowe tworzą jony na różnych stopniach utlenienia, związki barwne i kompleksy. Barwa wynika często z przejść elektronów d w polu ligandów.
Ligand dostarcza parę elektronową do jonu centralnego, tworząc wiązanie koordynacyjne. Liczba koordynacyjna i geometria zależą od metalu, stopnia utlenienia i ligandów.
- Aluminium jest reaktywne, ale chroni je warstwa Al₂O₃.
- Fe²⁺ i Fe³⁺ mają odmienne właściwości i barwy roztworów.
- Zn i Al reagują z mocnymi zasadami jako metale amfoteryczne.
- Wyparcie metalu z soli jest reakcją redoks.
Podstawa programowa: IX.5a
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: IX.5b
Najczęstsze błędy
„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.
„Anoda jest zawsze ujemna”
Poprawnie: Jest ujemna w ogniwie galwanicznym, ale dodatnia w elektrolizerze; jej definicją jest utlenianie.
„Elektrony płyną przez mostek solny”
Poprawnie: Mostek przewodzi jony, a elektrony płyną przewodnikiem zewnętrznym.
Zadania z odpowiedziami
1. 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⁺.
2. SEM ogniwa
Dla E°(Cu²⁺/Cu)=+0,34 V i E°(Zn²⁺/Zn)=−0,76 V oblicz E° ogniwa Daniella.
- 1.Cu jest katodą o wyższym potencjale.
- 2.Zn jest anodą.
- 3.E°=0,34−(−0,76).
Odpowiedź
E°=1,10 V.
3. Reakcja wypierania
Czy Zn zanurzony w CuSO₄ wyprze miedź?
- 1.Porównaj łatwość utlenienia Zn i Cu.
- 2.Zn jest bardziej aktywny.
- 3.Zapisz Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu.
Odpowiedź
Tak. Cynk ulega utlenieniu, a Cu²⁺ redukcji do metalu.
4. Ocena zamiany rozpuszczalnika
Jak ocenić, czy nowy rozpuszczalnik jest naprawdę bardziej ekologiczny?
- 1.Porównaj toksyczność i lotność.
- 2.Uwzględnij energię produkcji i odzysku.
- 3.Sprawdź trwałość, biodegradację i produkty rozkładu.
Odpowiedź
Należy ocenić pełny profil ryzyka i cykl życia, a nie tylko jedną cechę, np. pochodzenie biologiczne.
Podsumowanie
- 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.
- Anoda: utlenianie zawsze; katoda: redukcja zawsze.
- W ogniwie anoda jest ujemna, w elektrolizerze dodatnia.
- W ogniwie galwanicznym samorzutny redoks wytwarza energię elektryczną. Na anodzie zachodzi utlenianie, na katodzie redukcja; elektrony płyną w obwodzie zewnętrznym od anody do katody.
- Aluminium jest reaktywne, ale chroni je warstwa Al₂O₃.
Słownik pojęć
- 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.
- Anoda
- Elektroda, na której zachodzi utlenianie.
- Katoda
- Elektroda, na której zachodzi redukcja.
- Pasywacja
- Powstanie ochronnej, zwartej warstwy ograniczającej korozję.
- Ligand
- Jon lub cząsteczka dostarczająca parę elektronową do centrum.
- Kompleks
- Układ jonu centralnego i związanych ligandów.