Metale i niemetale
Mangan, chrom i żelazo w reakcjach redoks
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: X.6
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: X.6
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: X.6
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.
„Bardziej aktywny metal ma wyższy potencjał redukcyjny”
Poprawnie: Łatwo utleniający się metal ma zwykle bardziej ujemny standardowy potencjał redukcyjny.
„Barwa jonów przejściowych wynika wyłącznie z samego pierwiastka”
Poprawnie: Zależy także od stopnia utlenienia, geometrii i rodzaju ligandów.
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. 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.
3. 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
- 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.
- Aluminium jest reaktywne, ale chroni je warstwa Al₂O₃.
- Fe²⁺ i Fe³⁺ mają odmienne właściwości i barwy roztworów.
- Reaktywność metalu zależy od łatwości utleniania. Metal o niższym potencjale standardowym może redukować jony metalu o wyższym potencjale, jeśli warunki pozwalają na samorzutny przebieg.
- Ozon jest silniejszym utleniaczem niż O₂.
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.
- Ligand
- Jon lub cząsteczka dostarczająca parę elektronową do centrum.
- Kompleks
- Układ jonu centralnego i związanych ligandów.
- Szereg aktywności
- Porządek metali według skłonności do utleniania.
- Pasywacja
- Ochrona metalu przez zwartą warstwę produktu.
- Tlenek kwasowy
- Tlenek reagujący z zasadami i często tworzący kwas z wodą.