Procesy redoksreakcja redoksProcesy redoks stanowią ważną grupę reakcji chemicznych, polegających na przeniesieniu elektronów pomiędzy reagentami. Atom, cząsteczka lub jon oddający elektrony to reduktor, z kolei akceptor elektronów nosi nazwę utleniacza. Ze względu na fakt, iż metale w związkach chemicznych występują wyłącznie na dodatnich stopniach utlenieniastopień utlenienia atomustopniach utlenienia, w reakcjach mogą pełnić wyłącznie rolę reduktora.

RhyUxDEnbj3Q1

Ilustracja przedstawiająca poziomą oś skierowaną w prawo. Po lewej stronie osi znajduje się znak minus, zaś po prawej znak plus. Po lewej stronie u dołu osi zaznaczono metal $\text{Me}$, który jest reduktorem i ulega reakcji utlenienia do ${\text{Me}}^{n+}$ znajdującego się nad osią, zwiększając swoją wartościowość . Po prawej stronie, nad osią znajduje się utleniacz $$, który to ulega redukcji do Red znajdującego się pod osią, stając się reduktorem.

Ustalenie, czy dana reakcja metalu z roztworem soli innego metalu będzie zachodzić, wymaga spełnienia szeregu warunków.

Przede wszystkim użyty metal (reduktor) musi mieć niższą wartość potencjału standardowegostandardowy potencjał redokspotencjału standardowego niż jon metalu wchodzący w skład soli (utleniacz).

R13ggg99CmzWf

Ilustracja przedstawiająca szereg metali i odpowiednich jonów metali wraz z potencjałami. Strzałka skierowana w prawo od metali o potencjale ujemny do metali o potencjale dodatnim. Od lewej sód $\text{Na}$ oraz kation sodowy ${\text{Na}}^{\text{+}}$ ($-\mathrm{2,71}$ wolta), magnez $\text{Mg}$ oraz kation magnezowy ${\text{Mg}}^{2+}$ ($-\mathrm{2,36}$ wolta), cynk <math aria‑label="zet en">Zn oraz kation cynkowy <math aria‑label="zet en indeks górny dwa plus koniec indeksu">Zn2+ ($-\mathrm{0,76}$ wolta), żelazo $\text{Fe}$ oraz kation żelaza na drugim stopniu utlenienia ${\text{Fe}}^{2+}$ ($-\mathrm{0,44}$ wolta), cyna $\text{Sn}$ oraz kation cyny ${\text{Sn}}^{2+}$ ($-\mathrm{0,14}$ wolta), ołów $\text{Pb}$ oraz kation ołowiu ${\text{Pb}}^{2+}$ ($-\mathrm{0,13}$ wolta), miedź $\text{Cu}$ oraz kation miedzi ${\text{Cu}}^{2+}$ ($\mathrm{0,34}$ wolta), srebro $\text{Ag}$ oraz kation srebra ${\text{Ag}}^{+}$ ($\mathrm{0,80}$ wolta), złoto $\text{Au}$ oraz kation złota ${\text{Au}}^{3+}$ ($\mathrm{1,50}$ wolta). Metali aktywnych nie można wydzielić z roztworu wodnego, ponieważ reagują z wodą. Cynk jest najbardziej aktywnym metalem, jaki można wydzielić z wodnego roztworu.

Przeanalizujmy dwa przykłady:

R195H9G6sA9Mp

Ilustracja przedstawiająca dwie zlewki. W pierwszej znajduje się niebieski roztwór jonów miedzi ${\text{Cu}}^{2+}$, w którym to zanurzona jest płytka cynkowa. W drugiej zlewce znajduje się roztwór jonów cynku <math aria‑label="zet en indeks górny dwa plus koniec indeksu">Zn2+, w którym to zanurzona jest płytka wykonana z miedzi.

Objawy świadczące o przebiegu reakcji chemicznej będzie można zauważyć tylko w zestawie nr 1. Wartość potencjału standardowego układuukład redoksowyukładu $\text{Zn}|{\text{Zn}}^{2+}$ wynosi $-\mathrm{0,76} \text{V}$ i jest niższa niż wartość potencjału układu $\text{Cu}|{\text{Cu}}^{2+}$($+\mathrm{0,34} \text{V}$). Oznacza to, że metaliczny cynk może redukować jony miedzi($\mathrm{II}$) – jednocześnie jony miedzi($\mathrm{II}$) utleniają metaliczny cynk – tak jak w doświadczeniu nr 1. Jednocześnie wynika z tego, że w doświadczeniu nr 2 reakcja nie może zachodzić – miedź jest słabszym reduktorem niż cynk, nie może więc zredukować jonów cynku($\mathrm{II}$). Ponadto jony cynku($\mathrm{II}$) są słabszym utleniaczem niż jony miedzi($\mathrm{II}$), co oznacza, że nie mogą one utlenić metalicznej miedzi do jonów ${\text{Cu}}^{2+}$.

Różnica wartości potencjałów między utleniaczem a reduktorem powinna być większa niż około $\mathrm{0,2}-\mathrm{0,3} \text{V}$, inaczej dana reakcja nie będzie praktycznie zachodzić.

Przeanalizujmy kolejne dwa przykłady:

1. $\text{Pb}+{\text{Sn}}^{2+}$

2. $\text{Sn}+{\text{Pb}}^{2+}$

Okazuje się, że nie zaobserwujemy objawów reakcji w żadnym z przykładów, ze względu na niewielką różnicę wartości potencjałów – około $\mathrm{0,01} \text{V}$.

Drugim ważnym aspektem jest fakt, że reakcje zachodzą na powierzchni metalu. Oznacza to, że w przypadku procesu:

powierzchnia cynku musi mieć kontakt z roztworem soli miedzi($\mathrm{II}$). Będzie to utrudniane wskutek jednoczesnego osadzania się na powierzchni gąbczastego osadu miedzi. W rzeczywistości reakcja będzie zachodzić dopóki wydzielająca się miedź nie odetnie dostępu utleniacza (jonów ${\text{Cu}}^{2+}$) do powierzchni cynku.

R1LAFliEr88kD

Ilustracja przedstawiająca dwie zlewki. W pierwszej znajduje się niebieski roztwór jonów miedzi ${\text{Cu}}^{2+}$, w którym to zanurzona jest płytka cynkowa. W drugiej zlewce znajduje się roztwór jonów cynku <math aria‑label="zet en indeks górny dwa plus koniec indeksu">Zn2+, w którym to zanurzona jest płytka wykonana z miedzi. Ilustracja przedstawiająca trzy zlewki. W pierwszej znajduje się niebieski roztwór, w którym zanurzona jest płytka wykonana z metalicznego cynku. Nad zlewką znajduje się napis "start reakcji". Pod zlewką przekrój przez płytkę metalicznego cynku o szarym, jednolitym zabarwieniu. W kolejnej zlewce w miarę postępu reakcji roztwór stopniowo odbarwia się. Miedź wydziela się na płytce cynkowej przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości cynku w płytce. Poniżej przedstawiono płytkę pokrytą ciemnym, osadem na powierzchni, która uległa zmniejszeniu na skutek przechodzenie cynku do roztworu. W trzeciej zlewce przedstawiono zatrzymanie reakcji, kiedy to brak jest dostępu jonów ${\text{Cu}}^{2+}$ do cynku. To znaczy osad miedzi całkowicie pokrył płytkę cynkową, co obrazuje przedstawiony pod zlewką przekrój. Roztwór jest praktycznie odbarwiony, zaś płytkę cynkową szczelnie pokrywa osad miedzi. Osad jest ciemno‑brunatny i chropowaty.

Z tego samego powodu przed reakcją należy oczyścić powierzchnię metalu z osadów tlenków i innych związków zawierających utlenioną formę metalu. Na przykład cynk pokrywa się na powietrzu warstwą szarego tlenku. Nie przeszkadza to w reakcjach z kwasami i zasadami, ponieważ tlenek cynku posiada właściwości amfoteryczne.

Przy projektowaniu doświadczenia należy wziąć pod uwagę, aby zastosować taką sól, która zawiera aniony dające produkt rozpuszczalny w wodzie. W przeciwnym razie trudno rozpuszczalna sól wytrąci się na powierzchni metalu w postaci osadu, co spowoduje zatrzymanie reakcji.

Reakcje, które można przewidzieć z przesłanek teoretycznych, nie będą zachodzić jeżeli:

1. Różnica wartości potencjałów standardowych będzie niewielka:
   ${\text{Pb}}^{2+}+\text{Sn}\to \text{nie zachodzi}$
   ${{\mathrm{E}}^0}_{ }\text{Pb}/{\text{Pb}}^{2+}=-\mathrm{0,13}\text{ V}$
   ${\mathrm{E}}^0 \text{Sn}/{\text{Sn}}^{2+}=-\mathrm{0,12} \text{V}$

Zbyt mała różnica wartości potencjałów standardowych - w praktyce reakcje redoks będą zachodzić, jeżeli różnica wartości potencjałów utleniacza i reduktora jest większa niż około 0,2 - 0,3 V (wartość orientacyjna zależy od wielu czynników)

2. Powierzchnia metalu będzie zanieczyszczona (np. tlenkiem), co skutkuje brakiem kontaktu metalu (reduktora) z utleniaczem:
   $\text{Zn}+{\text{Cu}}^{2+}\to \text{Cu}+{\text{Zn}}^{2+}$
   $\text{ZnO}+{\text{Cu}}^{2+}\to \text{brak reakcji}$

   R1HQkgvDh92zz

   Ilustracja przedstawiająca trzy warstwy. Pierwszą od lewej stanowi warstwa cynku, drugą warstewka tlenku cynku <math aria‑label="zet en o">ZnO, zaś trzecią roztwór jonów miedzi na drugim stopniu utlenienia ${\text{Cu}}^{2+}$.

   

3. Powstające w procesie redoks jony metalu będą dawać trudnorozpuszczalny osad: reakcja $\text{Pb}+{\text{CuSO}}_4\to \text{nie zachodzi}$ pomimo dobrze dobranych wartości potencjałów redoks.

R1FMSo7Dts8Ne

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji redoks. Po lewej stronie przedstawiono start reakcji, zaś po prawej stop reakcji. Po lewej stronie znajduje się płytka wykonana z ołowiu, która to zanurzona jest w roztworze siarczanu(<math aria‑label="sześć">VI) miedzi(<math aria‑label=„dwa”>II), zatem w roztworze obecne są jony ${\text{Cu}}^{2+}$ oraz ${\text{SO}}_4^{2-}$. Zachodzi reakcja redoks, w wyniku której ołów ulega utlenieniu do jonów ${\text{Pb}}^{2+}$, zaś kationy miedzi ulegają redukcji do metalicznej miedzi. Przy powierzchni płytki zaczynają się pojawiać jony ${\text{Pb}}^{2+}$, które reagują z jonami ${\text{SO}}_4^{2-}$, dając nierozpuszczalny osad siarczanu ołowiu ${\text{PbSO}}_4$. W prawej części schematu, pomiędzy płytką a roztworem zaznaczono czarną warstwę siarczanu(<math aria‑label="sześć">VI) ołowiu.

1. Proces zachodzi na powierzchni metalu.
   Obserwacja poprawna: „Nalot na powierzchni płytki“
   Obserwacja błędna: „Osad na dnie zlewki“

2. Jeżeli conajmniej jeden z reagentów tworzy barwne kationy (metal pełniący rolę utleniacza lub reduktora, bądź obydwa), wówczas będzie zachodzić zmiana barwy roztworu.
   Obserwacja poprawna: „Stopniowy zanik niebieskiego zabarwienia“
   Obserwacja błędna: „Wydziela się gaz“

RsqWY73CvshMi

Ilustracja przedstawiająca dwie zlewki. W pierwszej znajduje się błękitny roztwór płytka wykonana z cynku, której przekrój zilustrowano poniżej zlewki. Obok znajduje się zlewka z przeźroczystym roztworem, w którym to osad miedzi oblepił szczelnie resztę płytki cynkowej.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1997 i wyd. następne.

Dudek K., Płotek M., Elektrochemia. Repetytorium maturzysty, Kraków 2013.