Przeczytaj
Procesy redoks
Procesy 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 utlenieniastopniach utlenienia, w reakcjach mogą pełnić wyłącznie rolę reduktora.
Ustalenie, czy dana reakcja metalu z roztworem soli innego metalu będzie zachodzić, wymaga spełnienia szeregu warunków.
Potencjał standardowy
Przede wszystkim użyty metal (reduktor) musi mieć niższą wartość potencjału standardowegopotencjału standardowego niż jon metalu wchodzący w skład soli (utleniacz).
Przeanalizujmy dwa przykłady:
Objawy świadczące o przebiegu reakcji chemicznej będzie można zauważyć tylko w zestawie nr 1. Wartość potencjału standardowego układuukładu wynosi i jest niższa niż wartość potencjału układu (). Oznacza to, że metaliczny cynk może redukować jony miedzi() – jednocześnie jony miedzi() 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(). Ponadto jony cynku() są słabszym utleniaczem niż jony miedzi(), co oznacza, że nie mogą one utlenić metalicznej miedzi do jonów .
Różnica wartości potencjałów między utleniaczem a reduktorem powinna być większa niż około , inaczej dana reakcja nie będzie praktycznie zachodzić.
Przeanalizujmy kolejne dwa przykłady:
1.
2.
Okazuje się, że nie zaobserwujemy objawów reakcji w żadnym z przykładów, ze względu na niewielką różnicę wartości potencjałów – około .
Dostęp do powierzchni metalu
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(). 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 ) do powierzchni cynku.
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.
Rozpuszczalność w wodzie
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.
Ograniczenia w reakcjach metali z solami metali
Reakcje, które można przewidzieć z przesłanek teoretycznych, nie będą zachodzić jeżeli:
Różnica wartości potencjałów standardowych będzie niewielka:
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)
Powierzchnia metalu będzie zanieczyszczona (np. tlenkiem), co skutkuje brakiem kontaktu metalu (reduktora) z utleniaczem:
R1HQkgvDh92zz Powstające w procesie redoks jony metalu będą dawać trudnorozpuszczalny osad: reakcja pomimo dobrze dobranych wartości potencjałów redoks.
Błędy w obserwacjach
Proces zachodzi na powierzchni metalu.
Obserwacja poprawna: „Nalot na powierzchni płytki“
Obserwacja błędna: „Osad na dnie zlewki“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“
Słownik
reakcja chemiczna, w której następuje przekazanie elektronów pomiędzy substratami; cząsteczki lub jony oddające elektrony to reduktory; natomiast indywidua przyjmujące elektrony to utleniacze; w trakcie reakcji redoks część atomów zmienia swój stopień utlenienia
liczba elementarnych ładunków, jaką posiadałby atom danego pierwiastka, zakłądając, że wszystkie wiązania tworzone przez ten atom sa jonowe
proces, w którym reagent oddaje elektrony, przez co podwyższa swój stopień utlenienia; reagent, który podczas reakcji redoks ulega utlenieniu to reduktor – ponieważ oddaje elektrony, wywołując redukcję innej cząsteczki (atomu) bądź jonu
proces, w którym reagent przyjmuje elektrony, przez co obniża swój stopień utlenienia; reagent, który podczas reakcji redoks ulega redukcji to utleniacz – ponieważ przyjmuje elektrony, wywołując utlenienie innej cząsteczki (atomu) bądź jonu
układ zawierający formę utlenioną i zredukowaną danej substancji,
np:
zestawienie par redoksowych według zdolności utleniających form utlenionych oraz właściwości redukujących form zredukowanych metali; szereg elektrochemiczny jest związany ze skalą standardowych potencjałów redoks
miara zdolności utleniających i redukujących składników pary redoksowej; niskie wartości (silnie ujemne) charakteryzują takie układy, gdzie forma zredukowana jest silnym reduktorem (dawcą elektronów, stąd ujemne wartości); wysokie dodatnie wartości potencjałów oznaczają, że forma utleniona jest silnym utleniaczem (akceptorem elektronów, stąd wartości dodatnie); wartość została umownie określona jako potencjał układu , dzięki czemu wszystkie metale o ujemnych potencjałach redoks reagują z kwasami nieutleniającymi (np. , ); metale o dodatnim potencjale redoks nie ulegają działaniu kwasów nieutleniających, mogą natomiast reagować z kwasami utleniającymi, np. lub stężonym .
Bibliografia
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1997 i wyd. następne.
Dudek K., Płotek M., Elektrochemia. Repetytorium maturzysty, Kraków 2013.