Definicje: Redoks i elektrochemia

Kolejne kroki

1. ustal stopnie utlenienia i wskaż atomy, które je zmieniają,
2. zapisz reakcje połówkowe: utlenianie (oddawanie e$^-$) i redukcję (pobieranie e$^-$),
3. zbilansuj liczbę elektronów (dobierz mnożniki, by oddane = pobrane),
4. przenieś współczynniki do równania i uzupełnij pozostałe (jony widzowie, wodór, tlen).

Przykład

$\text{Fe} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{FeCl}_3$:

• utlenianie: $\text{Fe}^0 \to \text{Fe}^{+3} + 3\text{e}^-$ (×2),
• redukcja: $\text{Cl}_2 + 2\text{e}^- \to 2\text{Cl}^-$ (×3).

Po zbilansowaniu: $2\text{Fe} + 3\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{FeCl}_3$.

Elektrody podczas elektrolizy

• Katoda (−) — podłączona do bieguna ujemnego źródła; zachodzi na niej redukcja (kationy pobierają elektrony),
• Anoda (+) — podłączona do bieguna dodatniego; zachodzi na niej utlenianie (aniony oddają elektrony).

Uwaga na znaki elektrod

Zasada „anoda–utlenianie, katoda–redukcja" obowiązuje zawsze, ale znaki elektrod są w elektrolizie odwrotne niż w ogniwie: tu katoda jest ujemna, a anoda dodatnia.

Przykład

Elektroliza stopionego $\text{NaCl}$: na katodzie $\text{Na}^+ + \text{e}^- \rightarrow \text{Na}$, na anodzie $2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2\text{e}^-$.

Rdzewienie żelaza

Żelazo w wilgotnym powietrzu utlenia się do uwodnionego tlenku żelaza(III) — rdzy. Warunkami koniecznymi są jednocześnie woda i tlen; sól (elektrolit) przyspiesza proces.

Metody ochrony przed korozją

• powłoki ochronne — malowanie, smarowanie, pokrywanie innym metalem (cynkowanie, chromowanie),
• ochrona protektorowa (katodowa) — łączenie z metalem aktywniejszym (np. Zn, Mg), który koroduje zamiast chronionego,
• stopy odporne — np. stal nierdzewna (z dodatkiem chromu i niklu),
• usuwanie wilgoci i tlenu ze środowiska.

Elektrody

• Anoda — elektroda, na której zachodzi utlenianie. W ogniwie jest biegunem ujemnym (−).
• Katoda — elektroda, na której zachodzi redukcja. W ogniwie jest biegunem dodatnim (+).

Ogniwo Daniella

Klasyczny przykład: elektroda cynkowa w roztworze $\text{ZnSO}_4$ i miedziana w $\text{CuSO}_4$, połączone kluczem elektrolitycznym:

• anoda (Zn, −): $\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{e}^-$ (utlenianie),
• katoda (Cu, +): $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$ (redukcja).

Elektrony płyną w obwodzie zewnętrznym od anody (Zn) do katody (Cu).

SEM ogniwa

Siła elektromotoryczna (SEM) to napięcie ogniwa. Obliczamy ją jako różnicę potencjałów standardowych katody i anody:

$\text{SEM} = E^\circ_{\text{katody}} - E^\circ_{\text{anody}}$

Elektroda o wyższym potencjale jest katodą, o niższym — anodą. Dla ogniwa (reakcji samorzutnej) SEM $> 0$.

Przykład (ogniwo Daniella)

$E^\circ(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0{,}34\ \text{V}$, $\;E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\ \text{V}$:

$\text{SEM} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10\ \text{V}$.

Reguły ustalania

• pierwiastek w stanie wolnym: 0 (np. $\text{O}_2$, $\text{Fe}$, $\text{H}_2$),
• jon prosty: stopień = ładunek jonu (np. $\text{Na}^+ \to +\text{I}$),
• tlen: zwykle $-\text{II}$ (w nadtlenkach $-\text{I}$),
• wodór: zwykle $+\text{I}$ (w wodorkach metali $-\text{I}$),
• fluor: zawsze $-\text{I}$.

Reguła sumy

• w obojętnej cząsteczce suma stopni utlenienia wszystkich atomów = 0,
• w jonie złożonym suma = ładunek jonu.

Uproszczony szereg

$\text{K} \; \text{Ca} \; \text{Na} \; \text{Mg} \; \text{Al} \; \text{Zn} \; \text{Fe} \; \text{(H)} \; \text{Cu} \; \text{Ag} \; \text{Au}$

Wodór (H) stanowi ważny punkt odniesienia.

Dwie ważne reguły

• metale przed wodorem wypierają wodór z kwasów (np. $\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2$); metale za wodorem (Cu, Ag, Au) — nie,
• metal aktywniejszy wypiera mniej aktywny z roztworu jego soli (np. $\text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$).

Kto jest kim

• Reduktor — oddaje elektrony, sam się utlenia,
• Utleniacz — pobiera elektrony, sam się redukuje.

Przykład

W reakcji $\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}$:

• $\text{Zn}$ oddaje 2 elektrony ($0 \to +\text{II}$) — jest reduktorem (utlenia się),
• $\text{Cu}^{2+}$ pobiera 2 elektrony ($+\text{II} \to 0$) — jest utleniaczem (redukuje się).