4: Окислювально-відновна стабільність та окислювально-відновні реакції
- Page ID
- 20058
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
Цілі навчання
- Збалансувати складні окислювально-відновні реакції іонно-електронним методом.
- Зрозумійте періодичні тенденції в рядах активності та електрохімічних рядах.
- Використовуйте рівняння Нернста для визначення потенціалів півкомірки та клітини.
- Виведіть поле стабільності води і використовуйте це для раціоналізації водної окислювально-відновної хімії.
- Побудувати та володіти діаграмами Латімера, використовуючи їх для визначення невідомих значень потенціалу відновлення та швидкого виявлення стабільних та нестабільних видів.
- Побудуйте та володійте діаграмами Фрост, використовуючи їх для виявлення стабільних та нестабільних видів, а також тих, які є сильними окислювачами.
- Побудуйте та володійте діаграмами Пурбе, використовуючи їх для виявлення окислювально-відновлювально-відновних реакцій, реакцій, які є і не залежать від рН, і в кінцевому підсумку для прогнозування та раціоналізації стабільності, реакційної активності, корозії та пасивації.
У окислювально-відновних реакціях один елемент або з'єднання відновлюється (набирає електрони), а інший окислюється (втрачає електрони). Що стосується повсякденного життя, окислювально-відновні реакції відбуваються весь час навколо нас. Наприклад, метаболізм цукрів до\(\ce{CO2}\), який зберігає енергію у вигляді АТФ, є окислювально-відновною реакцією. Іншим прикладом окислювально-відновного впливу є пожежа або згоряння, наприклад, в двигуні автомобіля. У двигуні автомобіля вуглеводні в паливі окислюються до вуглекислого газу і води, в той час як кисень відновлюється до води. Корозія (тобто утворення іржі на залізі) - окислювально-відновна реакція, що включає окислення металу.
- 4.1: Прелюдія до окислювально-відновної стабільності та окислювально-відновних реакцій
- У окислювально-відновних реакціях один елемент або з'єднання відновлюється (набирає електрони), а інший окислюється (втрачає електрони). Що стосується повсякденного життя, окислювально-відновні реакції відбуваються весь час навколо нас. Наприклад, метаболізм цукрів до СО2, який зберігає енергію у вигляді АТФ, є окислювально-відновною реакцією. Іншим прикладом окислювально-відновного впливу є пожежа або згоряння, наприклад, в двигуні автомобіля. У двигуні автомобіля вуглеводні в паливі окислюються до вуглекислого газу і води, в той час як кисень відновлюється до води.
- 4.2: Балансування окислювально-відновних реакцій
- При вивченні окислювально-відновної хімії важливо почати з навчання збалансувати електрохімічні реакції. Прості окислювально-відновні реакції можна збалансувати шляхом огляду, але для більш складних реакцій корисно мати надійний, систематичний метод. Іонно-електронний метод дозволяє збалансувати окислювально-відновні реакції незалежно від їх складності. Проілюструємо цей метод двома прикладами.
- 4.3: Електрохімічні потенціали
- В електрохімічних клітинних та окисно-відновних реакціях, як правило, термодинамічну рушійну силу можна виміряти як потенціал клітини. Хімічні реакції спонтанні в напрямку -ΔG, що також є напрямком, в якому потенціал клітини (визначається як Еанод - Екатод) позитивний. Елемент, що працює в мимовільному напрямку (наприклад, акумулятор, який розряджається) називається гальванічним елементом. Клітини, які рухаються в неспонтанному напрямку, називаються електролітичними клітинами.
- 4.4: Діаграми латімера та Мороза
- Існують два інші види діаграм стійкості окислювально-відновного режиму, крім діаграм Пурбе, відомих як діаграми Латімера та Фрост. Кожна з цих діаграм містить аналогічну інформацію, але одне уявлення може бути корисніше в тій чи іншій ситуації, ніж інші. Діаграми Латімера і Фрост допомагають прогнозувати стабільність щодо більш високих і нижчих ступенів окислення, як правило, при одному фіксованому рН. Діаграми Пурбе допомагають зрозуміти рН-залежні рівноваги, які часто пов'язані з рівновагою розчинності та корозії.
- 4.5: Окислювально-відновні реакції з пов'язаними рівновагами
- Зв'язані рівноваги (розчинність, комплексоутворення, кислотно-лужні та інші реакції) змінюють значення Е°, ефективно змінюючи концентрації іонів вільних металів. Ми можемо використовувати рівняння Нернста для обчислення значення Е° з константи рівноваги для зв'язаної реакції. Крім того, ми можемо виміряти потенціал півкомірки з пов'язаною реакцією і без неї, щоб отримати значення константи рівноваги. Це один з найкращих способів вимірювання значень Ksp, Ka та Kd.
- 4.6: Діаграми Пурбе
- Діаграми Пурбе будують електрохімічну стабільність для різних окислювально-відновних станів елемента в залежності від рН. Як зазначалося вище, ці діаграми по суті є фазовими діаграмами, які будують на карті умови потенціалу та рН (найчастіше у водних розчині), де різні окислювально-відновні види стабільні. Як правило, водні окислювально-відновні реакції наносяться пунктирними лініями на цих більш складних діаграмах для інших елементів.