Сайтът все още се разработва и може да има грешки и неточности. Ако забележиш такава, пиши ни на ninelibera@gmail.com.
Окисление-редукция и електрохимия
⚡ През 1807 г. в Лондон Хъмфри Дейви свързва в огромна батерия стотици медни и цинкови пластини и пуска през парче леко навлажнен поташ (калиев ). На отрицателния електрод се появяват сребристи капчици, които избухват в пламък, щом докоснат въздуха. Според разказа на неговия асистент Дейви танцувал от радост из лабораторията – току-що бил получил калий, метал, който никой преди не бил виждал. Няколко дни по-късно получава натрий, а през следващата година – калций, магнезий, барий и стронций. Токът е принудил елементите да приемат електрони – това е електролиза, обратната страна на батерията.
1. Степен на окисление
В реакциите електроните преминават от един атом към друг. За да следим къде са отишли, на всеки атом приписваме степен на окисление – , който той би имал, ако всички негови връзки бяха йонни, а общите електрони отидеха при по- атом (виж Химична връзка). Записва се със знака отпред: Mn+7, за разлика от заряда на Mn2+.
О
Правила за степените на окисление
1) В простите вещества (Fe, O2, Cl2) степента е 0. 2) Сборът от степените на всички атоми е равен на заряда на частицата – 0 за молекула. 3) Флуорът е винаги −1; алкалните метали са +1, алкалоземните +2, алуминият +3. 4) Водородът обикновено е +1 (в хидридите на металите, напр. NaH, е −1). 5) Кислородът обикновено е −2 (в пероксидите, напр. H2O2, е −1, а в OF2 е +2).
Пример
Каква е степента на окисление на хрома в калиевия дихромат K2Cr2O7 и в дихроматния йон Cr2O72−?
K2Cr2O7: 2⋅(+1)+2x+7⋅(−2)=0⇒2x=12⇒x=+6
Cr2O72−: 2x+7⋅(−2)=−2⇒x=+6 – същото, защото калият е просто K+ до йона.
известни:H⁺¹, O⁻²уравнение:(+1) + 3 · (−2) + x = 0N:+5
Това е най-високата степен тук: елементът може само да приема електрони – тук е само окислител.
💡 Сборът от степените на окисление на всички атоми е равен на заряда на частицата (0 за неутрална молекула). Затова от известните степени (H +1, O −2, алкални метали +1, флуор −1) намираме неизвестната. Колкото по-надясно е частицата, толкова повече електрони „е отдал“ елементът.
Степента на окисление е удобна сметка, а не истински заряд: в CH4 въглеродът е −4, но върху него няма четири електрона в повече. Дробните стойности (като +38 в Fe3O4) са средни за няколко различни атома.
2. Окисление и редукция
О
Окисление, редукция, окислител, редуктор
Окисление е отдаването на електрони – степента на окисление расте. Редукция е приемането на електрони – степента намалява. Двата процеса протичат винаги заедно: колкото електрона отдава едната частица, толкова приема другата. Окислител е частицата, която приема електрони (тя се редуцира); редуктор е частицата, която отдава електрони (тя се окислява).
Пример
Цинкова пластинка в разтвор на меден сулфат се покрива с червеникава мед: Zn+CuSO4→ZnSO4+Cu. Кое се окислява и кое се редуцира?
Йонът SO42− не се променя – съкратено: Zn+Cu2+→Zn2++Cu.
Zn0−2e−→Zn+2 – окисление; цинкът е редуктор.
Cu+2+2e−→Cu0 – редукция; медните йони са окислител.
Типични окислители са веществата с елемент във висока степен на окисление или с голяма електроотрицателност: O2, Cl2, KMnO4, K2Cr2O7, HNO3, концентрираната H2SO4. Типични редуктори са металите, водородът, въглеродът, CO, H2S, йодидите. Горенето, дишането, ръждясването, и работата на всяка батерия са окислително-редукционни процеси.
3. Изравняване с електронен баланс
Т
Метод на електронния баланс
1) Определи степените на окисление и намери елементите, които ги променят. 2) Запиши полуреакциите на окисление и на редукция с броя на електроните. 3) Умножи ги така, че отдадените електрони да са равни на приетите (най-малкото общо кратно). 4) Сложи получените множители като коефициенти пред окислителя и редуктора и техните продукти. 5) Изравни останалите атоми – накрая водорода и кислорода (чрез водата).
Пример
Изравнете Cu+HNO3(разр.)→Cu(NO3)2+NO+H2O.
Менят се медта (0→+2) и азотът (+5→+2).
Cu0−2e−→Cu+2∣×3; N+5+3e−→N+2∣×2 – по 6 електрона.
3Cu+2HNO3→3Cu(NO3)2+2NO – но в солта има още 6 нитрата, които не са се редуцирали.
Общо 2+6=8 молекули HNO3; 8 водородни атома дават 4H2O: 3Cu+8HNO3→3Cu(NO3)2+2NO+4H2O.
1Схема: Al⁰ + O₂⁰ → Al₂⁺³O₃⁻²
💡 Броят на отдадените електрони трябва да е равен на броя на приетите – електрони не изчезват и не се появяват. Затова двете полуреакции се умножават до най-малкото общо кратно на електроните. Оранжевите точки са електроните: отдадените (под сините частици) отиват при приемащите (над червените).
4. Йонно-електронен метод (полуреакции)
Във водни разтвори е по-точно да пишем полуреакциите с реалните частици – йони и молекули. Кислородът и водородът се изравняват с това, което има в средата: в кисела – с H+ и H2O, в основна – с OH− и H2O. Накрая електроните се изравняват с и се проверява и зарядът.
Пример
Изравнете реакцията на перманганат с железни(II) йони в кисела среда: MnO4−+Fe2++H+→Mn2++Fe3++H2O.
Редукция: MnO4−+8H++5e−→Mn2++4H2O – 4 кислородни атома стават 4 молекули вода, за тях са нужни 8 H+; зарядът отляво е −1+8−5=+2, както отдясно.
Окисление: Fe2+−e−→Fe3+∣×5
MnO4−+5Fe2++8H+→Mn2++5Fe3++4H2O; заряд: −1+10+8=+17 и +2+15=+17 ✓
Виолетовият перманганат се обезцветява – по това се вижда краят на титруването. Така се определя желязото (перманганатометрия).
Т
Перманганатът в различна среда
Продуктът на редукцията зависи от средата: в кисела MnO4−→Mn2+ (приема 5e−, разтворът се обезцветява), в неутрална MnO4−→MnO2 (3e−, кафява утайка), в силно основна MnO4−→MnO42− (1e−, зелен разтвор).
5. Ред на активност и електродни потенциали
Колко лесно металът отдава електрони във воден , се измерва със стандартния електроден потенциалE∘ – между метала в разтвор на своите йони (1 mol/L, 25 °C) и стандартния водороден електрод, чийто е приет за нула. Колкото по-отрицателен е E∘, толкова по-активен е металът.
метал
Li
K
Ca
Na
Mg
Al
Zn
Fe
Ni
Sn
Pb
H₂
Cu
Ag
Hg
Au
E∘,V
−3,04
−2,93
−2,87
−2,71
−2,37
−1,66
−0,76
−0,44
−0,26
−0,14
−0,13
0
+0,34
+0,8
+0,85
+1,5
Т
Какво следва от реда на активност
1) Металите преди водорода (с E∘<0) изтласкват водород от разредени киселини като HCl и H2SO4; медта, среброто и златото – не. 2) По-активният метал изтласква по-малко активния от разтворите на солите му: Fe+CuSO4→FeSO4+Cu, но Cu+FeSO4 не реагира. 3) Най-активните метали (K, Na, Ca) реагират направо с водата.
Внимание: потенциалът казва дали реакцията е възможна, а не колко бързо протича. Литият има най-отрицателния потенциал, но с водата реагира по-спокойно от натрия и калия, а алуминият е защитен от тънък оксиден слой.
6. Галваничен елемент
Ако цинкът и медните йони са в отделни чаши, електроните не могат да прескочат направо – те минават по и вършат работа. Това е галваничният елемент: химична енергия се превръща в електрична. Неговото и вътрешното му разглеждаме във физиката, в урока Постоянен ток.
О
Анод, катод и напрежение на елемента
Анод е електродът, на който протича окисление; катод – електродът, на който протича редукция. В галваничния елемент анодът е по-активният метал и е отрицателен полюс, а катодът е положителен. Електроните текат по външната верига от анода към катода, а солевият мост затваря веригата с йони. Стандартното напрежение е E∘=Eкатод∘−Eанод∘.
Пример
Елементът на Даниел: цинк в разтвор на ZnSO4 и мед в разтвор на CuSO4. Кой е анодът и какво е напрежението?
E∘(Zn)=−0,76V<E∘(Cu)=+0,34V – цинкът е анод (−), медта е катод (+).
Анод: Zn−2e−→Zn2+; катод: Cu2++2e−→Cu
E∘=0,34−(−0,76)=1,10V. С времето цинковата пластинка изтънява, а медната расте.
💡 Металът с по-нисък (по-отрицателен) стандартен потенциал е по-активен: той се окислява и е анод. Електроните текат по проводника от анода към катода, а солевият мост затваря веригата с йони. Числата са стандартните потенциали при 25 °C и концентрации 1 mol/L.
Т
Уравнение на Нернст (за напреднали)
При концентрации, различни от 1 mol/L, напрежението се променя: E=E∘−n0,0592lgQ при 25 °C, където n е броят на пренесените електрони, а Q е отношението на концентрациите на продуктите и изходните йони (за елемента на Даниел Q=[Cu2+][Zn2+]). Свързано е и с енергията на Гибс: ΔG∘=−nFE∘ – положително напрежение означава, че реакцията протича сама.
7. Електролиза
При електролизата е обратно: външен източник на ток принуждава да протече реакция, която сама не би протекла. Катодът е свързан с минуса на източника и на него приемат електрони (редукция); анодът е свързан с плюса и на него или водата отдават електрони (окисление).
Електролизира се
Катод (−)
Анод (+)
Продукти
стопилка NaCl
Na++e−→Na
2Cl−−2e−→Cl2
натрий и хлор
разтвор на NaCl
2H2O+2e−→H2+2OH−
2Cl−−2e−→Cl2
водород, хлор; в разтвора остава NaOH
разтвор на CuSO₄
Cu2++2e−→Cu
2H2O−4e−→O2+4H+
мед, кислород; остава H₂SO₄
разтвор на CuSO₄, меден анод
Cu2++2e−→Cu
Cu−2e−→Cu2+
медта се пренася от анода на катода
Т
Какво се отделя при електролиза на воден разтвор
На катода: йоните на металите след водорода в реда на активност (Cu, Ag) се редуцират до метал; при най-активните (до Al) вместо тях се редуцира водата и се отделя водород; при металите между тях (Zn, Fe, Ni) често се отделят и двете. На инертен анод: Cl−, Br−, I− се окисляват до халоген; при кислородсъдържащи аниони (SO42−, NO3−) се окислява водата и се отделя кислород.
Т
Закон на Фарадей за електролизата
Масата на веществото, отделено на електрод, е пропорционална на преминалия заряд Q=It: m=zFMIt, където z е броят на електроните за една частица, а F=96485C/mol (константата на Фарадей) е зарядът на един мол електрони, F=NAe.
Пример
През разтвор на CuSO4 протича ток 2 A в продължение на 1 час. Колко мед се отлага на катода?
Q=It=2⋅3600=7200C; n(e−)=964857200≈0,0746mol
Cu2++2e−→Cu: n(Cu)≈0,0373mol
m≈0,0373⋅63,5≈2,37g
С електролиза се получават алуминият, натрият, хлорът и натриевата основа, пречиства се медта (меден анод се разтваря, а чиста мед се отлага на катода) и се нанасят покрития – хромиране, никелиране, позлатяване.
8. Корозия
Корозията е самопроизволното окисление на металите от околната среда. Желязото ръждясва, когато има едновременно вода и кислород: по повърхността му се образуват малки галванични елементи, в които желязото е анод. Солта (например по пътищата през зимата) ускорява процеса, защото разтворът провежда ток по-добре.
Т
Защита от корозия
1) Покритие, което спира водата и кислорода – боя, масло, емайл. 2) Поцинковане: цинкът е по-активен от желязото и при драскотина се окислява той, а не желязото. 3) Протекторна защита: към корпуса на кораба или бойлера се закрепва блок от по-активен метал (Mg, Zn), който се „жертва“. 4) Калайдисване (консервени кутии) пази само докато е цяло: калаят е по-малко активен от желязото и при драскотина желязото ръждясва дори по-бързо.
9. Тренажор
Степени на окисление, напрежение на галваничен елемент, маса по закона на Фарадей и коефициенти по електронен баланс. Отрицателните числа въвеждай с минус (−3), десетичните – като 1,1.
✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0
Al∣Al3+∥Ni2+∣Ni
Какво е стандартното напрежение на елемента (във волтове)?
10. Електрохимия около нас
Батерии, бижута, алуминиеви кутийки и ръждясали велосипеди – навсякъде електроните се местят.
0 / 6
💍 Посребряване на лъжичка
Лъжичка е катод в разтвор на сребърна сол. През разтвора протича ток 0,5 A в продължение на 30 минути. Колко грама сребро се отлагат върху нея? (F=96485C/mol)
🥫 Енергия за кутийка алуминий
Алуминият се получава чрез електролиза на стопен Al2O3 (разтворен в криолит). Колко заряд (в мегакулона) е нужен за 1 kg алуминий? Колко kWh електроенергия са нужни при напрежение 4 V?
🔋 Колко цинк изяжда батерията
В цинковите батерии анодът е от цинк: Zn−2e−→Zn2+. Батерия е отдала заряд 2000 mAh. Колко грама цинк са се окислили?
🔩 Пирон в меден разтвор
Железен пирон е потопен в разтвор на CuSO4: Fe+CuSO4→FeSO4+Cu. Медта се отлага върху пирона и масата му нараства с 0,4 g. Колко грама мед са се отложили?
🚲 Ръждясалият велосипед
Приемете, че ръждата е Fe2O3: 4Fe+3O2→2Fe2O3. Колко грама кислород поемат 1000 g желязо, ако ръждясат напълно, и колко грама ръжда се получават?
💧 Водород от вода
При електролиза на подкиселена вода протича ток 2 A в продължение на 1 час. Колко литра водород и колко литра кислород (при нормални условия) се отделят?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
11. ⚠️ Чести грешки
Окислителят се окислява
✗ Окислителят отдава електрони.
✓ Окислителят приема електрони и сам се редуцира; редукторът се окислява.
Степен и заряд
✗ Mn2+ и Mn+2 са едно и също записано.
✓ Знакът отзад е заряд на йона, отпред – степен на окисление; в KMnO4 няма йон Mn7+.
Кислородът винаги −2
✗ В H2O2 кислородът е −2, водородът +2.
✓ В пероксидите кислородът е −1; водородът е +1.
Цялата HNO₃ е окислител
✗ 3Cu+2HNO3 – по баланса.
✓ Част от киселината остава в солта: 3Cu+8HNO3.
Знакът на анода
✗ Анодът винаги е минус.
✓ Анодът е там, където е окислението: в батерията е −, при електролиза е +.
Натрий от разтвор
✗ При електролиза на разтвор на NaCl на катода се отделя натрий.
✓ Натрий се получава само от стопилка; от разтвора се отделя водород.
Напрежението се умножава
✗ За 2Ag++2e− потенциалът е 2⋅0,80.
✓ E∘ не зависи от коефициентите: остава 0,80V.
z в закона на Фарадей
✗ За Al: m=FMIt
✓ За Al3+ трябват 3 електрона: m=3FMIt
12. 🎯 Бърз тест
1 / 9✓ 0
Каква е степента на окисление на мангана в KMnO4?
Избери отговор (или натисни 1–4)
13. 📝 Задачи за упражнение
0 / 0
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
14. Обобщение
✓ Степента на окисление е условният заряд на атома; сборът в частицата е равен на заряда ѝ
✓ Окисление – отдаване на електрони; редукция – приемане. Окислителят се редуцира, редукторът се окислява
✓ Електронен баланс: отдадените електрони = приетите; в разтвори – полуреакции с H+, OH− и вода
✓ По-отрицателен E∘ – по-активен метал; той изтласква по-малко активните от солите им
✓ Галваничен елемент: анод (−) е по-активният метал, E∘=Eкатод∘−Eанод∘
✓ Електролиза: на катода – редукция, на анода – окисление; m=zFMIt, F=96485C/mol
✓ Корозията е окисление на метала; пази се с покрития, поцинковане и протектори
💡 Интересен факт
Статуята на свободата е огромен галваничен елемент, който едва не я разрушава. Медната ѝ обвивка е закрепена за железен скелет, а между тях е имало изолация от напоен с шеллак азбест. С годините изолацията се разпада, морският въздух с неговата сол става и желязото – по-активният метал – корозира бързо. При реставрацията през 80-те години на XX век железните ленти са сменени с неръждаема . А зеленият цвят на статуята е патина – слой от медни соли, който всъщност пази медта под себе си.