Reactii de oxido reducere - Potentiale standard de electrod, Seria potentialelor electrochimice ale metalelor, Pile electrochimice

Reactii de oxido reducere

Procesul de oxidare este transformarea ce are loc cu cedare de electroni. In procesul de oxidare, numarul de oxidare creste.
Procesul de reducere este transformarea ce are loc cu acceptare de electroni. In procesul de reducere, numarul de oxidare scade.

Specia chimica (atom, ion) care cedeaza electronii acceptati in procesul de reducere, favorizand astfel reactia de reducere, se numeste reducator sau agent reducator. Agentul reducator se oxideaza.

Specia chimica (atom, ion) care accepta electronii cedati in procesul de oxidare, favorizand astfel procesul de oxidare, se numeste oxidant sau agent oxidant. Agentul oxidant se reduce.

Ansamblul format dintr-un oxidant (Ox) si reducatorul conjugat lui (Red) se numeste cuplu oxidant - reducator sau cuplu redox.

Ox + ne^- → Red

Intr-un cuplu redox, reducatorul este donorul de electroni, iar oxidantul este acceptorul de electroni.

Potentiale standard de electrod

Electrochimia este un capitol al chimiei care studiaza transformarile reciproce dintre energia chimica si energia electrica.

Electrozi

In electrochimie, prin electrod se intelege ansamblul format dintr-un conductor electronic si solutia electrolitului din jurul sau.

Un conductor electronic conduce curentul electric prin intermediul electronilor. Metalele si grafitul sunt conductori electronici.

Electrolitii conduc curentul electric in stare topita sau in solutie prin intermediul ionilor. Electrolitii pot fi: saruri, acizi sau baze.

Se numeste potential de electrod diferenta de potential electric dintre reducator si oxidant, datorata schimbului de electroni dintre aceste specii chimice. Valoarea absoluta a acestui potential nu se poate determina. Pentru determinarea valorilor relative ale potentialelor de electrod, s-a ales ca potential de referinta potentialul electrodului normal de hidrogen, a carui valoare este considerata arbitrar egala cu zero.

Diferenta de potential dintre potentialul unui electrod standard si potentialul electrodului normal de hidrogen este numita potential standard de electrod si poate fi determinata experimental. Se noteaza cu E.

Pentru speciile chimice (atomi, ioni) care au tendinta de a se oxida (de a ceda electroni) mai mare decat a hidrogenului, potentialul de oxidare este considerat pozitiv, iar potentialul de reducere negativ. Pentru speciile chimice (atomi, ioni) care au tendinta de a se oxida (de a ceda electroni) mai mica decat a hidrogenului, potentialul de oxidare este considerat negativ, iar potentialul de reducere pozitiv.

Speciile chimice cu potentiale de oxidare negative si, in consecinta, cu potentiale de reducere pozitive au tendinta de a se reduce (de a accepta electroni) mai mare decat cea a ionilor H⁺.

Pentru un cuplu reducator-oxidant, potentialul standard de oxidare este egal ca marime si de semn opus cu potentialul standard de reducere: E_0x= -E_Red. Potentialele standard de electrod, de oxidare sau de reducere, sunt o masura a puterii reducatoare sau oxidante a unei specii chimice, adica a tendintei acesteia de a ceda electroni sau de a accepta electroni. Cu cat potentialul de oxidare pozitiv este mai mare cu atat specia considerata are tendinta de a ceda electroni mai accentuata si este un agent reducator mai puternic.

Speciile chimice caracterizate prin potentiale de reducere mici sunt agenti reducatori puternici, iar speciile chimice caracterizate prin potentiale de reducere mari sunt agenti oxidanti puternici.

Cu cat potentialul de reducere al unui cuplu redox este mai mare, cu atat oxidantul din cuplu este mai puternic si reducatorul din cuplu este mai slab. Cu cat potentialul de reducere al unui cuplu redox este mai mic, cu atat oxidantul din cuplu este mai slab si reducatorul din cuplu este mai puternic.

Seria potentialelor electrochimice ale metalelor

Reactivitatea metalelor fata de anumiti compusi chimici poate fi comparata cunoscand pozitia lor in seria potentialelor standard de reducere.

Metalele suntelemente cu caracter electropozitiv, atomii lor au proprietatea de a ceda electroni si de a se transforma in ioni pozitivi. Astfel, atomii metalelor se oxideaza si metalele sunt agenti reducatori.

Caracterul electropozitiv al metalelor si odata cu el caracterul lor reducator variaza de la un metal la altul si depinde de configuratia electronica a atomului de metal. O masura a acestei proprietati poate fi potentialul standard de electrod.

Metalele sunt asezate in ordinea creascatoare a potentialelor lor standard de reducere intr-o serie numita seria activitatii metalelor sau seria potentialelor electrochimice ale metalelor sau seria Beketov Volta. La inceputul seriei, se afla metalele cu cel mai accentuat caracter reducator. Atomii acestor metale cedeaza foarte usor electroni. Aceste elemente au cele mai mici valori ale electronegativitatii si caracterul metalic cel mai accentuat.

La sfarsitul seriei, se afla metalele cu cel mai slab caracter reducator. Atomii acestor metale cedeaza greu electroni. Aceste metale (Ag, Pt, Au) au cel mai slab caracter metalic si sunt numite metale nobile.

Un metal scoate din ionii lor, aflati in solutie, metalele care urmeaza dupa el in seria potentialelor electrochimice ale metalelor.Aceste metale au potentiale standard de reducere mai mari decat potentialul standard de reducere al metalului considerat. Un metal este scos din ionii sai, aflati in solutie, de metalele care il preced in seria potentialelor electrochimice ale metalelor. Aceste metale au potentiale standard de reducere mai mici decat potentialul standard I de reducere al metalului considerat.

Metalele care preced hidrogenul in seria potentialelor electrochimice ale metalelor (metale cu protentiale standard de reducere negative) substituie hidrogenul din apa si acizi.

Metalele care urmeaza dupa hidrogen in seria potentialelor electrochimice ale metalelor (metale cu potentiale standard de reducere pozitive) nu substituie hidrogenul din apa si acizi.

Intr-o reactie redox, reducatorul (Red1) mai puternic cedeaza electroni oxidantului (Ox₂) mai puternic, formand oxidantul (Ox1) mai slab si reducatorul (Red₂) mai slab.

Pile electrochimice

O pila electrochimica este formata din doi electrozi cu potentiale de reducere diferite.

Electrodul cu potential de reducere mai mic reprezinta anodul pilei. La acest electrod, are loc procesul de oxidare. Anodul constituie borna negativa a pilei.

Electrodul cu potential de reducere mai mare reprezinta catodul pilei. La acest electrod, are loc procesul de reducere. Catodul constituie borna pozitiva a pilei.

Puntea de sare are rolul de a asigura neutralitatea solutiilor de electroliti din cele doua semicelule.

Tensiunea electromotoare a unei pile electrochimice se calculeaza dupa relatiile:

a) E = E_catod^red E_anod^red

unde E_catod^red este potentialul de reducere al electrodului la care are loc reducerea, iar E_anod^red

este potentialul de reducere al electrodului la care are loc oxidarea;

b) E = E_an^x_od + E_catod^red

unde E_an^x_od este potentialul de oxidare al electrodului la care are loc oxidarea, iar E_catod^red este potentialul de reducere al electrodului la care are loc reducerea.

Potentialul unui electrod se determina practic prin masurarea tensiunii electromotoare a pilei formate din electrodul considerat si electrodul normal de hidrogen. Daca tensiunea electromotoare a pilei bazata pe o reactie chimica este pozitiva, reactia este spontana in sensul considerat si poate fi generatoare de curent electric.

Daca tensiunea electromotoare a pilei bazata pe o reactie chimica este negativa, reactia nu este spontana in sensul considerat. Este spontana reactia in sens invers.

Electroliza - proces redox

Electrolitii sunt substante care conduc curentul electric in solutie sat topitura prin intermediul ionilor. Din aceasta categorie de substante fac parte sarurile, acizii si bazele.

Electroliza este un proces complex ce are loc la trecerea curentului electric prin topitura sau solutia unui electrolit si consta in:

migrarea ionilor la electrozi (ionii negativi migreaza spre anod, II A(+), motiv pentru care se numesc si anioni, iar ionii pozitivi migreaza j spre catod, C(-), motiv pentru care se numesc cationi);

descarcarea (neutralizarea) ionilor la electrozi (la anod are loc] procesul de oxidare a anionilor, iar la catod procesul de reducere a j cationilor);

formarea moleculelor stabile.

Descarcarea ionilor la electrozi, in procesul de electroliza, il asigura inchiderea circuitului electric prin solutia sau prin topitura electrolitilor.

Ionii se descarca la electrozi intr-o anumita ordine.

La anod, unde are loc oxidarea, anionii se descarca in ordinea crescatoare a potentialului de reducere, adica se descarca mai intai anionii cu potentiale de reducere mai mici.

La catod, unde are loc reducerea, cationii se descarca in ordini descrescatoare a potentialelor de reducere, adica se descarca mai intai cationii cu potentiale de reducere mai mari.

Legile electrolizei

1. Masele de substante depuse la electrozi sunt proportionale cu sarcina electrica transportata prin celula electrolitica.

m = k*I*t

Factorul K se numeste echivalent electrochimie si reprezinta masa de substanta depusa la electrod Ia trecerea unei sarcini electrice de 1C. Sarcina electrica Q este proportionala cu intensitatea curentului electric (I) si cu timpul (t) cat trece curentul electric prin celula electrolitica. Q = I*t

Prin urmare, se depun la electrozi cantitati de substanta mai mari daca creste intensitatea curentului electric si daca creste timpul cat dureaza

2. La trecerea aceleiasi sarcini electrice prin mai multe celule electrolitice legate in serie, se depun la electrozi mase de substante proportionale cu echivalentii lor chimici.

Cantitatea dintr-un element exprimata m grame, care dupa caz, cedeaza, accepta sau pune in comun numarul lui Avogadro (6,02240²³) electroni, reprezinta echivalentul gram al unui element,