MÄÄRITELMÄ
Hapetustila on kvantitatiivinen arvio yhdisteen kemiallisen alkuaineen atomin tilasta sen elektronegatiivisuuden perusteella.
Se vaatii sekä positiivisia että negatiivisia arvoja. Yhdisteen alkuaineen hapetusasteen ilmaisemiseksi sinun on asetettava arabialainen numero vastaavalla merkillä ("+" tai "-") sen symbolin yläpuolelle.
On muistettava, että hapetustila on määrä, jolla ei ole fyysistä merkitystä, koska se ei heijasta atomin todellista varausta. Tätä käsitettä käytetään kuitenkin hyvin laajasti kemiassa.
Taulukko kemiallisten alkuaineiden hapetusasteista
Suurin positiivinen ja pienin negatiivinen hapetusaste voidaan määrittää käyttämällä jaksollista taulukkoa D.I. Mendelejev. Ne ovat yhtä suuria kuin sen ryhmän numero, jossa elementti sijaitsee, ja vastaavasti "korkeimman" hapetusasteen arvon ja luvun 8 välinen erotus.
Jos tarkastelemme kemiallisia yhdisteitä tarkemmin, niin aineissa, joissa on ei-polaarisia sidoksia, alkuaineiden hapetusaste on nolla (N 2, H 2, Cl 2).
Metallien hapetusaste alkuainetilassa on nolla, koska elektronitiheysjakauma niissä on tasainen.
Yksinkertaisissa ioniyhdisteissä niihin sisältyvien alkuaineiden hapetusaste on yhtä suuri kuin sähkövaraus, koska näiden yhdisteiden muodostumisen aikana tapahtuu lähes täydellinen elektronien siirtymä atomista toiseen: Na +1 I -1, Mg +2Cl-12, Al+3F-13, Zr+4Br-14.
Määritettäessä alkuaineiden hapetusastetta yhdisteissä, joissa on polaarisia kovalenttisia sidoksia, niiden elektronegatiivisuusarvoja verrataan. Koska kemiallisen sidoksen muodostumisen aikana elektronit siirtyvät elektronegatiivisempien alkuaineiden atomeihin, jälkimmäisillä on negatiivinen hapetustila yhdisteissä.
On alkuaineita, joille on ominaista vain yksi hapetusaste (fluori, ryhmien IA ja IIA metallit jne.). Fluorilla, jolle on tunnusomaista suurin elektronegatiivisuusarvo, yhdisteissä on aina vakio negatiivinen hapetusaste (-1).
Alkali- ja maa-alkalielementeillä, joille on ominaista suhteellisen alhainen elektronegatiivisuusarvo, on aina positiivinen hapetusaste, joka on vastaavasti (+1) ja (+2).
On kuitenkin olemassa myös kemiallisia alkuaineita, joille on tunnusomaista useat hapetusasteet (rikki - (-2), 0, (+2), (+4), (+6) jne.).
Jotta olisi helpompi muistaa, kuinka monta ja mitkä hapetustilat ovat ominaisia tietylle kemialliselle alkuaineelle, käytä kemiallisten alkuaineiden hapetustilataulukoita, jotka näyttävät tältä:
|
Sarjanumero |
venäjä / englanti Nimi |
Kemiallinen symboli |
Hapetustila |
|
Vety |
|||
|
Helium |
|||
|
Litium |
|||
|
Beryllium |
|||
|
(-1), 0, (+1), (+2), (+3) |
|||
|
Hiili |
(-4), (-3), (-2), (-1), 0, (+2), (+4) |
||
|
Typpi / typpi |
(-3), (-2), (-1), 0, (+1), (+2), (+3), (+4), (+5) |
||
|
Happi |
(-2), (-1), 0, (+1), (+2) |
||
|
Fluori |
|||
|
Natrium/natrium |
|||
|
Magnesium / Magnesium |
|||
|
Alumiini |
|||
|
Pii |
(-4), 0, (+2), (+4) |
||
|
Fosfori / Fosfori |
(-3), 0, (+3), (+5) |
||
|
Rikki/rikki |
(-2), 0, (+4), (+6) |
||
|
Kloori |
(-1), 0, (+1), (+3), (+5), (+7), harvoin (+2) ja (+4) |
||
|
Argon / Argon |
|||
|
Kalium/Kalium |
|||
|
Kalsium |
|||
|
Scandium / Scandium |
|||
|
Titaani |
(+2), (+3), (+4) |
||
|
Vanadiini |
(+2), (+3), (+4), (+5) |
||
|
Chrome / Chromium |
(+2), (+3), (+6) |
||
|
Mangaani / mangaani |
(+2), (+3), (+4), (+6), (+7) |
||
|
Rauta |
(+2), (+3), harvinainen (+4) ja (+6) |
||
|
Koboltti |
(+2), (+3), harvoin (+4) |
||
|
Nikkeli |
(+2), harvinainen (+1), (+3) ja (+4) |
||
|
Kupari |
+1, +2, harvinainen (+3) |
||
|
Gallium |
(+3), harvinainen (+2) |
||
|
germanium / germanium |
(-4), (+2), (+4) |
||
|
Arseeni/Arseeni |
(-3), (+3), (+5), harvoin (+2) |
||
|
Seleeni |
(-2), (+4), (+6), harvoin (+2) |
||
|
Bromi |
(-1), (+1), (+5), harvoin (+3), (+4) |
||
|
Kryptoni / kryptoni |
|||
|
Rubidium / Rubidium |
|||
|
Strontium / Strontium |
|||
|
yttrium / yttrium |
|||
|
Zirkonium / Zirkonium |
(+4), harvinainen (+2) ja (+3) |
||
|
Niobium / Niobium |
(+3), (+5), harvinainen (+2) ja (+4) |
||
|
Molybdeeni |
(+3), (+6), harvinainen (+2), (+3) ja (+5) |
||
|
Teknetium / teknetium |
|||
|
Rutenium / ruteeni |
(+3), (+4), (+8), harvinainen (+2), (+6) ja (+7) |
||
|
Rodium |
(+4), harvinainen (+2), (+3) ja (+6) |
||
|
Palladium |
(+2), (+4), harvoin (+6) |
||
|
Hopea |
(+1), harvinainen (+2) ja (+3) |
||
|
Kadmium |
(+2), harvinainen (+1) |
||
|
Indium |
(+3), harvinainen (+1) ja (+2) |
||
|
Tina / Tina |
(+2), (+4) |
||
|
Antimoni / Antimoni |
(-3), (+3), (+5), harvoin (+4) |
||
|
Telluuri / Telluuri |
(-2), (+4), (+6), harvoin (+2) |
||
|
(-1), (+1), (+5), (+7), harvoin (+3), (+4) |
|||
|
Xenon / Xenon |
|||
|
Cesium |
|||
|
Barium / Barium |
|||
|
Lantaani / Lantaani |
|||
|
Cerium |
(+3), (+4) |
||
|
Praseodyymi / Praseodyymi |
|||
|
Neodyymi / Neodyymi |
(+3), (+4) |
||
|
Promethium / Promethium |
|||
|
Samarium / Samarium |
(+3), harvinainen (+2) |
||
|
Europium |
(+3), harvinainen (+2) |
||
|
Gadolinium / Gadolinium |
|||
|
Terbium / Terbium |
(+3), (+4) |
||
|
Dysprosium / Dysprosium |
|||
|
Holmium |
|||
|
Erbium |
|||
|
Thulium |
(+3), harvinainen (+2) |
||
|
Ytterbium / Ytterbium |
(+3), harvinainen (+2) |
||
|
Lutetium / Lutetium |
|||
|
Hafnium / Hafnium |
|||
|
Tantaali / tantaali |
(+5), harvinainen (+3), (+4) |
||
|
Volframi / volframi |
(+6), harvinainen (+2), (+3), (+4) ja (+5) |
||
|
Renium / Renium |
(+2), (+4), (+6), (+7), harvinainen (-1), (+1), (+3), (+5) |
||
|
Osmium / Osmium |
(+3), (+4), (+6), (+8), harvinainen (+2) |
||
|
Iridium / Iridium |
(+3), (+4), (+6), harvoin (+1) ja (+2) |
||
|
Platina |
(+2), (+4), (+6), harvinainen (+1) ja (+3) |
||
|
Kulta |
(+1), (+3), harvoin (+2) |
||
|
Merkurius |
(+1), (+2) |
||
|
Tallium / tallium |
(+1), (+3), harvoin (+2) |
||
|
Johda/Johda |
(+2), (+4) |
||
|
Vismutti |
(+3), harvinainen (+3), (+2), (+4) ja (+5) |
||
|
Polonium |
(+2), (+4), harvoin (-2) ja (+6) |
||
|
Astatiini |
|||
|
Radon / Radon |
|||
|
Francium |
|||
|
Radium |
|||
|
Actinium |
|||
|
Torium |
|||
|
Proactinium / Protactinium |
|||
|
Uraani / Uraani |
(+3), (+4), (+6), harvinainen (+2) ja (+5) |
Esimerkkejä ongelmanratkaisusta
ESIMERKKI 1
- Fosforin hapetusaste fosfiinissa on (-3) ja ortofosforihapossa - (+5). Muutos fosforin hapetustilassa: +3 → +5, ts. ensimmäinen vastausvaihtoehto.
- Kemiallisen alkuaineen hapetusaste yksinkertaisessa aineessa on nolla. Fosforin hapetusaste koostumuksen P 2 O 5 oksidissa on (+5). Muutos fosforin hapetustilassa: 0 → +5, ts. kolmas vastausvaihtoehto.
- Fosforin hapetusaste happokoostumuksessa HPO 3 on (+5) ja H 3 PO 2 on (+1). Muutos fosforin hapetustilassa: +5 → +1, ts. viides vastausvaihtoehto.
ESIMERKKI 2
| Harjoittele | Hiilen hapetusaste (-3) yhdisteessä on: a) CH3Cl; b) C2H2; c) HCOH; d) C2H6. |
| Ratkaisu | Jotta voimme antaa oikean vastauksen esitettyyn kysymykseen, määritämme vuorotellen hiilen hapettumisasteen kussakin ehdotetussa yhdisteessä. a) vedyn hapetusaste on (+1) ja kloorin (-1). Otetaan hiilen hapetusaste muotoon "x": x + 3 × 1 + (-1) = 0; Vastaus on väärä. b) vedyn hapetusaste on (+1). Otetaan hiilen hapetustila y:ksi: 2×y + 2×1 = 0; Vastaus on väärä. c) vedyn hapetusaste on (+1) ja hapen (-2). Otetaan hiilen hapetustila z:ksi: 1 + z + (-2) +1 = 0: Vastaus on väärä. d) vedyn hapetusaste on (+1). Otetaan hiilen hapetustila "a":na: 2×a + 6×1 = 0; Oikea vastaus. |
| Vastaus | Vaihtoehto (d) |
Hapetusasteen laskeminen
Yhteenveto
1. Henkilöstön muodostaminen on yksi henkilöstöpäällikön työn merkittävimmistä osa-alueista.
2. Jotta organisaatiolle saataisiin tarvittavat henkilöresurssit, on tärkeää kehittää riittävä tilanne ulkoiseen ympäristöön ja toimintateknologiaan, yrityksen rakenteeseen; laskea henkilöstötarpeita.
3. Rekrytointiohjelmien kehittämiseksi on tarpeen analysoida alueen henkilöstötilannetta, kehittää menettelyjä ehdokkaiden houkuttelemiseksi ja arvioimiseksi sekä toteuttaa sopeutumistoimenpiteitä uusien työntekijöiden saamiseksi organisaatioon.
Kontrollikysymykset
- Mitkä tekijäryhmät tulee ottaa huomioon organisaatiorakennetta luotaessa?
- Mitkä organisaatiosuunnittelun vaiheet voidaan erottaa?
- Selitä käsite "henkilöstön tarpeiden laadullinen arviointi".
- Kuvaile käsite "lisähenkilöstötarpeet".
- Mikä on alueen henkilöstötilanteen analysoinnin tarkoitus?
- Mikä on suorituskykyanalyysin tarkoitus?
- Mitkä toiminta-analyysin vaiheet voidaan erottaa?
- Selitä mikä on professiogrammi?
- Mitkä ympäristötekijät vaikuttavat hakijoiden rekrytointiprosessiin?
- Kuvaa sisäisen ja ulkoisen rekrytoinnin lähteet.
- Kuinka arvioida sarjan laatua?
- Mitä menetelmiä ehdokkaiden arvioinnissa käytetään?
- Mitä kilpailukykyisen rekrytoinnin paradigmoja tiedät?
- Nimeä työntekijän sopeutumisen vaiheet organisaatiossa.
Alkuaineen hapetusasteen laskemiseksi on otettava huomioon seuraavat seikat:
1. Yksinkertaisten aineiden atomien hapetusaste on nolla (Na 0; H 2 0).
2. Kaikkien molekyylin muodostavien atomien hapetustilojen algebrallinen summa on aina nolla, ja kompleksisessa ionissa tämä summa on yhtä suuri kuin ionin varaus.
3. Atomilla on vakio hapetusaste: alkalimetallit (+1), maa-alkalimetallit (+2), vety (+1) (paitsi hydridit NaH, CaH 2 jne., joissa vedyn hapetusaste on - 1), happi (-2 ) (paitsi F 2 -1 O +2 ja –O–O–-ryhmän sisältävät peroksidit, joissa hapen hapetusaste on -1).
4. Alkuaineiden positiivinen hapetusaste ei voi ylittää arvoa, joka on yhtä suuri kuin jaksollisen järjestelmän ryhmänumero.
Esimerkkejä:
V2+505-2; Na2+1B4+307-2; K+1 Cl+704-2; N-3 H3+1; K2+1 H+1P+504-2; Na2+1Cr2+6O7-2
Kemiallisia reaktioita on kahdenlaisia:
A Reaktiot, joissa alkuaineiden hapetusaste ei muutu:
Lisäysreaktiot
SO 2 + Na 2 O Na 2 SO 3
Hajoamisreaktiot
Cu(OH) 2 – t CuO + H 2 O
Vaihda reaktioita
AgNO 3 + KCl AgCl + KNO 3
NaOH + HNO 3 NaNO 3 + H 2 O
B Reaktiot, joissa reagoivat yhdisteet muodostavien alkuaineiden atomien hapetusaste muuttuu:
2Mg0 + O20 2Mg +20-2
2KCl +5 O 3 -2 – t 2KCl -1 + 3O 2 0
2KI-1 + Cl20 2KCl-1 + I 20
Mn +402 + 4HCl-1 Mn +2Cl2 + Cl20 + 2H20
Tällaisia reaktioita kutsutaan redox.
Hapetustilan muutoksen perusteella kaikki kemialliset reaktiot voidaan jakaa kahteen tyyppiin:
I. Reaktiot, jotka tapahtuvat muuttamatta reagoivien aineiden muodostavien alkuaineiden hapetusastetta. Tällaiset reaktiot luokitellaan ioninvaihtoreaktioiksi.
Na 2CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + CO 2 + H 2 O.
II. Reaktiot, jotka tapahtuvat alkuaineiden hapetustilan muuttuessa
jotka sisältyvät reagoiviin aineisiin. Tällaiset reaktiot luokitellaan redox-reaktioiksi.
5NaNO2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5NaNO3 + 2MnS04 + K2S04 + 3H20.
Hapetustila(hapetus) - ominaisuus elementtien atomien tilalle molekyylin koostumuksessa. Se luonnehtii elektronien epätasaista jakautumista alkuaineiden atomien välillä ja vastaa varausta, jonka alkuaineen atomi hankkisi, jos kaikki sen kemiallisten sidosten yhteiset elektroniparit siirtyisivät kohti elektronegatiivisempaa alkuainetta. Riippuen sidoksen muodostavien alkuaineiden suhteellisesta elektronegatiivisuudesta, elektronipari voidaan siirtää johonkin atomista tai sijoittua symmetrisesti atomiytimiin nähden. Siksi alkuaineiden hapetusasteella voi olla negatiivinen, positiivinen tai nolla arvo.
Alkuaineilla, joiden atomit ottavat vastaan elektroneja muista atomeista, on negatiivinen hapetusaste. Alkuaineilla, joiden atomit luovuttavat elektroninsa muille atomeille, on positiivinen hapetusaste. Yksinkertaisten aineiden molekyyleissä olevilla atomeilla on nollahapetustila, ja myös jos aine on atomitilassa.
Hapetustila on merkitty +1, +2.
Ionivaraus 1+, 2+.
Yhdisteen alkuaineen hapetusaste määritetään seuraavien sääntöjen mukaisesti:
1. Yksinkertaisten aineiden alkuaineen hapetusaste on nolla.
2. Joillakin alkuaineilla on jatkuva hapetustila lähes kaikissa yhdisteissään. Näitä elementtejä ovat:
Sen hapetusaste on +1 (paitsi metallihydridit).
O:n hapetusaste on –2 (lukuun ottamatta fluorideja).
3. D.I. Mendelejevin alkuaineiden jaksollisen järjestelmän pääalaryhmien ryhmien I, II ja III elementeillä on vakio hapetusaste, joka on yhtä suuri kuin ryhmän numero.
Alkuaineet Na, Ba, Al: hapetusaste +1, +2, +3, vastaavasti.
4. Alkuaineille, joilla on vaihteleva hapetusaste, on olemassa korkeamman ja alhaisemman hapetusasteen käsite.
Alkuaineen korkein hapetusaste on yhtä suuri kuin D.I. Mendelejevin jaksollisen elementtijärjestelmän ryhmän numero, jossa elementti sijaitsee.
Alkuaineet N, Cl: korkein hapetusaste +5, +7, vastaavasti.
Alkuaineen alin hapetusaste on yhtä suuri kuin D.I. Mendelejevin Elementtien jaksollisen järjestelmän ryhmänumero, jossa alkuaine miinus kahdeksan sijaitsee.
Alkuaineet N, Cl: alin hapetusaste -3, -1, vastaavasti.
5. Yksialkuaineioneissa alkuaineen hapetusaste on yhtä suuri kuin ionin varaus.
Fe 3+ - hapetusaste on +3; S 2- - hapetusaste on -2.
6. Molekyylin kaikkien alkuaineiden atomien hapetustilojen summa on nolla.
KNO 3; (+1) + X+ 3 · (-2) = 0; X = +5. Typen hapetusaste on +5.
7. Ionin alkuaineiden kaikkien atomien hapetustilojen summa on yhtä suuri kuin ionin varaus.
S042-; X+ 4 (-2) = -2; X = +6. Rikin hapetusaste on +6.
8. Kahdesta alkuaineesta koostuvissa yhdisteissä oikealle kirjoitetulla alkuaineella on aina alhaisin hapetusaste.
Reaktiot, joissa alkuaineiden hapetusaste muuttuu, luokitellaan redox-reaktioksi /ORR/. Nämä reaktiot koostuvat hapetus- ja pelkistysprosesseista.
Hapetus on prosessi, jossa elektroneja luovuttaa elementti, joka on osa atomia, molekyyliä tai ionia.
Al 0 – 3e = Al 3+
H2-2e = 2H+
Fe 2+ - e = Fe 3+
2Cl - - 2e = Cl 2
Hapetuksen aikana alkuaineen hapetusaste kasvaa. Ainetta (atomia, molekyyliä tai ionia), joka sisältää elektroneja luovuttavan alkuaineen, kutsutaan pelkistimeksi. Al, H2, Fe 2+, Cl - - pelkistävät aineet. Pelkistävä aine hapettuu.
Elpyminen on prosessi, jossa elektroneja lisätään elementtiin, joka on osa atomia, molekyyliä tai ionia.
Cl 2 + 2e = 2Cl -
Fe 3+ + e = Fe 2+
Pelkistyksen aikana alkuaineen hapetusaste laskee. Ainetta (atomia, molekyyliä tai ionia), joka sisältää elektroneja vastaanottavan alkuaineen, kutsutaan hapettavaksi aineeksi. S, Fe 3+, Cl 2 ovat hapettavia aineita. Hapettava aine pelkistyy.
Elektronien kokonaismäärä järjestelmässä ei muutu kemiallisen reaktion aikana. Pelkistimen luovuttamien elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin hapettimen saamien elektronien lukumäärä.
Hapettumis-pelkistysreaktion (ORR) yhtälön laatimiseen liuoksissa käytetään ionielektronista menetelmää (puolireaktiomenetelmä).
OVR voi esiintyä happamassa, neutraalissa tai emäksisessä ympäristössä. Reaktioyhtälöissä on huomioitu vesimolekyylien (HOH) ja liuoksen sisältämien ylimääräisten H+- tai OH--ionien mahdollinen osallistuminen ympäristön luonteesta riippuen:
happamassa ympäristössä - HOH- ja H + -ionit;
neutraalissa ympäristössä - vain EI;
alkalisessa ympäristössä - HON ja OH - ionit.
OVR-yhtälöitä laadittaessa on noudatettava tiettyä järjestystä:
1.Kirjoita reaktiokaavio.
2.Tunnista alkuaineet, jotka muuttivat hapetusastetta.
3.Kirjoita kaavio lyhyessä ioni-molekyylimuodossa: vahvat elektrolyytit ioneina, heikot elektrolyytit molekyylien muodossa.
4. Laadi yhtälöt hapettumis- ja pelkistysprosesseille (puolireaktioiden yhtälöt). Tätä varten kirjoita muistiin ne alkuaineet, jotka muuttavat hapetusastetta todellisten hiukkasten muodossa (ionit, atomit, molekyylit) ja tasoittavat kunkin alkuaineen lukumäärän puolireaktion vasemmalla ja oikealla puolella.
Huomautus:
Jos lähtöaine sisältää vähemmän happiatomeja kuin tuotteet (P PO 4 3-), hapenpuute johtuu ympäristöstä.
Jos lähtöaine sisältää enemmän happiatomeja kuin tuotteet (SO 4 2- SO 2), vapautunut happi sitoutuu väliaineeseen.
5. Tasaa yhtälöiden vasen ja oikea puoli varausten lukumäärän mukaan. Tee tämä lisäämällä tai vähentämällä tarvittava määrä elektroneja.
6.Valitse hapettumis- ja pelkistyspuolireaktioiden kertoimet siten, että elektronien lukumäärä hapettumisen aikana on yhtä suuri kuin elektronien lukumäärä pelkistyksen aikana.
7. Tee yhteenveto hapettumisen ja pelkistyksen puolireaktioista ottaen huomioon löydetyt tekijät.
8.Kirjoita tuloksena oleva ioni-molekyyliyhtälö molekyylimuodossa.
9. Suorita happitesti.
Redox-reaktioita on kolmenlaisia:
a) Molekyylien välinen - reaktiot, joissa hapetusaste muuttuu elementeissä, jotka muodostavat eri molekyylejä.
2KMnO4 + 5NaNO2 + 3H2SO4 2MnSO4 + 5NaNO3 + K2SO4 + 3H2O
b) Intramolekyyliset - reaktiot, joissa yhden molekyylin muodostavien alkuaineiden hapetusaste muuttuu.
REDOKSIREAKTIOTHapetustila
Hapetusaste on molekyylin atomin nimellisvaraus, joka lasketaan olettaen, että molekyyli koostuu ioneista ja on yleensä sähköisesti neutraali.
Yhdisteen elektronegatiivisimmilla alkuaineilla on negatiiviset hapetustilat, ja vähemmän elektronegatiivisten alkuaineiden atomeilla on positiiviset hapetustilat.
Hapetustila on muodollinen käsite; joissakin tapauksissa hapetustila ei ole sama kuin valenssi.
Esimerkiksi:
N2H4 (hydratsiini)
typen hapettumisaste – -2; typen valenssi - 3.
Hapetusasteen laskeminen
Alkuaineen hapetusasteen laskemiseksi on otettava huomioon seuraavat seikat:
1. Yksinkertaisten aineiden atomien hapetusaste on nolla (Na 0; H2 0).
2. Kaikkien molekyylin muodostavien atomien hapetustilojen algebrallinen summa on aina nolla, ja kompleksisessa ionissa tämä summa on yhtä suuri kuin ionin varaus.
3. Atomilla on vakio hapetusaste: alkalimetallit (+1), maa-alkalimetallit (+2), vety (+1) (paitsi hydridit NaH, CaH2 jne., joissa vedyn hapetusaste on -1 ), happi (-2) (paitsi F 2 -1 O +2 ja –O–O–-ryhmän sisältävät peroksidit, joissa hapen hapetusaste on -1).
4. Alkuaineiden positiivinen hapetusaste ei voi ylittää arvoa, joka on yhtä suuri kuin jaksollisen järjestelmän ryhmänumero.
Esimerkkejä:
V 2 +5 O 5 -2 ;Na 2 +1 B 4 +3 O 7 -2 ;K +1 Cl +7 O 4 -2 ;N -3 H 3 +1 ;K2 +1 H +1 P +5 O 4 -2 ;Na 2 +1 Cr 2 +6 O 7 -2
Reaktiot ilman hapetustilan muutoksia ja niiden kanssa
Kemiallisia reaktioita on kahdenlaisia:
AReaktiot, joissa alkuaineiden hapetusaste ei muutu:
Lisäysreaktiot
NIIN 2 +Na 2 O → Na 2 NIIN 3
Hajoamisreaktiot
Cu(OH) 2 → CuO + H 2 O
Vaihda reaktioita
AgNO 3 + KCl → AgCl + KNO 3
NaOH + HNO 3 → NaNO 3 + H 2 O
BReaktiot, joissa reagoivat yhdisteet muodostavien alkuaineiden atomien hapetusasteet muuttuvat:
2Mg0 + O20 → 2Mg +20-2
2KCl +503-2 →2KCl-1 + 3O20
2KI-1 + Cl 2 0 → 2KCl -1 + I 2 0
Mn + 4 O 2 + 4 HCl - 1 ® Mn + 2 Cl 2 + Cl + 1 2 0 + 2 H 2 O
Tällaisia reaktioita kutsutaan redox-reaktioksi
Redox-reaktiot ovat reaktioita, joissa atomien hapetusaste muuttuu. Redox-reaktiot ovat hyvin yleisiä. Kaikki palamisreaktiot ovat redox-reaktioita.
Redox-reaktio koostuu kahdesta prosessista, jotka eivät voi tapahtua erillään toisistaan. Hapettumisasteen lisäämisprosessia kutsutaan hapetukseksi. Samanaikaisesti hapettumisen kanssa tapahtuu pelkistys, eli hapetustilan alenemisprosessi.
Hapetus, pelkistys
Näin ollen redox-reaktioissa on kaksi pääosapuolta: hapettava aine ja pelkistävä aine. Elektronien menetysprosessi on hapettuminen. Hapettumisen aikana hapetusaste kasvaa. Reaktion aikana hapettava aine alentaa hapetusastettaan ja pelkistyy. Tässä on tarpeen erottaa hapettava kemiallinen alkuaine ja hapettava aine.
N +5
- hapetin; H N +5
O3 ja NaN +5
O 3 - hapettavat aineet.
Jos sanomme, että typpihappo ja sen suolat ovat vahvoja hapettimia, tarkoitamme tällä, että hapetin on typpiatomeja, joiden hapetusaste on +5, eikä koko ainetta kokonaisuutena.
Redox-reaktion toista pakollista osallistujaa kutsutaan pelkistimeksi. Elektronien lisäysprosessi on pelkistys. Pelkistyksen aikana hapetusaste laskee.
Pelkistävä aine lisää hapetuslukuaan hapettuessaan reaktion aikana. Aivan kuten hapettimen tapauksessa, on erotettava pelkistävä aine ja pelkistävä kemiallinen alkuaine. Suorittaessamme reaktiota pelkistää aldehydi alkoholiksi emme voi ottaa vain vetyä, jonka hapetusaste on -1, vaan ottaa jonkinlaisen hydridin, mieluiten litiumalumiinihydridin.
N -1
- pelkistävä aine; Ei -1
ja LiAlH -1
4 - pelkistävät aineet.
Redox-reaktioissa elektronien täydellinen siirtyminen pelkistimestä hapettavaan aineeseen on erittäin harvinaista, koska ionisia sidoksia sisältäviä yhdisteitä on vähän. Mutta kertoimia järjestettäessä lähdetään siitä oletuksesta, että tällainen siirtymä tapahtuu. Tämä mahdollistaa pääkertoimien oikean määrittämisen hapettimen ja pelkistimen kaavojen edessä.
5H2SO3 + 2KMnO4 = 2H2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O
S +4
– 2e → S +6
5 - pelkistävä aine, hapetus
Mn +7
+ 5e → Mn +2
2 - hapetin, pelkistys
Atomit tai ionit, jotka saavat elektroneja tietyssä reaktiossa, ovat hapettavia aineita, ja ne, jotka luovuttavat elektroneja, ovat pelkistäviä aineita.
Aineen redox-ominaisuudet ja sen ainesosien atomien hapetusaste
Yhdisteet, jotka sisältävät alkuaineatomeja, joilla on maksimi hapetusaste, voivat olla vain näiden atomien vuoksi hapettavia aineita, koska he ovat jo luovuttaneet kaikki valenssielektroninsa ja pystyvät vain vastaanottamaan elektroneja. Alkuaineen atomin maksimihapetusaste on yhtä suuri kuin sen ryhmän lukumäärä jaksollisessa taulukossa, johon alkuaine kuuluu. Yhdisteet, jotka sisältävät alkuaineatomeja, joilla on minimaalinen hapetusaste, voivat toimia vain pelkistysaineina, koska ne pystyvät luovuttamaan vain elektroneja, koska tällaisten atomien ulkoinen energiataso täydentyy kahdeksalla elektronilla. Metalliatomien minimihapetusaste on 0, ei-metallien - (n–8) (missä n on ryhmän numero jaksollisessa taulukossa). Yhdisteet, jotka sisältävät alkuaineatomeja, joilla on välihapetusaste, voivat olla sekä hapettavia että pelkistäviä aineita riippuen kumppanista, jonka kanssa ne ovat vuorovaikutuksessa, ja reaktio-olosuhteista.
Tärkeimmät pelkistimet ja hapettavat aineet
Vähentimet:
Metallit,
vety,
hiiltä.
Hiilimonoksidi (CO).
rikkivety (H2S);
rikkioksidi (IV) (S02);
rikkihappo H 2 SO 3 ja sen suolat.
Halogenivetyhapot ja niiden suolat.
Metallikationit alemmissa hapetusasteissa: SnCl 2, FeCl 2, MnSO 4, Cr 2 (SO 4) 3.
Typpihappo HNO 2;
ammoniakki NH3;
hydratsiini NH2NH2;
typpioksidi (II) (NO).
Katodi elektrolyysin aikana.
Hapettavat aineet
Halogeenit.
kaliumpermanganaatti (KMnO 4);
kaliummanganaatti (K2Mn04);
mangaani(IV)oksidi (MnO 2).
kaliumdikromaatti (K 2 Cr 2 O 7);
kaliumkromaatti (K 2 CrO 4).
Typpihappo (HNO 3).
Rikkihappo (H 2 SO 4) väk.
kupari(II)oksidi (CuO);
lyijy(IV)oksidi (PbO 2);
hopeaoksidi (Ag20);
vetyperoksidi (H 2 O 2).
Rauta(III)kloridi (FeCl3).
Bertholletin suola (KClO 3).
Anodi elektrolyysin aikana.
Jokaiselle tällaiselle puolireaktiolle on tunnusomaista standardi redox-potentiaali E 0 (mitta - voltti, V). Mitä suurempi E0, sitä vahvempi on hapettava muoto hapettimena ja sitä heikompi pelkistetty muoto pelkistimenä ja päinvastoin.
Puolireaktio otetaan potentiaalien vertailupisteeksi: 2H + + 2ē ® H 2, jolle E 0 =0
Puolireaktioilla M n+ + nē ® M 0 E 0 kutsutaan. Tämän potentiaalin suuruuden perusteella metallit sijoitetaan yleensä sarjaan standardielektrodipotentiaalia (sarja metallijännitteitä):
|
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au |
Useat jännitykset luonnehtivat metallien kemiallisia ominaisuuksia:
1. Mitä enemmän vasemmalla metalli sijaitsee jännitesarjassa, sitä vahvempi sen pelkistyskyky ja sitä heikompi sen ionin hapetuskyky liuoksessa (eli sitä helpommin se luovuttaa elektroneja (hapettuu) ja sitä vaikeampi se on) jotta sen ionit kiinnittävät elektroneja uudelleen).
2. Jokainen metalli pystyy syrjäyttämään suolaliuoksista ne metallit, jotka ovat jännityssarjassa sen oikealla puolella, ts. pelkistää seuraavien metallien ionit sähköisesti neutraaleiksi atomeiksi, luovuttaen elektroneja ja muuttuen itse ioneiksi.
3. Vain vedyn (H) vasemmalla puolella olevassa jännitesarjassa olevat metallit pystyvät syrjäyttämään sen happoliuoksista (esim. Zn, Fe, Pb, mutta eivät Cu, Hg, Ag).
Galvaaniset kennot
Jokainen kaksi metallia muodostaa galvaanisen kennon, kun ne ovat upotettuina suolaliuoksiin, jotka ovat yhteydessä toisiinsa elektrolyytillä täytetyn sifonin kautta. Liuoksiin upotettuja metallilevyjä kutsutaan elementin elektrodeiksi.
Jos yhdistät elektrodien ulkopäät (elementin navat) langalla, elektronit alkavat liikkua metallista, jolla on pienempi potentiaali, metalliin, jolla on suurempi potentiaali (esimerkiksi Zn: stä Pb). Elektronien poistuminen häiritsee tasapainoa, joka vallitsee metallin ja sen ionien välillä liuoksessa ja saa uuden määrän ioneja kulkeutumaan liuokseen - metalli liukenee vähitellen. Samanaikaisesti toiseen metalliin siirtyvät elektronit purkavat liuoksessa olevat ionit sen pinnalla - metalli vapautuu liuoksesta. Elektrodia, jossa hapettuminen tapahtuu, kutsutaan anodiksi. Elektrodia, jossa pelkistys tapahtuu, kutsutaan katodiksi. Lyijy-sinkkikennossa sinkkielektrodi on anodi ja lyijyelektrodi katodi.
Siten suljetussa galvaanisessa kennossa tapahtuu vuorovaikutusta metallin ja toisen metallin suolaliuoksen välillä, jotka eivät ole suorassa kosketuksessa keskenään. Ensimmäisen metallin atomit, jotka luovuttavat elektroneja, muuttuvat ioneiksi, ja toisen metallin ionit, jotka lisäävät elektroneja, muuttuvat atomeiksi. Ensimmäinen metalli syrjäyttää toisen suolaliuoksesta. Esimerkiksi sinkistä ja lyijystä koostuvan galvaanisen kennon toiminnan aikana, joka on upotettu vastaavasti Zn(NO 3) 2 - ja Pb (NO 3) 2 -liuoksiin, elektrodeissa tapahtuu seuraavia prosesseja:
Zn – 2ē → Zn 2+
Pb 2+ + 2ē → Pb
Summaamalla molemmat prosessit saadaan yhtälö Zn + Pb 2+ → Pb + Zn 2+, joka ilmaisee alkuaineessa tapahtuvan reaktion ionisessa muodossa. Saman reaktion molekyyliyhtälö olisi:
Zn + Pb(NO 3) 2 → Pb + Zn(NO 3) 2
Galvaanisen kennon sähkömotorinen voima on yhtä suuri kuin sen kahden elektrodin välinen potentiaaliero. Sitä määritettäessä pienempi vähennetään aina suuremmasta potentiaalista. Esimerkiksi tarkasteltavan elementin sähkömotorinen voima (emf) on yhtä suuri kuin:
|
E.m.f. = |
-0,13 |
(-0,76) |
0,63v |
|
|
E Pb |
EZn |
Sillä on tämä arvo, jos metallit upotetaan liuoksiin, joissa ionipitoisuus on 1 g-ioni/l. Muilla liuoskonsentraatioilla elektrodipotentiaalien arvot ovat jonkin verran erilaisia. Ne voidaan laskea kaavalla:
E = E 0 + (0,058/n) logC
jossa E on haluttu metallipotentiaali (volteina)
E 0 - sen normaali potentiaali
n - metalli-ionien valenssi
C - ionien pitoisuus liuoksessa (g-ioni/l)
Esimerkki
Laske elementin (emf) sähkömotorinen voima, jonka muodostavat sinkkielektrodi upotettu 0,1 M Zn(NO 3) 2 -liuokseen ja lyijyelektrodi upotettu 2 M Pb(NO 3) 2 -liuokseen.
Ratkaisu
Laskemme sinkkielektrodin potentiaalin:
E Zn = -0,76 + (0,058 / 2) log 0,1 = -0,76 + 0,029 (-1) = -0,79 v
Laskemme lyijyelektrodin potentiaalin:
E Pb = -0,13 + (0,058 / 2) log 2 = -0,13 + 0,029 0,3010 = -0,12 v
Selvitä elementin sähkömotorinen voima:
E.m.f. = -0,12 – (-0,79) = 0,67 v
Elektrolyysi
Elektrolyysi Aineen hajoamisprosessia sähkövirran vaikutuksesta kutsutaan.
Elektrolyysin ydin on, että kun virta johdetaan elektrolyyttiliuoksen (tai sulan elektrolyytin) läpi, positiivisesti varautuneet ionit siirtyvät katodille ja negatiivisesti varautuneet ionit anodille. Saavuttuaan elektrodeille ionit purkautuvat, minkä seurauksena liuenneen elektrolyytin komponentit tai vedestä vapautuva vety ja happi vapautuvat elektrodeilla.
Erilaisten ionien muuttamiseksi neutraaleiksi atomeiksi tai atomiryhmiksi tarvitaan erilaisia sähkövirran jännitteitä. Jotkut ionit menettävät varauksensa helpommin, toiset vaikeammin. Metalli-ionien purkamisen (elektronivahvistuksen) helppousaste määräytyy metallien sijainnin perusteella jännitesarjassa. Mitä kauempana vasemmalla metalli on jännitesarjassa, sitä suurempi on sen negatiivinen potentiaali (tai vähemmän positiivinen potentiaali), sitä vaikeampi on sen ionien purkautuminen muiden asioiden ollessa samoina (Au 3+, Ag + ionit ovat helpoimpia purkaa; vaikeimmat ovat Li +, Rb +, K +).
Jos liuoksessa on samanaikaisesti useiden metallien ioneja, purkautuvat ensin metallin ionit, joilla on pienempi negatiivinen potentiaali (tai suurempi positiivinen potentiaali). Esimerkiksi metallista kuparia vapautuu ensin liuoksesta, joka sisältää Zn 2+- ja Cu 2+ -ioneja. Mutta metallin potentiaalin suuruus riippuu myös sen ionien pitoisuudesta liuoksessa; kunkin metallin ionien purkamisen helppous muuttuu myös niiden pitoisuudesta riippuen: pitoisuuden kasvu helpottaa ionien purkamista, lasku vaikeuttaa sitä. Siksi useiden metallien ioneja sisältävän liuoksen elektrolyysin aikana voi tapahtua, että aktiivisemman metallin vapautuminen tapahtuu aikaisemmin kuin vähemmän aktiivisen (jos ensimmäisen metallin ionien pitoisuus on merkittävä ja toisen pitoisuus on hyvin pieni).
Suolojen vesiliuoksissa on suola-ionien lisäksi aina myös vesi-ioneja (H + ja OH -). Näistä vetyionit purkautuvat helpommin kuin kaikkien jännitesarjan vetyä edeltävien metallien ionit. Kuitenkin johtuen vetyionien vähäisestä pitoisuudesta kaikkien suolojen elektrolyysin aikana, paitsi aktiivisimpien metallien suoloja, katodissa vapautuu metallia, ei vetyä. Vain natriumin, kalsiumin ja muiden metallien suolojen elektrolyysin aikana aina alumiiniin asti vetyioneja purkautuu ja vetyä vapautuu.
Anodilla voidaan purkaa joko happamien jäännösten ioneja tai veden hydroksyyli-ioneja. Jos happamien jäännösten ionit eivät sisällä happea (Cl -, S 2-, CN - jne.), yleensä nämä ionit purkautuvat, eivätkä hydroksyylit, jotka menettävät varauksensa paljon vaikeammin, ja Cl 2, S jne. vapautetaan anodilla .d. Päinvastoin, jos happea sisältävän hapon suola tai happo itse elektrolyysi tapahtuu, hydroksyyli-ionit purkautuvat, eivät happijäämien ionit. Hydroksyyli-ionien purkamisen aikana muodostuneet neutraalit OH-ryhmät hajoavat välittömästi yhtälön mukaisesti:
4OH → 2H2O + O2
Tämän seurauksena happea vapautuu anodilla.
Nikkelikloridiliuoksen NiCl2 elektrolyysi
Liuos sisältää Ni 2+ - ja Cl - ioneja sekä H + ja OH - ioneja mitättömänä pitoisuutena. Kun virta kulkee, Ni 2+ -ionit siirtyvät katodille ja Cl - ionit anodille. Ottaen kaksi elektronia katodista Ni 2+ -ionit muuttuvat neutraaleiksi atomeiksi, jotka vapautuvat liuoksesta. Katodi päällystetään vähitellen nikkelillä.
Anodin saavuttaessa kloori-ionit luovuttavat sille elektroneja ja muuttuvat klooriatomeiksi, jotka pareittain yhdistyessään muodostavat kloorimolekyylejä. Kloori vapautuu anodilla.
Näin ollen katodilla on palautumisprosessi, anodilla - hapetusprosessi.
Kaliumjodidiliuoksen KI elektrolyysi
Kaliumjodidi on liuoksessa K+- ja I--ionien muodossa. Kun virta kulkee, K+-ionit siirtyvät katodille, I-ionit anodille. Mutta koska kalium on paljon vasemmalla vedystä jännitesarjassa, katodissa eivät purkautu kaliumionit, vaan veden vetyionit. Tässä tapauksessa muodostuneet vetyatomit yhdistyvät H2-molekyyleiksi ja siten katodilla vapautuu vetyä.
Vetyionien purkautuessa yhä enemmän vesimolekyylejä dissosioituu, minkä seurauksena katodille kerääntyy (vesimolekyylistä vapautuvia) hydroksyyli-ioneja sekä K+-ioneja, jotka liikkuvat jatkuvasti katodille. Muodostuu KOH-liuos.
Jodia vapautuu anodilla, koska I-ionit purkautuvat helpommin kuin veden hydroksyyli-ionit.
Kaliumsulfaattiliuoksen elektrolyysi
Liuos sisältää K+-ioneja, SO 4 2- sekä H+- ja OH-ioneja vedestä. Koska K+-ionit purkautuvat vaikeammin kuin H+-ionit ja SO 4 2--ionit kuin OH-ionit, niin sähkövirran kulkiessa katodilla purkautuvat vetyionit ja anodilla hydroksyyliryhmät, jolloin on itse asiassa veden elektrolyysi. Samaan aikaan johtuen veden vety- ja hydroksyyli-ionien purkamisesta ja K+-ionien jatkuvasta liikkumisesta katodille ja SO 4 2- ionien anodille, katodille muodostuu alkaliliuos (KOH), ja rikkihappoliuos muodostuu anodille.
Kuparisulfaattiliuoksen elektrolyysi kuparianodilla
Elektrolyysi tapahtuu erityisellä tavalla, kun anodi on valmistettu samasta metallista, jonka suola on liuoksessa. Tässä tapauksessa anodilla ei purkaudu ioneja, vaan itse anodi liukenee vähitellen lähettäen ioneja liuokseen ja luovuttaen elektroneja virtalähteeseen.
Koko prosessi perustuu kuparin vapautumiseen katodissa ja anodin asteittaiseen liukenemiseen. CuS04:n määrä liuoksessa pysyy ennallaan.
Elektrolyysin lait (M. Faraday)
1. Elektrolyysin aikana vapautuvan aineen painomäärä on verrannollinen liuoksen läpi virtaavan sähkön määrään eikä käytännössä riipu muista tekijöistä.
2. Eri kemiallisista yhdisteistä vapautuu elektrolyysin aikana yhtä suuret määrät sähköä vastaavina määrinä aineita.
3. Yksi grammaekvivalentti mitä tahansa ainetta eristää elektrolyyttiliuoksesta, liuoksen läpi on johdettava 96 500 coulombia sähköä.
m (x) = ((I t) / F) (M (x) / n)
missä m (x) on pelkistyneen tai hapettuneen aineen määrä (g);
I on siirretyn virran voimakkuus (a);
t - elektrolyysiaika (s);
M(x) - moolimassa;
n on redox-reaktioissa saatujen tai luovutettujen elektronien lukumäärä;
F - Faradayn vakio (96500 viileää/mol).
Tämän kaavan perusteella voit tehdä useita elektrolyysiprosessiin liittyviä laskelmia, esimerkiksi:
1. Laske tietyn sähkömäärän vapauttamien tai hajoavien aineiden määrät;
2. Laske virran voimakkuus vapautuneen aineen määrän ja sen vapautumiseen käytetyn ajan perusteella;
3. Määritä, kuinka kauan kestää vapautua tietty määrä ainetta tietyllä virralla.
Esimerkki 1
Kuinka monta grammaa kuparia vapautuu katodilla, kun 5 ampeerin virta johdetaan kuparisulfaatti CuSO 4 -liuoksen läpi 10 minuutin ajan?
Ratkaisu
Määritetään ratkaisun läpi virtaavan sähkön määrä:
K = se,
missä I on virta ampeereina;
t – aika sekunteina.
Q = 5A 600 s = 3000 kulonia
Kuparin ekvivalentti (massa 63,54) on 63,54: 2 = 31,77. Siksi 96500 kulonia vapauttaa 31,77 g kuparia. Tarvittava määrä kuparia:
m = (31,77 3000) / 96500 » 0,98 g
Esimerkki 2
Kuinka kauan kestää viedä 10 ampeerin virta happoliuoksen läpi, jotta saadaan 5,6 litraa vetyä (normaaliolosuhteissa)?
Ratkaisu
Selvitetään sähkömäärä, jonka täytyy kulkea liuoksen läpi, jotta siitä vapautuisi 5,6 litraa vetyä. Koska 1 g-ekv. vety sijaitsee kohdassa n. u. tilavuus on 11,2 l, sitten tarvittava määrä sähköä
Q = (96500 5.6) / 11.2 = 48250 kulonia
Määritetään nykyinen kulumisaika:
t = Q / I = 48250 / 10 = 4825 s = 1 h 20 min 25 s
Esimerkki 3
Kun virta johdettiin hopeasuolaliuoksen läpi katodilla, se vapautui 10 minuutissa. 1 g hopeaa. Määritä virran voimakkuus.
Ratkaisu
1 g-ekv. hopea on 107,9 g. Jotta 1 g hopeaa vapautuisi, 96500 täytyy kulkea liuoksen läpi: 107,9 = 894 kulonia. Siksi nykyinen vahvuus
I = 894 / (10 60)" 1,5 A
Esimerkki 4
Etsi tinan ekvivalentti 2,5 ampeerin virralla SnCl 2 -liuoksesta 30 minuutissa. Tinaa vapautuu 2,77 g.
Ratkaisu
Liuoksen läpi kulkeva sähkömäärä 30 minuutissa.
Q = 2,5 30 60 = 4500 kulonia
Koska 1 g-ekv. Tarvitaan 96 500 kulonia, sitten tinaa vastaava määrä.
E Sn = (2,77 96500) / 4500 = 59,4
Korroosio
Ennen kuin lopetamme keskustelumme sähkökemiasta, soveltakaamme saamaamme tietoa yhden erittäin tärkeän ongelman tutkimiseen - korroosio metallit Korroosiota aiheuttavat hapetus-pelkistysreaktiot, joissa metalli muuttuu vuorovaikutuksessa jonkin ympäristössään olevan aineen kanssa ei-toivotuksi yhdisteeksi.
Yksi tunnetuimmista korroosioprosesseista on raudan ruostuminen. Taloudellisesta näkökulmasta tämä on erittäin tärkeä prosessi. Arvioiden mukaan 20 % Yhdysvalloissa vuosittain tuotetusta raudasta käytetään korvaamaan ruostumisen vuoksi käyttökelvottomiksi tulleita rautatuotteita.
Tiedetään, että happi osallistuu raudan ruostumiseen; rauta ei hapetu vedessä ilman happea. Vesi osallistuu myös ruostumisprosessiin; rauta ei syöpy happipitoisessa öljyssä niin kauan kuin siinä ei ole jälkiä vedestä. Ruostumista kiihdyttävät monet tekijät, kuten ympäristön pH, suolojen esiintyminen siinä, raudan kosketus metalliin, joka on rautaa vaikeampi hapettaa, sekä mekaanisen rasituksen vaikutuksesta.
Raudan korroosio on periaatteessa sähkökemiallinen prosessi. Jotkut raudan pinnan alueet toimivat anodina, jossa sen hapettumista tapahtuu:
Fe (kiinteä) → Fe 2+ (aq) + 2e - Eº oksidi = 0,44 V
Tässä tapauksessa syntyneet elektronit liikkuvat metallin läpi pinnan muille alueille, jotka toimivat katodina. Niissä tapahtuu hapen vähenemistä:
O 2 (g.) + 4H + (vesipitoinen) + 4e - → 2H 2 O (l.) Eº palautus = 1,23 V
Huomaa, että H + -ionit osallistuvat O 2 -pelkistysprosessiin. Jos H+-pitoisuus pienenee (eli pH:n kasvaessa), O2:n pelkistys vaikeutuu. On havaittu, että rauta, joka joutuu kosketuksiin liuoksen kanssa, jonka pH on yli 9-10, ei syöpy. Korroosioprosessin aikana anodilla muodostuneet Fe 2+ -ionit hapettuvat Fe 3+:ksi. Fe 3+ -ionit muodostavat hydratoitua rauta(III)oksidia, jota kutsutaan ruosteeksi:
4Fe 2+ (vesipitoinen) + O 2 (g.) + 4H 2O (l.) +2 X H 2 O (l.) → 2Fe2O3. x H2O( tv.) + 8H + (vesipitoinen)
Koska katodin roolia hoitaa yleensä se osa pinnasta, joka on parhaiten varustettu hapen sisäänvirtauksella, ruostetta esiintyy useimmiten näillä alueilla. Jos tutkit huolellisesti lapiota, joka on seisonut jonkin aikaa avoimessa, kosteassa ilmassa ja jonka terään on tarttunut likaa, huomaat, että metallin pinnalle on muodostunut painaumia lian alle ja ruostetta on ilmaantunut kaikkialle, missä O2 voisi tunkeutua.
Autoilijat kohtaavat usein lisääntynyttä korroosiota suolojen läsnä ollessa alueilla, joilla teitä ripotetaan runsaasti suolalla talvella jääolosuhteiden torjumiseksi. Suolojen vaikutus selittyy sillä, että niiden muodostamat ionit luovat suljetun sähköpiirin muodostumiseen tarvittavan elektrolyytin.
Anodisten ja katodisten kohtien esiintyminen raudan pinnalla johtaa kahden erilaisen kemiallisen ympäristön syntymiseen raudan pinnalle. Ne voivat johtua kidehilassa olevista epäpuhtauksista tai vioista (ilmeisesti metallin sisällä olevien jännitysten aiheuttamia). Paikoissa, joissa on tällaisia epäpuhtauksia tai vikoja, tietyn rautaatomin mikroskooppinen ympäristö voi saada sen hapetusasteen hieman lisääntymään tai laskemaan kidehilan normaaleista asennoista. Siksi tällaiset paikat voivat toimia anodien tai katodien roolissa. Erittäin puhdas rauta, jossa tällaisten vikojen määrä on vähennetty minimiin, on paljon vähemmän todennäköistä syöpymiselle kuin tavallinen rauta.
Rauta päällystetään usein maalilla tai jollain muulla metallilla, kuten tinalla, sinkillä tai kromilla, jotta se suojaa pintaa korroosiolta. Niin kutsuttu "pelti" saadaan peittämällä pelti ohuella tinakerroksella. Tina suojaa rautaa vain niin kauan kuin suojakerros pysyy ehjänä. Heti kun se on vaurioitunut, ilma ja kosteus alkavat vaikuttaa rautaan; Tina jopa nopeuttaa raudan korroosiota, koska se toimii katodina sähkökemiallisessa korroosioprosessissa. Raudan ja tinan hapetuspotentiaalin vertailu osoittaa, että rauta hapettuu helpommin kuin tina:
Fe (kiinteä) → Fe 2+ (vesi) + 2e - Eº oksidi = 0,44 V
Sn (tv.) → Sn 2+ (vesi) + 2e - Eº oksidi = 0,14 V
Siksi rauta toimii tässä tapauksessa anodina ja hapettuu.
"Sinkitty" (sinkitty) rauta valmistetaan pinnoittamalla rauta ohuella sinkkikerroksella. Sinkki suojaa rautaa korroosiolta senkin jälkeen, kun pinnoitteen eheys on vaurioitunut. Tässä tapauksessa rauta toimii katodina korroosioprosessin aikana, koska sinkki hapettuu helpommin kuin rauta:
Zn (kiinteä) → Zn 2+ (vesi) + 2e - Eº oksidi = 0,76 V
Näin ollen sinkki toimii anodina ja syövyttää raudan sijaan. Tällainen metallisuojaus, jossa se toimii katodina sähkökemiallisen korroosion prosessissa, on ns. katodinen suojaus. Maan alle asennetut putket suojataan usein korroosiolta tekemällä niistä sähkökemiallisen kennon katodi. Tätä varten jonkin aktiivisen metallin, useimmiten magnesiumin, lohkot haudataan maahan putkilinjaa pitkin ja yhdistetään langalla putkiin. Kosteassa maaperässä aktiivinen metalli toimii anodina ja rautaputki saa katodisuojan.
Vaikka keskustelumme on keskittynyt rautaan, se ei ole ainoa metalli, joka on alttiina korroosiolle. Samalla voi tuntua oudolta, että huolimattomasti ulkoilmaan jätetty alumiinipurkki syöpyy mittaamattoman hitaammin kuin rauta. Alumiinin (Eº oksidi = 1,66 V) ja raudan (Eº oksidi = 0,44 V) standardihapetuspotentiaalin perusteella on odotettavissa, että alumiinin korroosion tulisi tapahtua paljon nopeammin. Alumiinin hidas korroosio selittyy sillä, että sen pinnalle muodostuu ohut, tiheä oksidikalvo, joka suojaa alla olevaa metallia lisäkorroosiolta. Magnesium, jolla on korkea hapetuspotentiaali, on suojattu korroosiolta saman oksidikalvon muodostumisen vuoksi. Valitettavasti raudan pinnalla oleva oksidikalvo on rakenteeltaan liian löysä, eikä se pysty luomaan luotettavaa suojaa. Rauta-kromiseosten pinnalle muodostuu kuitenkin hyvä suojaava oksidikalvo. Tällaisia seoksia kutsutaan ruostumattomaksi teräkseksi.
Redox-reaktiot sisältävät ne, joihin liittyy elektronien liikkuminen hiukkasesta toiseen. Redox-reaktioiden kuvioita tarkasteltaessa käytetään hapetusasteen käsitettä.
Hapetustila
Konsepti hapetustilat käyttöön luonnehtimaan elementtien tilaa yhteyksissä. Hapetustila tarkoittaa yhdisteessä olevan atomin tavanomainen varaus, joka lasketaan oletuksena, että yhdiste koostuu ioneista. Hapetustila ilmaistaan arabialaisella numerolla plusmerkillä, kun elektronit siirtyvät tietystä atomista toiseen atomiin, ja numerolla miinusmerkillä, kun elektronit siirtyvät vastakkaiseen suuntaan. Numero, jossa on "+" tai "-" merkki, sijoitetaan elementtimerkin yläpuolelle. Hapetusluku ilmaisee atomin hapetusasteen ja on vain kätevä muoto elektroninsiirron huomioon ottamiseen: sitä ei pidä myöskään pitää atomin tehollisena varauksena molekyylissä (esimerkiksi LiF-molekyylissä teholliset varaukset Li:n ja F:n arvot ovat +0,89 ja -0. 89, kun taas hapetustilat ovat +1 ja -1, eikä alkuaineen valenssina (esimerkiksi yhdisteissä CH 4, CH 3 OH, HCOOH, CO 2, hiilen valenssi on 4 ja hapetustilat ovat vastaavasti -4, -2, + 2, +4). Valenssin ja hapetusasteen numeeriset arvot voivat yhtyä absoluuttisesti vain silloin, kun muodostuu ionirakenteisia yhdisteitä.
Hapettumisastetta määritettäessä käytetään seuraavia sääntöjä:
Alkuaineiden atomien, jotka ovat vapaassa tilassa tai yksinkertaisten aineiden molekyylien muodossa, hapetusaste on nolla, esimerkiksi Fe, Cu, H 2, N 2 jne.
Yksiatomisen ionin muodossa olevan alkuaineen hapetusaste yhdisteessä, jolla on ionirakenne, on yhtä suuri kuin tämän ionin varaus,
1 -1 +2 -2 +3 -1
esimerkiksi NaCl, Cu S, AlF3.
Useimmissa yhdisteissä vedyn hapetusaste on +1, lukuun ottamatta metallihydridejä (NaH, LiH), joissa vedyn hapetusaste on -1.
Yhdisteiden hapen yleisin hapetusaste on -2, paitsi peroksidit (Na 2 O 2, H 2 O 2), joissa hapen hapetusaste on -1 ja F 2 O, joissa hapetusaste happipitoisuus on +2.
Alkuaineille, joilla on vaihteleva hapetusaste, sen arvo voidaan laskea tuntemalla yhdisteen kaava ja ottamalla huomioon, että neutraalin molekyylin kaikkien alkuaineiden hapetustilojen algebrallinen summa on nolla. Monimutkaisessa ionissa tämä summa on yhtä suuri kuin ionin varaus. Esimerkiksi HClO 4 -molekyylin klooriatomin hapetusaste laskettuna molekyylin kokonaisvarauksen perusteella = 0, missä x on klooriatomin hapetusaste) on +7. Rikkiatomin hapetusaste (SO 4) 2- [x + 4(-2) = -2] -ionissa on +6.
Aineiden redox-ominaisuudet
Mikä tahansa redox-reaktio koostuu hapettumis- ja pelkistysprosesseista. Hapetus - on prosessi, jossa elektroneja luovutetaan reagoivan aineen atomin, ionin tai molekyylin toimesta. Aineet, jotka antavat Niiden elektroneja reaktion aikana ja hapettuneita kutsutaan restauroijat.
Pelkistys on prosessi, jossa atomi ottaa vastaan elektroneja ioni- tai reagenssimolekyyli.
Aineita, jotka vastaanottavat elektroneja ja pelkistyvät prosessissa, kutsutaan hapettimiksi.
Hapetus-pelkistysreaktiot tapahtuvat aina yhtenä prosessina, jota kutsutaan nimellä redox-reaktio. Esimerkiksi kun metallisinkki on vuorovaikutuksessa kupari-ionien kanssa pelkistävä aine(Zn) luovuttaa elektronejaan hapettava aine– kupari-ionit (Cu 2+):
Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu
Kuparia vapautuu sinkin pinnalle ja sinkki-ionit liukenevat.
Alkuaineiden redox-ominaisuudet liittyvät niiden atomien rakenteeseen ja määräytyvät niiden sijainnin perusteella jaksollisessa järjestelmässä D.I. Mendelejev. Alkuaineen pelkistyskyky johtuu valenssielektronien heikosta yhteydestä ytimeen. Metalliatomit, jotka sisältävät pienen määrän elektroneja ulkoisella energiatasolla, ovat taipuvaisia menettämään niitä, ts. hapettuvat helposti ja toimivat pelkistysaineina. Tehokkaimpia pelkistäviä aineita ovat aktiivisimmat metallit.
Alkuaineiden redox-aktiivisuuden kriteerinä voi olla niiden arvo suhteellinen elektronegatiivisuus: mitä korkeampi se on, sitä selvempi alkuaineen hapetuskyky, ja mitä pienempi se on, sitä selvempi sen pelkistävä aktiivisuus on. Ei-metalliatomeilla (esim. F, O) on korkea elektroniaffiniteetti ja suhteellinen elektronegatiivisuus, ne ottavat helposti vastaan elektroneja, ts. ovat hapettavia aineita.
Alkuaineen redox-ominaisuudet riippuvat sen hapettumisasteesta. Samalle elementille on erilaisia alempi, korkeampi ja keskitason hapetusaste.
Tarkastellaan esimerkkinä rikki S ja sen yhdisteet H 2 S, SO 2 ja SO 3. Rikkiatomin elektronisen rakenteen ja sen redox-ominaisuuksien välinen suhde näissä yhdisteissä esitetään selvästi taulukossa 1.
H 2 S -molekyylissä rikkiatomilla on stabiili ulkoisen energiatason 3s 2 3p 6 oktettikonfiguraatio, joten se ei voi enää lisätä elektroneja, mutta voi luovuttaa niitä.
Atomin tilaa, jossa se ei enää voi vastaanottaa elektroneja, kutsutaan alimmaksi hapetusasteeksi.
Alimmassa hapetustilassa atomi menettää hapetuskykynsä ja voi olla vain pelkistävä aine.
Pöytä 1.
|
Aineen kaava |
Elektroninen kaava |
Redox-ominaisuudet |
|
|
|
1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 |
|
|
|
|
1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 4 |
hapetin |
pelkistävä aine |
|
|
1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p o |
hapetin |
|
|
|
1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s o 3 p 0 |
hapetin |
|
–2
;
- 6
;
- 8
pelkistävä aine
+
2
–4
;
-
6
+
4 
;
+
6
-2
pelkistävä aine
+
2
;
+ 6
;
+
8
SO 3 -molekyylissä kaikki rikkiatomin ulommat elektronit ovat siirtyneet happiatomeihin. Siksi tässä tapauksessa rikkiatomi voi hyväksyä vain elektroneja, joilla on hapettavia ominaisuuksia.
Atomin tilaa, jossa se on luovuttanut kaikki valenssielektroninsa, kutsutaan korkeimmaksi hapetustilaksi. Korkeimmassa hapetustilassa oleva atomi voi olla vain hapettava aine.
SO 2 -molekyylissä ja alkuainerikissä S rikkiatomi sijaitsee sisällä välihapetustilat eli jolla on valenssielektroneja, atomi voi luovuttaa ne pois, mutta ilman täydellistä R - alatasolla, voi myös vastaanottaa elektroneja sen valmistumiseen asti.
Alkuaineen atomilla, jolla on väliaikainen hapetusaste, voi olla sekä hapettavia että pelkistäviä ominaisuuksia, mikä määräytyy sen roolin perusteella tietyssä reaktiossa.
Esimerkiksi sulfiittianionin SO rooli 
seuraavissa reaktioissa on erilainen:
5Na 2 SO 3 + 2 KMnO 4 + 3H 2 SO 4 2 MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 + 3 H 2 O (1)
H 2 SO 3 + 2 H 2 S 3 S + 3 H 2 O (2)
Reaktiossa (1) sulfiittianioni SO 
vahvan hapettimen läsnä ollessa KMn04 toimii pelkistimenä; reaktiossa (2) sulfiittianioni SO 
- hapettava aine, koska H2S:llä voi olla vain pelkistäviä ominaisuuksia.
Näin ollen monimutkaisten aineiden joukossa restauroijat voi olla:
1. Yksinkertaiset aineet, joiden atomeilla on alhainen ionisaatioenergia ja elektronegatiivisuus (erityisesti metallit).
2. Monimutkaiset aineet, jotka sisältävät atomeja alemmassa hapetustilassa:
H Cl,H2 S,N H 3
Na 2 S O3, Fe Cl2, Sn(NO 3) 2 .
Hapettavat aineet voi olla:
1. Yksinkertaiset aineet, joiden atomeilla on korkeat elektroniaffiniteetin ja elektronegatiivisuuden arvot - epämetallit.
2. Monimutkaiset aineet, jotka sisältävät atomeja korkeammassa hapetustilassa: +7 +6 +7
K Mn O 4, K 2 Cr 207, HClO4.
3. Monimutkaiset aineet, jotka sisältävät atomeja välihapetustilassa:
Na 2 S O3, Mn O2, Mn SO4.
