Szereg elektrochemiczny − jak z niego korzystać ?

1. Co to jest szereg elektrochemiczny ?

Szereg elektrochemiczny znajdziemy w tablicach maturalnych. Najpierw przedstawię Wam wycinek ze starszych tablic, ponieważ tam pierwiastki były uszeregowane od najniższego potencjału standardowego do najwyższego. Potem pokażę Wam, jak ten układ się zmienił w nowym wydaniu tablic.

Kiedyś szereg elektrochemiczny był podany w nieco łatwiejszej formie

Najpierw jednak musimy się dowiedzieć czym jest ten potencjał standardowy.

2. Potencjał standardowy, czyli jak bardzo chcesz się redukować ?

Dopiero zaczynamy elektrochemię, a już pojawiła się najważniejsza dla Ciebie informacja. Jeśli tego nie zapamiętasz, to zginiesz i nie zrozumiesz tego działu.

Potencjał standardowy określa jak bardzo atom chce się redukować.

To jest turbo zajebiście ważne. Zapamiętaj.

Jak już wiesz, bez znajomości redoksów nie podchodzimy w ogóle do elektrochemii. Zatem wiemy już, że redukcja to było dodawanie elektronów. Przypomnę dla przyzwoitości, że nie trzeba było tego pamiętać[1], bo przecież wystarczy wziąć dowolne reakcje połówkowe i ogarnąć stopnie utlenienia, a następnie samemu zobaczyć co się dzieje.

Cu2+ + 2e ⟶ Cu

Al  3e  ⟶ Al3+

W powyższej reakcji miedź przechodzi ze stopnia +II na zerowy, więc się redukuje. Wniosek? Redukcja to dodawanie elektronów (zmniejsza się stopień utlenienia). Natomiast fluor przechodzi ze stopnia utlenienia równego 0 na +III , a zatem się utlenia. Wniosek? Utlenianie to odejmowanie (utrata) elektronów.

I teraz kolejna mega istotna rzecz!

Potencjał standardowy jest ZAWSZE określony dla reakcji redukcji

Jejku, jaki ten potencjał jest ważny, mówię Ci! Musisz to ogarniać!

I teraz tak naprawdę nawet ,,nie trzeba” tego już pamiętać, bo to jest ta jedna ze zmian w nowych tablicach maturalnych.

W nowych tablicach maturalnych zamiast ,,szereg elektrochemiczny” mamy napisane : potencjał standardowy redukcji.

Czyli np. jak odczytujemy potencjał dla srebra czy cynku, glinu z tablic, to jest on zawsze zapisany dla redukcji (dodawania elektronów i przechodzenia z wyższego do niższego stopnia utlenienia!)

Ag+ + e ⟶ Ag

Zn2+ + 2e ⟶ Zn

Al3+ + 3e ⟶ Al

Dobrze i teraz najważniejsza rzecz, czyli jak interpretować wartość potencjału standardowego? Skoro potencjał odpowiadał na pytanie : ,,Jak bardzo chcesz się redukować?” , to myślę, że całkiem logiczny jest wniosek :

Im wyższy potencjał standardowy tym większe parcie na redukcję. Inaczej : jak mamy duży potencjał standardowy, to atom bardziej chce się redukować, czyli przyjmować elektrony.

Jak interpretować wartości potencjałów standardowych?

Ja wiem, ze to co teraz napiszę może się wydawać nieco śmieszne, ale uważaj, bo :

1,6 < 0,8

W ocenianiu potencjałów standardowych zauważyłem taki typowy błąd, że patrzycie pochopnie tylko na liczby, nie zwracają uwagę na minusy! Więc powyżej macie zapisane, że liczba minus 1,6 jest mniejsza niż 0,8. Także pilnuj się!

3. Do czego służy potencjał standardowy ?

Zobaczmy na wybrane wartości potencjałów standardowych. Przy okazji jeszcze zapomniałem o w sumie najbardziej podstawowej rzeczy! Symbolem potencjału standardowego jest E°, a jego jednostką jest wolt (V)[2].

KationAgAl3+ Cd2+ Bi3+ 
 (V)0,8 − 1,68   − 0,4  0,3
Wartości potencjałów standardowych dla wybranych pierwiastków

Z tej tabelki (czyli ogólnie z potencjałów) możemy odczytać, że :

➤ Srebro najbardziej chce się redukować, a glin najmniej.

➤ Srebro najmniej chce się utleniać, a glin najbardziej by chciał się utleniać!

➤ Skoro srebro najbardziej chce się redukować, to będzie najsilniejszym utleniaczem! Bo zobacz, skoro srebro się redukuje, to drugi reagent musi się utleniać. Jeśli srebro ma największe parcie na redukcję, to będzie też najsilniejszym utleniaczem.

➤ Analogicznie, glin będzie najsilniejszym reduktorem, bo ma największe ciśnienie na to, żeby się utlenić[3]!

➤ Jeśli np. srebro miałoby reagować z bizmutem, to tylko tak, żeby to srebro się redukowało, a bizmut utleniał, bo srebro ma największą wartość potencjału = najbardziej chce się redukować! Czyli reakcja (1) zajdzie, a reakcja numer (2) nie zajdzie.

(1) : 3Ag + Bi ⟶ 3Ag + Bi3+ 

(2) : 3Ag + Bi3+  ⟶ 3Ag + Bi

Te wszystkie wnioski, które wyciągnęliśmy są jak najbardziej logiczne, o ile tylko ogarniamy fakt, że potencjał standardowy określa tendencję do redukcji. Dalej już pójdzie z górki.

Jak widzisz, trzeba ten proces myślenia rozpracować sobie na spokojnie, krok po kroku, ale do wszystkiego da się dzięki temu dojść. Więc jak zobaczycie w szkole/książkach jakieś głupie regułki, to nie uczcie się tego. Jedyne co trzeba zapamiętać to znaczenie potencjału standardowego.

Jednak i tak spiszę kilka takich wytycznych, ale tylko w celach treningowych, abyś sobie to dobrze poukładał w głowie. Podobno jak się będziesz tego uczyć na pamięć, to tekst to wyczuje i zniknie jakby był napisany tym śmieszkowym atramentem znikającym.

Niska wartość
potencjału standardowego
Wysoka wartość
potencjału standardowego
Nie chce się redukować,
woli się utleniać.
Chce się redukować,
nie chce się utleniać.
Jest dobrym reduktorem,
słabym utleniaczem.
Jest dobrym utleniaczem
i słabym reduktorem.
Jak wykorzystać potencjał standardowy ?

Oczywiście pojęcia ,,niska i wysoka wartość potencjału” to pojęcia względne. Zawsze porównujemy dwie wartości potencjałów.

4. W sumie nie korzystamy z szeregu elektrochemicznego tylko z potencjałów

Teraz możemy dopiero zawrócić do samego szeregu elektrochemicznego. W rzeczywistości szereg elektrochemiczny to po prostu zbiór potencjałów standardowych. W starej wersji tablic maturalnych, zostały one podane od najniższej wartości do najwyższej.

W nowych zostały podane alfabetycznie, czyli zaczyna się od srebra (Ag), a kończy na cynku (Zn). Nie ma to dla nas żadnej różnicy, chociaż macie teraz ułatwioną sytuację, bo nawet reakcja redukcji jest podana.

I ten ,,szereg elektrochemiczny” , najczęściej wykorzystuje się do tego, aby ustalić czy dana reakcja zachodzi. My już doskonale wiemy, jak sobie poradzić z takim zadaniem. Wystarczy ustalić na podstawie wartości potencjału, co bardziej chce się redukować i zobaczyć, czy faktycznie tak jest w reakcji, którą podano w zadaniu.

Załóżmy, że mamy dwie reakcje do oceny czy zajdą :

(1) : Zn  +  2NaOH  +  2H2O   ⟶   Na2Zn(OH)4  +  H2

(2) : 2Cr3+  +  6Fe3+  +  7H2O ⟶   Cr2O72ー +  6Fe2+  +  14H+  

Wycinki z tablic maturalnych :

Wartości potencjałów ogarniamy z tablic.

Widzimy, że woda bardziej chce się redukować niż kompleks cynku (  − 0,828 > − 1,199), a w reakcji (1) też tak jest : woda redukuje się do wodoru, zatem reakcja (1) zachodzi!

Dalej patrzymy że dichromian (VI) bardziej chce się redukować niż żelazo (III), bo (1,36 > 0,771) , a w naszej reakcji jest odwrotnie, bo to żelazo się ma rzekomo redukować. Czyli reakcja (2) nie zachodzi!

Szereg elektrochemiczny wykorzystuje się także do ustalenia czy metal może wypierać wodór z kwasów. I też z tej okazji zasypywani jesteśmy jakimiś głupotami, że pierwiastki nad wodorem (przed wodorem?) wypierają wodór z kwasów, a te niżej już nie. Czyli kolejna rzecz do zapamiętania… A tu nie ma absolutnie nic nowego − patrzymy na potencjały!

(1) : Fe + 2HCl ⟶ FeCl2 + H2

(2) : Cu + 2HCl ⟶ CuCl2 + H2

Patrzymy na wartości potencjałów standardowych. Dla żelaza (II) wynosi − 0,447 V, dla miedzi 0,342 V , a dla wodoru zero. Więc najbardziej chce się redukować miedź, potem wodór, na końcu żelazo. W reakcji (1) faktycznie to wodór się redukuje, a nie żelazo, więc wszystko jest ok. Można by górnolotnie powiedzieć : ,, żelazo wypiera wodór z kwasów”.

Reakcja (2) nie zachodzi, bo to miedź bardziej chce się redukować, więc ,,miedź nie wypiera wodoru z kwasów”. Nie bądź parówą i nie ucz się takich sloganów.

Serdecznie, serdecznie zapraszam teraz na utrwalanie tej wiedzy, nieco przeskakując o dział do przodu. Przeczytaj : aktywność chemiczna metali i niemetali.


[1] Funkcjonuje wiele znanych mnemotechnik nawet na zapamiętanie tego. Sam kiedyś się takiej nauczyłem i nie jestem z siebie dumny, że poszedłem na łatwiznę, kiedy w razie czego zawsze łatwo to sobie przypomnieć. Przykładowo : OIL (ang. olej), czyli Oxidation Is Loss (ang. utlenienia to utrata [elektronów])

[2] Słówko ,,standardowy” ma swój symbol, jakim jest stopień ° , który piszemy na górze danej wielkości (i w indeksie górnym). Więc sam potencjał ma symbol E , a potencjał standardowy to E°. Analogicznie entalpia ma symbol ΔH, natomiast entalpia standardowa to już ΔH° . Warunki standardowe to jakieś określone warunki otoczenia, w których dokonywany jest pomiar (np. ciśnienie i temperatura).

[3] I faktycznie, glin używa się właśnie do redukcji innych pierwiastków, aby otrzymać je w czystej postaci!

Cr2O3  +  2Al  ⟶  2Cr  + Al2O3 (otrzymywanie chromu)

Leave a Reply

%d bloggers like this: