Спонтанност и окислително-редукционни реакции

Трябва да отговорим дали Pb2+ може да окисли алуминий или мед при стандартни условия. И също така да изчислим стандартния клетъчен потенциал Ео за всяка реакция при 25°C. Тук имаме таблица със стандартните електродни потенциали, малка извадка от нея, и имаме записани реакциите, отляво са процесите на редукция, а вдясно са стандартните електродни потенциали за тези реакции, измерени във волтове. Във въпроса се пита дали Pb2+ може да окисли тези метали. Това означава, че Pb2+ действа като окислител, а то самото трябва да бъде редуцирано, но действа като окислител. По принцип окисляващите агенти могат да окислят всеки редукционен агент, който лежи под тях в таблицата със стандартните редукционни потенциали, значи Pb2+, нека да видим, силата на окислителите се повишава нагоре. Тъй като окисляващият агент окислява всеки редуциращ агент под него в таблицата, намирам, че алуминият е под Pb2+. Можем да предвидим, че Pb2+ ще окисли алуминият, значи казваме да за алуминий. Можем да начертаем един диагонал, от Pb2+ до алуминий и предсказваме, че това може да се случи. Тази реакция е възможна. Може да срещнеш това като диагоналното правило. Сега да видим дали Pb2+ може да окисли мед. Един окисляващ агент не може да окисли редуциращ агент, който се намира над него в таблицата със стандартните редукционни потенциали. така че ако направя линия от Pb2+ до мед, тук отиваме нагоре. Този редуциращ агент, медта, се намира над Pb2+. Така че този процес е невъзможен, предвиждането ни е, че не става. Значи Pb2+ не може да окисли мед при стандартни условия. Сега да изчислим стандартните клетъчни потенциали за тези реакции, за да потвърдим нашите прогнози. Започваме с Pb2+, което окислява алуминий. Ако Pb2+ окислява, нека да запиша Pb2+, тази реакция тук, ще я оставим така, като редукционната част от процеса. Значи редукционната реакция е Pb2+ плюс два електрона, и получаваме олово. Стандартният редукционен потенциал за тази реакция е –0,13 волта. Това е –0,13 волта. Сега да напишем окислителната част от реакцията за алуминия, ето го алуминия и ще запишем окислителната част от реакцията. значи трябва да обърнем тази редукционна реакция. Записвам алуминий, нали, който става Al3+. За да стане това, той трябва да загуби три електрона при окисление. Търсим стандартния окислителен потенциал за тази реакция. Правили сме го няколко пъти. Когато обръщаш посоката на една редукционна реакция, тя става окислителна реакция, това, което направихме тук, просто сменяш знака на стандартния редукционен потенциал. Стандартният редукционен потенциал е –1,66 волта, просто трябва да сменим знака и става 1,66 волта. Стандартният окислителен потенциал е +1,66 волта. Ако искаме да запишем цялата реакция, трябва да изравним всичко. Броят на електроните трябва да е еднакъв. Това може да стане, като умножим първата реакция по три, защото ще получим шест електрона. Три по две дава шест електрона. Броят на електроните трябва да бъде еднакъв, така че ще умножим втората реакция по две, защото две по три също дава шест. Сега да направим изчисленията. Имаме 3Pb2+, при редукция ще имаме 3Pb2+ плюс 3 пъти по два електрона, това са шест електрона, и получаваме олово 3Pb. Умножаваме химичното уравнение, но запомни, че не умножаваме стандартния редукционен потенциал, защото напрежението е неадитивна величина. Значи стандартния редукционен потенциал остава –0,13 волта. Сега да видим частта с окислението. Имаме два пъти алуминий, значи 2Al и после получаваме 2Al3+ и шест електрона, два пъти по три дава шест електрона. Още веднъж, не умножаваме окислителния потенциал по две, защото това е неадитивна характеристика. Стандартният окислителен потенциал остава +1,66 волта. За да получим цялата реакция, просто събираме двете части на процеса, да ги съберем, за да получим пълния процес. Електроните се съкращават, да запиша изходните вещества, имаме 3Pb2+... плюс 2Al, получаваме 3Pb, значи 3Pb плюс 2Al3+. Значи имаме 2Al3+. Спонтанна ли е тази реакция? Спонтанен ли е този окислително-редукционен процес? Можем да открием това, като сметнем стандартния клетъчен потенциал, което се иска в задачата. Какъв е стандартният клетъчен потенциал? Просто събираме стандартния редукционен потенциал и стандартния окислителен потенциал. Точно както събрахме химичните уравнения на двете части, така събираме и потенциалите. Събираме стандартния редукционен потенциал за тази част от реакцията и стандартният окислителен потенциал за тази част от процеса, получаваме стандартния потенциал на клетката. Това е –0,13, нали, Значи –0,13 плюс 1,66, Това е равно на + 1,53. Стандартният клетъчен потенциал е + 1,53 волта. Запомни, когато стандартният клетъчен потенциал е положителен, това означава спонтанна реакция. Значи тази реакция е спонтанна, както предсказахме. Ние предсказахме, че Pb2+ може да окисли алуминий, но да се върнем отново към задачата, спомни си, въпросът беше може ли Pb2+ да окисли алуминий. И ние предсказахме, че може, като използвахме диагоналното правило, тази стрелка надолу и после изчислихме стандартния клетъчен потенциал, който потвърди нашето предположение. Сега да видим медта. Казахме, че Pb2+ не може да окисли медта. Хайде да намерим стандартния клетъчен потенциал, за да потвърдим предположението си. Ще запазим тази реакция, нали? Ще запазим тази част аз оловото, а после за медта ще използваме обърната реакцията, която е дадена тук. Да запишем наобратно тази реакция, и когато пишеш обратното, запомни, че трябва да обърнеш знака, това е +0,34 за редукция на Cu2+, а за окисляване на мед е –0,34, стандартният окислителен потенциал. Да се върна долу, където има място и да намерим стандартния клетъчен потенциал. Записвам първо редукционната част от процеса, това е Pb2+ плюс два електрона, и получаваме олово, стандартният редукционен потенциал за тази реакция –0,13 волта. За окислителната част на процеса, това е окислението на медта, медта се превръща в Cu2+ и губи два електрона, при окислението губим електрони, и стандартният окислителен потенциал за тази част от процеса, както казах по-горе, е –0,34. –0,34, защото това е окислителната част на процеса. За да намерим общата реакция, просто събираме двете части. Вече сме изравнили броя на електроните, те се съкращават, и имаме нашите изходни вещества, ще ги запиша тук. Имаме Pb2+ плюс мед, и продуктите са олово и Cu2+. Те са олово и Cu2+. Сега да изчислим стандартния клетъчен потенциал. За да го намерим, трябва да съберем стандартния редукционен потенциал и стандартния окислителен потенциал, значи –0,13 плюс –0,34. Това е равно на –0,47 волта. Стандартният клетъчен потенциал за тази реакция, това, което току-що написах, е отрицателен, а щом той е отрицателен, знаем, че тази реакция не е спонтанна. Нека го запиша тук в червено. Това не е спонтанна реакция. Значи стандартният клетъчен потенциал е отрицателен. Ако изчислим стандартната промяна на свободната енергия, тъй като стандартният клетъчен потенциал е отрицателен, ще получим положителна стойност за стандартната промяна на свободната енергия. Това не е спонтанна реакция. Нека се върнем отново горе, да се върнем в началото. Ние направихме нашите предвиждания на база стандартния редукционен потенциал. Сега просто потвърдихме, че Pb2+ няма да окисли медта, че това не е спонтанна реакция. Алуминият се окислява по-лесно от медта, и можем да заключим това на база този пример, или можеш да сравниш стандартните редукционни потенциали. Можеш да видиш, че алуминият тук долу има по-отрицателна стойност от стандартния редукционен потенциал, и следователно се окислява по-лесно. Значи алуминият се окислява по-лесно от медта. Можем да кажем, че алуминият е по-активен от медта, Нека го напиша. Алуминият е по-активен от медта. Ако си спомняш таблиците на активността, те могат да се обяснят като разгледаме стандартните редукционни потенциали. Това е просто друг начин на разглеждане на нещо, което вероятно вече знаеш.