Reakcje redoks i ogniwa galwaniczne

1.Elektroujemność a stopień utleniania

Przy ustalaniu stopni utleniania elektrony wiązania przypisuje się bardziej elektroujemnemu atomowi. Pierwiastki o mniejszej elektroujemności mają zwykle dodatnie stopnie utleniania, a bardziej elektroujemne - ujemne.

2.Stopień utleniania pierwiastka w stanie wolnym

Atom pierwiastka w stanie wolnym ma stopień utleniania równy $0$. Dotyczy to zarówno metali, jak i pierwiastków tworzących cząsteczki.

3.Suma stopni utleniania w obojętnej cząsteczce

Suma stopni utleniania wszystkich atomów w obojętnej cząsteczce wynosi $0$. Stopień utleniania każdego pierwiastka trzeba pomnożyć przez liczbę jego atomów.

4.Suma stopni utleniania w jonie

Suma stopni utleniania wszystkich atomów w jonie jest równa jego ładunkowi. W jonie jednoatomowym stopień utleniania jest równy ładunkowi jonu.

5.Stopień utleniania tlenu w nadtlenkach

W nadtlenkach tlen ma stopień utleniania $-\mathrm{I}$. Podczas obliczeń należy uwzględnić ten wyjątek zamiast typowego stopnia utleniania tlenu $-\mathrm{II}$.

6.Stopień utleniania tlenu w ponadtlenkach

W ponadtlenkach średni stopień utleniania atomu tlenu wynosi $-\frac{1}{2}$. Dwa atomy tlenu tworzą grupę o łącznym ładunku $-1$.

7.Rozróżnianie nadtlenków i ponadtlenków

W nadtlenkach występuje grupa $\ce{O2^2-}$, a w ponadtlenkach grupa $\ce{O2-}$. Ładunek grupy podzielony przez liczbę atomów tlenu pozwala ustalić jego średni stopień utleniania.

8.Stopnie utleniania węgla w związkach organicznych

Stopień utleniania atomu węgla ustala się z uwzględnieniem jego wiązań i elektroujemności połączonych z nim atomów. Atomy węgla w jednej cząsteczce mogą mieć różne stopnie utleniania, dlatego trzeba analizować ich otoczenie osobno.

9.Reakcja redoks

Reakcja, w której zmieniają się stopnie utleniania pierwiastków. Utlenianie i redukcja zachodzą jednocześnie, a elektrony oddawane przez reduktor są przyjmowane przez utleniacz.

10.Utlenianie

Proces oddawania elektronów, któremu towarzyszy wzrost stopnia utleniania pierwiastka.

11.Redukcja

Proces przyjmowania elektronów, któremu towarzyszy obniżenie stopnia utleniania pierwiastka.

12.Utleniacz

Substancja przyjmująca elektrony od reduktora. Sama ulega redukcji, więc stopień utleniania odpowiedniego pierwiastka w utleniaczu maleje.

13.Reduktor

Substancja oddająca elektrony utleniaczowi. Sama ulega utlenianiu, więc stopień utleniania odpowiedniego pierwiastka w reduktorze rośnie.

14.Rozpoznawanie ról reagentów w reakcji redoks

Porównaj stopnie utleniania przed reakcją i po niej. Wzrost wskazuje utlenianie i reduktor, a spadek - redukcję i utleniacz.

15.Dysproporcjonowanie

Reakcja redoks, w której ten sam pierwiastek z jednego substratu jednocześnie zwiększa i zmniejsza swój stopień utleniania. Substrat pełni rolę zarówno utleniacza, jak i reduktora.

16.Synproporcjonowanie

Reakcja redoks, w której atomy tego samego pierwiastka o różnych stopniach utleniania tworzą produkt o wspólnym, pośrednim stopniu utleniania. Jeden substrat ulega utlenianiu, a drugi redukcji.

17.Bilans elektronowy reakcji redoks

Liczba elektronów oddanych w procesie utleniania musi być równa liczbie elektronów przyjętych w procesie redukcji. Na tej podstawie dobiera się współczynniki reakcji.

18.Równania połówkowe

Oddzielnie opisują utlenianie i redukcję, jawnie uwzględniając elektrony. Elektrony występują po stronie produktów utleniania i po stronie substratów redukcji.

19.Bilansowanie redoks w środowisku kwasowym

Do wyrównania liczby atomów tlenu i wodoru wykorzystuje się $\ce{H2O}$ oraz $\ce{H+}$. Następnie wyrównuje się ładunki elektronami i uzgadnia ich liczbę w obu równaniach połówkowych.

20.Bilansowanie redoks w środowisku zasadowym

Do bilansowania atomów tlenu i wodoru wykorzystuje się $\ce{H2O}$ oraz $\ce{OH-}$. Po wyrównaniu ładunków elektronami należy uzgodnić liczbę elektronów w obu procesach.

21.Bilans atomów i ładunku

Poprawne równanie reakcji zachowuje liczbę atomów każdego pierwiastka oraz całkowity ładunek. Spełnienie tylko jednego z tych warunków nie wystarcza.

22.Uzgadnianie liczby elektronów

Równania połówkowe mnoży się przez takie liczby, aby liczba oddanych i przyjętych elektronów była jednakowa. Mnożenie obejmuje wszystkie składniki równania, nie tylko elektrony.

23.Łączenie równań połówkowych

Po uzgodnieniu liczby elektronów dodaje się równania połówkowe stronami. Elektrony oraz jednakowe składniki występujące po obu stronach skraca się.

24.Kontrola końcowego równania redoks

Sprawdź liczbę atomów każdego pierwiastka, sumę ładunków po obu stronach oraz zgodność z podanym środowiskiem. W sumarycznym równaniu reakcji redoks elektrony nie powinny pozostawać.

25.Półogniwo

Układ złożony z elektrody zanurzonej w roztworze elektrolitu. Na granicy elektrody i roztworu może zachodzić proces utleniania albo redukcji.

26.Elektroda i elektrolit

Elektroda jest przewodzącym elementem półogniwa, a elektrolit - roztworem zawierającym jony. Ich kontakt tworzy granicę faz, przy której zachodzi proces elektrodowy.

27.Półogniwo metaliczne

Składa się z metalu zanurzonego w roztworze zawierającym jego jony. Metal i jego jony tworzą parę uczestniczącą w przemianie elektrodowej.

28.Półogniwo redoks

Zawiera elektrodę przewodzącą oraz formę utlenioną i zredukowaną układu redoks w roztworze. Wymiana elektronów dotyczy tych form, a nie przemiany metalu elektrody w jego jony.

29.Półogniwo pierwszego rodzaju

Półogniwo metaliczne: metal pozostaje w kontakcie z roztworem swoich jonów. Jego zapis obejmuje metal i odpowiednie kationy rozdzielone granicą faz.

30.Półogniwo drugiego rodzaju

Półogniwo zawierające metal, jego trudno rozpuszczalną sól oraz roztwór z anionami tej soli. W zapisie trzeba uwzględnić wszystkie te składniki.

31.Półogniwo gazowe

Półogniwo, w którym w procesie elektrodowym uczestniczy gaz. Przewodząca elektroda umożliwia wymianę elektronów między gazem a jonami w roztworze.

32.Anoda i katoda

Anoda jest elektrodą, na której zachodzi utlenianie, a katoda - elektrodą, na której zachodzi redukcja. W ogniwie galwanicznym anoda ma znak ujemny, a katoda dodatni.

33.Potencjał standardowy a siła reduktora i utleniacza

Niższy potencjał standardowy $E^\circ$ oznacza większą skłonność formy zredukowanej do utleniania - jest ona silniejszym reduktorem. Wyższy potencjał oznacza większą skłonność formy utlenionej do redukcji - jest ona silniejszym utleniaczem.

34.Przepływ elektronów w ogniwie galwanicznym

Elektrony płyną w obwodzie zewnętrznym od anody ujemnej do katody dodatniej. Na anodzie są oddawane, a na katodzie przyjmowane.

35.Umowny kierunek prądu w ogniwie galwanicznym

W obwodzie zewnętrznym umowny kierunek prądu biegnie od katody dodatniej do anody ujemnej. Jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów.

36.Klucz elektrolityczny

Umożliwia przepływ jonów między roztworami półogniw. Dzięki temu obwód ogniwa może pozostawać zamknięty również przez część elektrolityczną.

37.Schemat ogniwa galwanicznego

Anodę zapisuje się po lewej stronie, a katodę po prawej. Pionowa kreska oznacza granicę faz, a podwójna kreska - połączenie elektrolityczne między półogniwami.

38.Ogniwa odwracalne i nieodwracalne

W ogniwie nieodwracalnym reakcje przebiegają tylko w jednym kierunku. Ogniwo odwracalne można regenerować przez doprowadzenie prądu stałego z zewnętrznego źródła.

39.Ogniwo Daniella

Ogniwo złożone z półogniwa cynkowego i miedziowego. Cynk jest anodą i ulega utlenianiu, a na katodzie zachodzi redukcja jonów miedzi(II).

40.Siła elektromotoryczna ogniwa

Standardową siłę elektromotoryczną oblicza się ze wzoru $\mathrm{SEM}^\circ = E^\circ_{\mathrm{katody}} - E^\circ_{\mathrm{anody}}$. Od potencjału katody odejmuje się potencjał anody, zachowując ich znaki.