5. Окислительно-восстановительные потенциалы и направление ов реакций.

Количественной характеристикой окислительной и восстановительной способности различных веществ являются значения стандартных потенциалов электрода (ОВ-потенциалов), на которых одновременно и с равными скоростями протекают полуреакция восстановления и обратная ей полуреакция окисления.

Ряд стандартных потенциалов называется также рядом напряжений металлов. Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1. Чем более отрицателен электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.

2. Каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в электрохимическом ряду напряжений металлов после него.

3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал, т. е. находящиеся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.

Каждому окислителю в конкретных условиях соответствует определенный восстановитель: перманганат-иону МnO₄^- в кислой среде соответствует восстановитель Мn²⁺, в щелочной среде – МnO₂. Окисленная и восстановленная формы вещества образуют сопряженную ОВ-пару.

Этот окислительно-восстановительный потенциал измеряется по отношению к стандартному водородному электроду и характеризует пару «окисленная форма – восстановленная форма».

Существует таблица стандартных ОВ-потенциалов, из которой следует:

1. стандартные окислительно-восстановительные потенциалы являются количественной характеристикой как процесса восстановления, так и обратного ему процесса – окисления;

2. окисленная форма ОВ-пары с большим значением Е⁰ играет роль окислителя по отношению к восстановленной форме пары с меньшим значением Е⁰;

3. чем больше Е⁰, тем более четко выражена окислительная способность системы и тем меньше – ее восстановительная способность;

4. окислительно-восстановительная реакция будет протекать в прямом направлении только в том случае, если электродвижущая сила реакции (ЭДС), вычисляемая как Е⁰_окис - Е⁰_восст, имеет положительное значение, причем чем больше ЭДС, тем интенсивнее протекает реакция;

5. окислительно-восстановительные процессы идут в направлении образования более слабых окислителей и восстановителей.

По ОВ-потенциалам можно судить о направлении ОВ-реакций. Исходя из значений ОВ-потенциалов реагирующих веществ можно предсказать конечные продукты реакции, зная направление ОВ-процесса, можно правильно подобрать среду для благоприятного протекания реакции.

Пример 1.

Определить, в каком направлении и с какой интенсивностью пойдут следующие реакции:

а) Fe²⁺ + F₂ = Fe³⁺ + 2F^-

б) Fe²⁺ + Cl₂ = Fe³⁺ + 2Cl^-

в) Fe²⁺ + Br₂ = Fe³⁺ + 2Br^-

г) Fe²⁺ + I₂ = Fe³⁺ + 2I^-

Решение.

По сопоставлению значений электродных потенциалов окислительных полуреакций (значения взяты из таблицы «Стандартные потенциалы ОВР»):

Е⁰ Fe²⁺/ Fe³⁺ = +0,77

Е⁰ F₂/ 2F^- = +2,87

Е⁰ Cl₂/2Cl^- = +1,36

Е⁰ Br₂/2Br^- = +1,06

Е⁰ I₂/2I^- = +0,54

видно, что окислить Fe²⁺– ионы до Fe³⁺ можно действием F₂ , Cl₂ и Br₂.

Вычислим электродвижущую силу (ЭДС) реакций:

а) 2,87 - 0,77= 2,10 В;

б) 1,36 - 0,77= 0,59 В;

в) 1,06 - 0,77 = 0,29 В.

г) 0,54 - 0,77= - 0,23 В

Наиболее сильно выражена окислительная способность у молекул F₂, менее всего – у Br₂. Ионы Fe²⁺ нельзя окислить действием I₂ т.к ЭДС = 0,54 - 0,77= - 0,23 В. Реакция будет протекать в направлении восстановления ионов Fe³⁺ иодид-ионами: Fe³⁺ + 2I^- = Fe²⁺ + I₂

Пример 2.

Определить, какая реакция будет протекать, если на раствор SnCl₄ подействовать металлическим железом:

а) Fe + Sn⁴⁺ = Fe²⁺ + Sn²⁺

б) Fe + Sn⁴⁺ = Fe²⁺ + Sn

Решение.

Е⁰ Fe/ Fe²⁺ = +0,44В

Е⁰ Sn⁴⁺/ Sn²⁺ = +0,15 В

Е⁰ Sn⁴⁺/ Sn = +0,01 В

ЭДС реакций:

0,15 - (-0,44) = +0,59;

0,01 - (-0,44) = +0,45 В.

Так как в первую очередь протекает тот процесс, которому соответствует наибольшая разность стандартных ОВ-потенциалов, пойдет реакция восстановления Sn⁴⁺ до Sn²⁺: Fe + Sn⁴⁺ = Fe²⁺ + Sn²⁺

6