Δυνατότητα μείωσης
Το δυναμικό μείωσης μετρά την τάση ενός χημικού είδους να αποκτά ή να χάνει ηλεκτρόνια από ένα ηλεκτρόδιο και έτσι να μειώνει ή να οξειδώνει. Μπορούμε να εκφράσουμε το δυναμικό οξειδοαναγωγής σε βολτ ή millivolt.
Σημαίνει ότι κάθε είδος περιέχει μοναδικό εγγενές δυναμικό οξειδοαναγωγής. Για παράδειγμα, ένα είδος με μεγαλύτερο δυναμικό μείωσης έχει μεγαλύτερη συγγένεια με τα ηλεκτρόνια και επομένως είναι πιο πιθανό να μειωθεί.
Το δυναμικό οξειδοαναγωγής μετρά την επίδραση των περιβαλλοντικών συνθηκών στη χημική ή ηλεκτροχημική αντιδραστικότητα των ουσιών. Επομένως, μπορούμε επίσης να το χρησιμοποιήσουμε για την πρόβλεψη της αντιδιαβρωτικής προστασίας διαφόρων ουσιών και συστημάτων.
Ακολουθούν παραδείγματα πιθανής μείωσης:
| Αντίδραση | Δυνατότητα μείωσης (βολτ) |
| Cl2 + 2e- →2 Cl- | +1,36 |
| O2 + 4H+ +4e-→ 2H2 | +1,23 |
Μέτρηση και ερμηνεία
Το δυναμικό οξειδοαναγωγής τείνει να κερδίζει ή να χάνει ηλεκτρόνια κατά την εισαγωγή ενός νέου είδους σε ένα υδατικό διάλυμα. Επομένως, λύσεις θετικού δυναμικού μείωσης θα δεχτούν πιο εύκολα νέα είδη ηλεκτρονίων. Μπορούμε να ορίσουμε δυναμικά μείωσης με ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς γιατί η μέτρηση των απόλυτων δυναμικών είναι πρακτικά αδύνατη. Αντίθετα, μπορούμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού μεταξύ ενός σταθερού ηλεκτροδίου αναφοράς που συνδέεται με μια γέφυρα άλατος και ενός αδρανούς ηλεκτροδίου αίσθησης για να προσδιορίσουμε το δυναμικό μείωσης του υδατικού διαλύματος.
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια πλατφόρμα μεταφοράς ηλεκτρονίων από πλατίνα, χρυσό ή γραφίτη για να μεταφέρουμε ηλεκτρόνια προς ή από το μισό κύτταρο αναφοράς. Το ημικύτταρο αναφοράς έχει ένα γνωστό τυπικό δυναμικό οξειδοαναγωγής. Το τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου (SHE), το οποίο εκχωρεί ένα αυθαίρετο δυναμικό μισού στοιχείου 0,0 mV, χρησιμεύει ως αναφορά για όλα τα τυπικά δυναμικά οξειδοαναγωγής. Αλλά είναι εύθραυστο και μη πρακτικό για καθημερινή εργαστηριακή χρήση. Χρησιμοποιούμε χλωριούχο άργυρο (SC) και κορεσμένη καλομέλα (SCE) ως πιο σταθερά ηλεκτρόδια αναφοράς.
Αν και η μέτρηση του δυναμικού οξειδοαναγωγής του υδατικού διαλύματος είναι πολύ απλή. Πολλά ζητήματα περιορίζουν την ερμηνεία του οξειδοαναγωγικού δυναμικού του υδατικού διαλύματος, συμπεριλαμβανομένης της μη ισορροπίας, της παρουσίας πολλών ζευγαριών οξειδοαναγωγής, της δηλητηρίασης του ηλεκτροδίου, της μικρής ανταλλαγής ρευμάτων, των επιδράσεων της θερμοκρασίας του διαλύματος και του pH, της αργής κινητικής των ηλεκτροδίων, των μη αναστρέψιμων αντιδράσεων και των αδρανών ζευγαριών οξειδοαναγωγής. Ως αποτέλεσμα, οι πρακτικές μετρήσεις σπάνια ταιριάζουν με τις υπολογισμένες τιμές. Ωστόσο, η μέτρηση του δυναμικού μείωσης έχει αποδειχθεί ευεργετική ως αναλυτικό εργαλείο για την παρακολούθηση των αλλαγών του συστήματος αντί για τον προσδιορισμό της απόλυτης τιμής τους.
Εξήγηση πιθανής μείωσης
Μια διαφορά δυναμικού σχηματίζεται στη διεπιφάνεια μετάλλου-διαλύματος όταν ένα μέταλλο βυθίζεται στο διάλυμα ιόντων του. Το μέγεθος της διαφοράς δυναμικού αποκαλύπτει την τάση των ηλεκτροδίων να οξειδώνονται, να χάνουν ή να αποκτούν ηλεκτρόνια.
Το ιόν και το μέταλλο αντιπροσωπεύουν ημικύτταρα και μια αντίδραση θεωρείται ημιαντίδραση. Το βυθισμένο μέταλλο ονομάζεται ηλεκτρόδιο. Το δυναμικό μετά την αντίδραση του διαλύματος και του ηλεκτροδίου είναι γνωστό ως δυναμικό ηλεκτροδίου. Εδώ, η απώλεια ή η απόκτηση ηλεκτρονίων είναι γνωστή ως δυναμικό ηλεκτροδίου. Η μείωση που συμβαίνει στο ηλεκτρόδιο είναι γνωστή ως δυναμικό μείωσης.
Το δυναμικό οξείδωσης εμφανίζεται όταν συμβαίνει οξείδωση στο ηλεκτρόδιο:
M ⇢ M2 + + 2e
Ένα θετικό φορτίο συσσωρεύεται στη μεταλλική ράβδο καθώς τα μεταλλικά ιόντα αρχίζουν να εναποτίθενται στη μεταλλική επιφάνεια. Εφόσον η οξείδωση είναι το αντίστροφο της αναγωγής, η αλλαγή του πρόσημου παρέχει το δυναμικό μείωσης.
Για ένα ηλεκτρόδιο, γενικά,
Δυνατότητα οξείδωσης =–Δυνατότητα μείωσης
Για παράδειγμα, το τυπικό δυναμικό οξείδωσης για τον ψευδάργυρο είναι
Eo (Zn/Zn) =0,76V
καθώς και τυπική δυνατότητα μείωσης ως
Eo (Zn/Zn) =-0,76V
Όλα τα δυναμικά ηλεκτροδίων συνήθως εκφράζονται ως δυναμικά μείωσης.
Η IUPAC (Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας) υιοθέτησε πρόσφατα το δυναμικό μείωσης ως ονομασία για το δυναμικό ηλεκτροδίου.
Μπορούμε να αναπαραστήσουμε το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου με Ε όταν πραγματοποιήσουμε την αντίδραση μισού κυττάρου στους 298 Κ και το ηλεκτρόδιο αιωρείται σε διάλυμα μίας μοριακής συγκέντρωσης. Χρησιμοποιώντας το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου Ε, μπορούμε να αξιολογήσουμε τη θερμοδυναμική δραστηριότητα διαφόρων χημικών ουσιών. Αλλά δεν υπάρχει μέθοδος για τον προσδιορισμό της απόλυτης αξίας του. Μπορούμε να μετρήσουμε το δυναμικό ενός ηλεκτροδίου χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρόδιο υδρογόνου.
Η συγκέντρωση σε διάλυμα σε επαφή με μέταλλο καθορίζει το δυναμικό του ηλεκτροδίου. Όταν η συγκέντρωση των ιόντων αυξάνεται, το δυναμικό οξείδωσης ενός ηλεκτροδίου μειώνεται και όταν η συγκέντρωση των ιόντων μειώνεται, το δυναμικό μείωσης αυξάνεται.
Μισά κελιά
Ένας ηλεκτρολύτης διαχωρίζει τα δύο μισά στοιχεία μιας μπαταρίας, καθιστώντας την μπαταρία κυψέλη. Τα ηλεκτρόδια συνδέουν τα μισά κύτταρα σε ένα κύκλωμα έξω από το στοιχείο. Αν και δεν είναι απαραίτητο, κάθε ηλεκτρόδιο μπορεί να είναι μέρος ενός ζευγαριού οξειδοαναγωγής.
Η συγκέντρωση H+(aq), η πίεση αερίου υδρογόνου (105Pa) και η θερμοκρασία (298) K είναι οι τυπικές παράμετροι λειτουργίας για το μισό στοιχείο υδρογόνου.
Μπορούμε να μετρήσουμε κάθε μισό στοιχείο στο μισό στοιχείο υδρογόνου αναφοράς, δημιουργώντας μια λίστα δυναμικών ηλεκτροδίων για ένα τυπικό μισό στοιχείο υδρογόνου. Αυτή η ημιαντίδραση μισού κυττάρου είναι
2H(aq) + 2e ⇌ H2 (ζ)
Επειδή τα δυναμικά των ηλεκτροδίων ποικίλλουν ανάλογα με τη θερμοκρασία, ορίζουμε μια τυπική θερμοκρασία, και αυτή είναι 298K. Επειδή η αλλαγή της συγκέντρωσης οποιωνδήποτε ιόντων στις ημι-αντιδράσεις επηρεάζει τις τάσεις, χρησιμοποιούμε μια τυπική συγκέντρωση ιόντων 1,00 mol dm. Η τυπική πίεση είναι 105 Pa.
- Ένα τυπικό μισό στοιχείο υδρογόνου έχει δυναμικό 0,0 V, επιλεγμένο για λόγους ευκολίας.
- Η διαφορά μεταξύ μισού στοιχείου και τυπικού μισού στοιχείου υδρογόνου είναι το τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου E.
- Το σύμβολο Eo Values αλλάζει όταν βυθίζεται σε διάλυμα άλατος μετάλλου 1,00 mol dm στους 298 K.
Συμπέρασμα
Η ικανότητα απόκτησης ηλεκτρονίων και απώλειας τους είναι το δυναμικό μείωσης. «Τα Volt ή millivolt είναι οι μονάδες που χρησιμοποιούνται για την έκφραση αυτής της τάσης. Οι θετικές τιμές δυναμικού μείωσης υποδηλώνουν μεγαλύτερη τάση μείωσης. Η ιοντική δραστηριότητα του μετάλλου μειώνεται ως αποτέλεσμα του σχηματισμού συμπλόκου. Έτσι, η συμπλοκοποίηση μειώνει το δυναμικό μείωσης του μεταλλικού ιόντος.
Το τυπικό δυναμικό αναγωγής για ένα ελεύθερο ιόν Co είναι 1,853 V. Ωστόσο, στη συμπλεγμένη κατάσταση [Co(NH3 )6 ], το τυπικό δυναμικό μείωσης μειώνεται στα 0,1 V. [Fe(CN)6 ] το δυναμικό μείωσης είναι 0,36 V. Σε σύγκριση, το τυπικό δυναμικό μείωσης του ελεύθερου Fe είναι 0,771 V.
Γενικά, ο σχηματισμός συμπλόκου μειώνει το δυναμικό αναγωγής του μεταλλικού ιόντος, γεγονός που δείχνει ότι οι υψηλότερες καταστάσεις οξείδωσης του μεταλλικού ιόντος είναι πιο σταθερές μετά τη συμπλοκοποίηση. Επομένως, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την αλλαγή στο δυναμικό μείωσης για να ανιχνεύσουμε σχηματισμό συμπλόκου στη χημεία συνθετικού συντονισμού.
