Нормальные окислительно-восстановительные потенциалы ванадия

Окислительно восстановительный потенциал питьевой воды. ОВП | Здоровая жизнь

Нормальные окислительно-восстановительные потенциалы ванадия

от oleg_r · Июнь 5, 2016

Окислительно-восстановительный потенциал

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) является мерой химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах.

ОВП, который так же иногда называют редокс-потенциалом (RedOx — англ. Reduction/Oxidation, ORP), характеризует степень активности электронов в окислительно-восстановительных реакциях, т.е. реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов.

Значение окислительно-восстановительного потенциала для каждой окислительно-восстановительной реакции вычисляется по формуле Нернста с учетом рН-показателя (информация по измерению и расчетным данным ОВП крови и внутренних тканей содержится в книге В.И. Прилуцкого и В.М.

Бахира «Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия», Москва, 1997), выражается в милливольтах и может быть как положительным, так и отрицательным. Его положительные значения означают протекание процесса окисления и отсутствия электронов.

Отрицательные значения ОВП свидетельствуют о протекании процесса восстановления и наличии электронов.

В природной воде значение ОВП обычно находится в диапазоне от — 400 до + 700 мВ, что определяется совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов. В условиях равновесия значение окислительно-восстановительного потенциала определенным образом характеризует водную среду, и его величина позволяет делать некоторые общие выводы о химическом составе воды.

В зависимости от значения ОВП различают несколько основных ситуаций, встречающихся в природных водах:

1. Окислительная. Характеризуется значениями ОВП превышающими значения + (100 — 150) мВ, присутствием в воде свободного кислорода, а также целого ряда элементов в высшей форме своей валентности (Fe3+, Mo6+, As5-, V5+, U6+, Sr4+, Cu2+, Pb2+). Такая ситуация наиболее часто встречается в поверхностных водах.

2. Переходная окислительно-восстановительная. Определяется величинами ОВП от 0 до + 100 мВ, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов;

3. Восстановительная. Характеризуется отрицательными значениями ОВП. Такая ситуация типична для подземных вод, где присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe2+, Mn2+, Mo4+, V4+, U4+), а также сероводород.

Самым распространенным природным окислителем является кислород. Примером окислительно-восстановительных реакций является коррозия металлов или потемнение поверхности фруктов, например, яблок.

Окислительно-восстановительные реакции происходят и в организме человека. Кислород, поступающий в организм, взаимодействуют с клетками нашего тела. Он действует как окислитель, а вместо ржавчины в организме образуются и накапливаются продукты окисления – свободные радикалы. Они ускоряют разрушение клеток, активизируют процессы физиологического старения и увядания всего организма.

Разность электрических потенциалов между взаимодействующими веществами принято называть окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП).

Вода с положительным значением ОВП имеет окислительные свойства. Такие показатели наиболее часто встречаются в поверхностных водах. Вода, обладающая ярко выраженными кислотными свойствами называется «мертвой» водой. Её ОВП может достигать +800+1000 мВ. Мертвая вода является сильнейшим окислителем и этим объясняются ее дезинфицирующие и бактерицидные свойства.

Вода с отрицательным значением ОВП имеет восстановительные свойства. Это типично для подземных горных источников, талой воды. Такая вода получила название «живой» воды.

Живая вода (щелочная) является отличным стимулятором, тонизатором, источником энергии, придает бодрость, стимулирует регенерацию клеток, улучшает обмен веществ, нормализует кровяное давление. Живая вода быстро заживляет раны, ожоги, язвы (в т.ч. желудка и 12- перстной кишки), пролежни.

Живая вода используется для лечения и профилактики остеохондроза, атеросклероза, аденомы предстательной железы, полиартрита.

Обычно ОВП организма человека колеблется в диапазоне от -90 мВ до -200 мВ, а ОВП обычной питьевой воды зачастую значительно выше нуля:

— водопроводная вода от +60 мВ до +300 мВ;— вода в пластиковых бутылках от +100 мВ до +300 мВ;

— колодезная, родниковая вода от +120 мВ до +300 мВ.

В результате окислительно-восстановительных реакций, которые постоянно протекают в организме человека, высвобождается энергия, которая впоследствии используется для поддержания гомеостаза.

Гомеостаз – это способность организма сохранять относительное динамическое постоянство своего внутреннего состояния путем проведения скоординированных реакций.

Другими словами, энергия, полученная в ходе окислительно-восстановительных реакций, расходуется для обеспечения процессов жизнедеятельности организма человека, а также для регенерации его клеток.

Ученые провели серию экспериментов, направленную на установление величины окислительно-восстановительного потенциала человеческого организма.

Для измерения окислительно-восстановительного потенциала использовался платиновый электрод, а для сравнения взяли хлорсеребряный электрон.

В результате было установлено, что в нормальном состоянии ОВП человека колеблется в диапазоне от -90 до -200 милливольт.

Аналогичным методом был измерен окислительно-восстановительный потенциал питьевой воды. Эксперименты показали, что вода обычно имеет положительный ОВП, находящийся в диапазоне от +100мВ до +400 мВ.

Причем не имеет значения, какая вода используется для питья или в пищу: водопроводная, купленная в магазинах в бутылках, очищенная при помощи различных фильтров, или с использованием установок обратного осмоса.

Проведенные измерения ОВП человека и воды указывают на то, что активность электронов питьевой воды значительно уступает активности электронов человеческого организма.

От активности присутствующих в человеческом организме электронов зависят все процессы обеспечивающие его жизнедеятельность.

Известно, что все имеющие биологическое значение системы, которые отвечают за накопление и потребление энергии, репликацию и передачу различных наследственных признаков, а также системы организма, вырабатывающие различные ферменты, содержат определенные молекулярные структуры с разделенными зарядами, между которыми образуется напряженность электрического поля в пределах 104-106 В/см. Эти поля определяют передачу зарядов в биологических системах, что в свою очередь обуславливает осуществления выбора и автоконтроля на некоторых стадиях сложнейших биохимических превращений. Активность электронов, которую и выражает окислительно-восстановительный потенциал, оказывает большое влияние на функциональные свойства электроактивных компонентов биологических систем.

Из-за разности ОВП человеческого организма и питьевой воды, при попадании воды в ткани и клетки организма, происходит окислительная реакция, в результате которой клетки человека изнашиваются и разрушаются.

Каким образом можно уменьшить или замедлить клеточное разрушение организма человека? Это вполне достижимо при соблюдении условия, что вода, которая поступает в наш организм, будет иметь свойства, соответствующие свойствам нашей внутренней среды.

То есть окислительно-восстановительный потенциал воды должен иметь значения близкие значениям ОВП человеческого организма.

Чем больше разность между значениями ОВП у человека и у выпитой им воды, тем больше требуется затрат клеточной энергии для достижения соответствия воды и внутренней среды организма.

Поэтому фразу «Ты есть то, что ты ешь» с позиций современной науки можно вполне заменить фразой: «Ты есть то, что ты пьешь».

Если ОВП питьевой воды соответствует окислительно-восстановительному потенциалу внутренней среды человека, вода усваивается клетками организма без использования электрической энергии мембран клеток.

В случае, если окислительно-восстановительный потенциал потребляемой питьевой воды имеет большее отрицательное значение, нежели ОВП внутренней среды человека, то при усвоении такой воды выделяется энергия, расходуемая клетками в качестве энергетического запаса нашей антиоксидантной защиты, которая служит основным нашего щитом организма, оберегающим его от отрицательного влияния, оказываемого вредными факторами окружающей среды.

Именно из-за дисбаланса механизмов окислительно-восстановительных процессов в человеческом организме появляются многие болезни человека. Поэтому даже обычная вода может стать вредной для ослабленного человека.

Проникая в клетки, такая вода отбирает у них электроны и тогда биологические структуры клеток под воздействием окислительной атаки разрушаются. Все это ведет к старению организма — физиологические системы и органы быстрее изнашиваются, накапливается хроническая усталость.

Предотвратить преждевременное старение можно, если для питья регулярно использовать правильную воду, близкую по своим свойствам внутренней среде организма.

Правильная вода нормализует окислительно-восстановительный баланс.

Она приводит в порядок микрофлору ЖКТ путем стимулирования роста бифидобактерий и лактобактерий и подавляет рост патогенной микрофлоры: золотистого стафилококка, сальмонеллы, возбудителя дизентерия, аспергилл, листерий, клостридий, синегнойной палочки, бактерий, виновных в развитии язвенных болезней. С помощью правильной воды быстро восстанавливается иммунная система.

Отрицательные значения ОВП правильной питьевой воды свидетельствуют о протекании процесса восстановления и наличии свободных электронов. Отрицательно заряженная вода — живая, и именно она дает нашему организму энергию и здоровье.

Показатели измерений параметров некоторых жидкостей:

Свежая талая вода: ОВП = +95, pH = 7.0
Водопроводная вода: ОВП = +160 (обычно бывает хуже, до +600 ), рН= 4.0
Вода, настоянная на шунгите: ОВП = +250, pH = 6.0
Минеральная вода: ОВП= +250, рН= 4.6
Кипяченая вода: ОВП = +218,рН=4.

5
Кипяченная вода, спустя 3 часа: ОВП = +465, рН= 3.7
Зеленый чай: ОВП = +55, рН= 4.5
Черный чай: ОВП = +83, pH = 3.5 Кофе: ОВП = +70, pH = 5.0
Кока-Кола: ОВП=+320, рН= 2.7
Вода Корал Майн: ОВП= -150/-200, рН= 7.5/8.

3
Микрогидрин, H-500: ОВП=-200/-300, рН= 7.5/8.

5Айсберг / +150 / 7,0Аквалайн / +170 / 6,0Архыз / +60 / 6,5«Польза» / +165 / 5,5«Ледниковая талая вода» Приэльбрусский заповедник / +130 / 5,5Увинская жемчужина / +119 / 7,3Суздальская вода «серебряный сокол» / +144 / 6,5«Selters» Германия / +200 / 7,0«SРА» Бельгия / +138 / 5,0«Alpica» (в стекле) / +125 / 5,5«Alpica» (в пластике) / +150 / 5,5Ессентуки-Аква / +112 / 6,0«Shudag» премиум / +160 / 5,5«Родники Кавказа» Ессентуки 17 / +120 / 7,5Светлояр / +96 / 6,0«Демидовская плюс» / +60 / 5,5Акваника «Источник победы» / +80 / 6,0«Калипсик» Казахстан / +136 / 5,5«evian» вода Альпийских гор. Франция / +85Аparan / +115 / 6,8Квата / +130 / 6,0

«Волжанка» / +125 / 6,0

Не знаете где можно взять правильную воду? Я подскажу!

Обратите внимание:

Нажатие на кнопку «Узнать» не ведет к каким-либо финансовым тратам и обязательствам.

Вы лишь получите информацию о доступности правильной воды в Вашем регионе,

а так же получите уникальную возможность бесплатно стать членом клуба здоровых людей

и получить скидку 20% на все предложения + накопительный бонус.

Вступи в международный клуб здоровья Coral Club, получи БЕСПЛАТНО дисконтную карту, возможность участия в акциях, накопительный бонус и другие привилегии!

Окислительно-восстановительный потенциал: определение, стандарты, таблица

Нормальные окислительно-восстановительные потенциалы ванадия

Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) измеряется в вольтах (V) или милливольтах (мВ). Чем более положительный потенциал, тем большую тенденцию к сокращению и восстановлению имеет вещество. ОВП является общим показателем качества воды и часто используется при анализе состояния питьевых вод, последствий кислотных дождей, токсичных выбросов в атмосферу и т.д.

Общее описание

В водных растворах окислительно-восстановительный потенциал является мерилом тенденции решения либо получить, либо потерять электроны, когда он подвергается изменению путем введения нового вещества.

Решение с более высоким (более положительным) потенциалом восстановления, чем новый вид вещества, будет иметь тенденцию получать электроны от новых видов (т.е.

восстанавливаться путем их окисления), а раствор с более низким (более отрицательным) потенциалом восстановления будет иметь тенденцию к потере электронов для новых видов (т.е. окисляться путем их уменьшения).

Поскольку абсолютные потенциалы трудно точно измерить, редукционные потенциалы определяются относительно эталонного электрода. Редокс-потенциалы водных растворов определяются путем измерения разности ОВП между инертным чувствительным электродом в контакте с раствором и стабильным эталонным электродом, соединенным с раствором солевым мостиком.

Самые благоприятные металлы

Чувствительный электрод действует как платформа для переноса электрона в опорную половину ячейки или из нее. Это, как правило, платина, хотя золото и графит также могут использоваться. Эталонная полуячейка состоит из стандартного ОВП.

Стандартный водородный электрод является эталоном, из которого определяются все стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, и ему был задан произвольный потенциал полуэлемента 0,0 мВ. Однако он является хрупким и непрактичным для обычного лабораторного использования.

Поэтому другие более стабильные эталонные электроды такие, как хлорид серебра и насыщенный каломель (SCE), обычно используются из-за их более надежной работы.

Дополнительные факторы

Хотя измерение потенциала восстановления в водных растворах является относительно простым, многие факторы ограничивают его интерпретацию, например, влияние температуры раствора и рН, необратимые реакции, медленная кинетика электродов, неравновесность, наличие множественных окислительно-восстановительных пар, отравление электродами, небольшой обмен токов и инертных редокс-пар. Следовательно, практические измерения редко коррелируют с вычисленными значениями. Тем не менее, измерение редокс-потенциала оказалось полезным в качестве аналитического инструмента для мониторинга изменений в системе, а не для определения их абсолютной величины.

Подобно тому, как перенос ионов водорода между химическими видами определяет рН водного раствора, перенос электронов между химическими видами определяет потенциал его восстановления.

Как и рН, окислительно-восстановительный потенциал представляет собой то, как сильно электроны переносятся внутрь или вовне раствора.

Он не характеризует количество электронов, доступных для окисления или восстановления, во многом таким же образом, как рН не характеризует буферную способность вещества.

Стандарты

Фактически в решении можно определить pE, отрицательный логарифм концентрации электронов (-log), который будет прямо пропорционален стандартному окислительно-восстановительному потенциалу. Иногда pE используется как единица потенциала восстановления вместо Eh, например, в области химии окружающей среды.

Если мы нормируем pE водорода как ноль, мы будем иметь отношение pE = 16,9 Eh при комнатной температуре. Эта точка зрения полезна для понимания значения окислительно-восстановительного потенциала, хотя перенос электронов, а не абсолютная концентрация свободных электронов в тепловом равновесии, заключается в том, как обычно думают об ОВП.

Теоретически однако оба подхода эквивалентны друг к другу.

И наоборот, можно определить потенциал, соответствующий рН, в качестве разности потенциалов между растворенной и нейтральной по рН водой, разделенной пористой мембраной (проницаемой для ионов водорода). Такие разности потенциалов действительно происходят из-за различий в кислотности на биологических мембранах.

Этот потенциал (где рН равен 0 В) аналогичен окислительно-восстановительному потенциалу (где стандартизованный раствор водорода задан равным 0 В), но вместо ионов водорода электроны переносятся в окислительно-восстановительном ядре.

Как pH, так и ОВП являются свойствами растворов, а не элементов или химических соединений как таковых, и зависят от концентраций, температуры и прочих сторонних факторов.

Таблица окислительно-восстановительных потенциалов

Относительную реактивность различных растворов можно сравнить с предсказанием направления потока электронов. Более высокое значение ОВП означает, что существует большая тенденция к восстановлению, а более низкое – что существует большая тенденция к окислению. Человек, знакомый с химией, поймет это по таблицам окислительно-восстановительных потенциалов, представленным ниже.

Любая система или окружающая среда, которая принимает электроны от нормального водородного электрода, представляет собой полуэлемент, который определяется как имеющий положительный ОВП.

Любая система, передающая электроны на водородный электрод, определяется как имеющая отрицательный окислительно-восстановительный потенциал. ОВП часто измеряется в милливольтах (мВ). Высокий положительный ОВП обозначает среду, которая благоприятствует реакции окисления (такую, как свободный кислород).

Низкий отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (воды) указывает на сильную восстанавливающую среду (такую, ​​как свободные металлы).

Особенность воды

Иногда, когда электролиз проводят в водном растворе, вода, не будучи смешанной с другим веществом, окисляется или восстанавливается.

Например, если водный раствор NaCl электролизуется, вода может быть уменьшена на катоде с образованием ионов H2 (g) и OH-, а Na + восстанавливается до Na (s), как это происходит в отсутствие воды.

Это потенциал каждого присутствующего вида, который определит, какие виды будут окислены или восстановлены.

Абсолютные потенциалы

Абсолютные потенциалы восстановления могут быть определены, если мы найдем фактический потенциал между электродом и электролитом для любой реакции. Поверхностная поляризация мешает измерениям, но различные источники дают предполагаемый потенциал для стандартного водородного электрода от 4,4 до 4,6 В (электролит положительный). Так и измеряют потенциал окислителя/восстановителя.

Уравнения с полуэлементами можно объединить, если обратить их на окисление таким образом, чтобы нейтрализовать электроны, дабы получить уравнение без электронов в нем.

Но на этом еще не все. Многие ферментативные реакции представляют собой реакции окислителя-восстановителя, в которых одно соединение окисляется, а другое – восстанавливается. Способность организма проводить подобные реакции зависит от состояния окружающей среды с точки зрения ОВП.

Аэробы и анаэробы

Строго аэробные микроорганизмы обычно активны при положительных значениях окислительно-восстановительного (ОВП), тогда как строгие анаэробы обычно активны при отрицательных значениях. Редокс влияет на растворимость питательных веществ, особенно ионов металлов.

Есть организмы, которые могут регулировать метаболизм в своей среде, например, факультативные анаэробы. Они могут быть активны при положительных значениях Eh и при отрицательных значениях Eh в присутствии кислородсодержащих неорганических соединений, таких как нитраты и сульфаты.

Практическое применение

В области химии окружающей среды потенциал восстановления используется для определения того, преобладают ли окислительные или восстановительные условия в воде или почве, а также для прогнозирования состояний различных химических веществ в воде (таких, как растворенные металлы).

pE в диапазоне от -12 до 25 – это уровни, в которых сама вода восстанавливается или окисляется, соответственно.

В природе

Редукционные потенциалы в естественных системах часто связаны с естественной устойчивостью воды. Аэрированные поверхностные воды, реки, озера, океаны, дождевая вода и кислотные шахтные воды обычно имеют окислительные условия (положительные потенциалы).

В местах с ограничениями в подаче воздуха, таких как подземные каналы естественного происхождения, болота и морские осадки, нормой являются восстановительные условия (отрицательные потенциалы).

Промежуточные значения являются редкими и обычно бывают временным условием, которое обнаруживается в системах, движущихся к более высоким или меньшим значениям pE.

В экологических ситуациях принято иметь сложные неравновесные условия между большим количеством видов веществ, что означает, что часто невозможно сделать точные и однозначные измерения потенциала восстановления. Однако обычно можно получить приблизительное значение и определить условия, как находящиеся в окислительном или восстановительном режиме.

В почве присутствуют такие основные окислительно-восстановительные компоненты:

  1. Неорганические окислительно-восстановительные системы (главным образом окси / красные соединения Fe и Mn) и измерение в водных экстрактах.
  2. Образцы естественных почв со всеми микробными и корневыми компонентами и измерения прямым методом.

Современные исследования

Потенциал окислительного восстановления (ОВП) может использоваться для мониторинга системы водоснабжения с использованием одноценной меры дезинфекционного потенциала, показывающей активность дезинфицирующего средства, а не применяемой дозы. Например, E. coli, Salmonella, Listeria и другие патогены имеют время выживания менее 30 с, когда ОВП выше 665 мВ, по сравнению с> 300 с, когда он ниже 485 мВ.

Схемы Eh-pH (Pourbaix) обычно используются в горнодобывающей промышленности и геологии для оценки полей устойчивости минералов и растворенных видов соединений. В условиях, когда минеральная (твердая) фаза является наиболее устойчивой формой элемента, эти диаграммы показывают, что собой представляет минерал с химической точки зрения.

Как и результаты всех термодинамических (равновесных) эти диаграммы следует использовать с осторожностью. Хотя образование минерала или его растворение может быть предсказано в рамках ряда условий, процесс может быть незначительным, поскольку его скорость довольно медленная. В этих условиях необходимы кинетические оценки.

Однако условия равновесия можно использовать для оценки направления спонтанных изменений и величины движущей силы позади них. Определение окислительно-восстановительного потенциала в горнодобывающей промышленности имеют очень большую перспективу в наше время.

В других целях эта процедура не так полезна, но все же очень важна, поскольку помогает определить многие химические характеристики какого-либо сложного соединения.

Окислительно — восстановительный потенциал

Нормальные окислительно-восстановительные потенциалы ванадия

Окислительно — восстановительный потенциал является частным, узким случаем понятия электродного потенциала. Рассмотрим подробнее эти понятия.

В ОВР передача электронов восстановителями окислителям происходит при непосредственном контакте частиц, и энергия химической реакции переходит в теплоту. Энергия любой ОВР, протекающей в растворе электролита, может быть превращена в электрическую энергию.

Например, если окислительно-восстановительные процессы разделить пространственно, т.е.  передача электронов восстановителем будет происходить через проводник электричества.

Это реализовано в гальванических элементах, где электрическая энергия получается из химической энергии окислительно-восстановительной реакции.

Рассмотрим гальванический элемент Даниэля-Якоби, в котором левый сосуд наполнен раствором сульфата цинка ZnSO4, с опущенной в него цинковой пластинкой, а правый сосуд – раствором сульфата меди CuSO4, с опущенным в него медной пластинкой.

гальванический элемент Даниэля-Якоби

Взаимодействие между раствором и пластиной, которая выступает в качестве электрода, способствует тому, чтобы электрод приобрел электрический заряд.

Возникающая на границе металл-раствор электролита разность потенциалов, называется электродным потенциалом. Его значение и знак (+ или -) определяются природой раствора и находящегося в нем металла.

При погружении металлов в растворы их солей более активные из них (Zn, Fe и др.) заряжаются отрицательно, а менее активные (Cu, Ag, Au и др.) положительно.

Результатом соединения цинковой и медной пластинки проводником электричества, является возникновение в цепи электрического тока за счет перетекания электронов с цинковой к медной пластинке по проводнику.

При этом происходит уменьшение количества электронов в цинке, что компенсируется переходом Zn2+ в раствор т.е. происходит растворение цинкового электрода — анода (процесс окисления).

Zn — 2e— = Zn2+

В свою очередь, рост количества электронов в меди компенсируется разряжением ионов меди, содержащихся в растворе, что приводит к накоплению меди на медном электроде – катоде (процесс восстановления):

Cu2+ + 2e— = Cu

Таким образом, в элементе происходит такая реакция:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Количественно охарактеризовать окислительно-восстановительные процессы позволяют электродные потенциалы, измеренные относительно нормального водородного электрода (его потенциал принят равным нулю).

Чтобы определить стандартные электродные потенциалы используют элемент, одним из электродов которого является испытуемый металл (или неметалл), а другим является водородный электрод. По найденной разности потенциалов на полюсах элемента определяют нормальный потенциал исследуемого металла.

Окислительно-восстановительный потенциал

Значениями окислительно-восстановительного потенциала пользуются в случае необходимости определения направления протекания реакции в водных или других растворах.

Проведем реакцию

2Fe3+ + 2I— = 2Fe2+ + I2

таким образом, чтобы йодид-ионы и ионы железа обменивались своими электронами через проводник.

В сосуды, содержащие растворы Fe3+ и I—, поместим инертные (платиновые или угольные) электроды и замкнем внутреннюю и внешнюю цепь. В цепи возникает электрический ток.

Йодид-ионы отдают свои электроны, которые будут перетекать по проводнику к инертному электроду, погруженному в раствор соли Fe3+:

2I— — 2e— = I2

2Fe3+ + 2e— = 2Fe2+

Процессы окисления-восстановления происходят у поверхности инертных электродов.

Потенциал, который возникает на границе инертный электрод – раствор и содержит как окисленную, так восстановленную форму вещества, называется равновесным окислительно-восстановительным потенциалом.

Значение окислительно-восстановительного потенциала зависит от многих факторов, в том числе и таких как:

  • Природа вещества (окислителя и восстановителя)
  • Концентрация окисленной и восстановленной форм. При температуре 25°С и давлении 1 атм. величину окислительно-восстановительного потенциала рассчитывают с помощью уравнения Нернста:

E = E° + (RT/nF)ln(Cок/Cвос), где

E – окислительно-восстановительный потенциал данной пары;

E°- стандартный потенциал (измеренный при Cок = Cвос);

R – газовая постоянная (R = 8,314 Дж);

T – абсолютная температура, К

n – количество отдаваемых или получаемых электронов в окислительно-восстановительном процессе;

F – постоянная Фарадея (F = 96484,56 Кл/моль);

Cок – концентрация (активность) окисленной формы;

Cвос– концентрация (активность) восстановленной формы.

Подставляя в уравнение известные данные и перейдя к десятичному логарифму, получим следующий вид уравнения:

E = E° + (0,059/n)lg(Cок/Cвос)

При Cок > Cвос,  E > E° и наоборот, если Cок < Cвос, то E < E°

  • Кислотность раствора. Для пар, окисленная форма которых содержит кислород (например, Cr2O72-, CrO42-, MnO4—) при уменьшении pH раствора окислительно-восстановительный потенциал возрастает, т.е. потенциал растет с ростом H+. И наоборот, окислительно-восстановительный потенциал падает с уменьшением H+.
  • Температура. При увеличении температуры окислительно-восстановительный потенциал данной пары также растет.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы представлены в таблицах специальных справочников. Следует иметь ввиду, что рассматриваются только реакции в водных растворах при температуре ≈ 25°С. Такие таблицы дают возможность сделать некоторые выводы:

  • Величина и знак стандартных окислительно-восстановительных потенциалов, позволяют предсказать какие свойства (окислительные или восстановительные) будут проявлять атомы, ионы или молекулы в химических реакциях, например

E°(F2/2F—) = +2,87 В – сильнейший окислитель

E°(K+/K) = — 2,924 В – сильнейший восстановитель

Данная пара будет обладать тем большей восстановительной способностью, чем больше числовое значение ее отрицательного потенциала, а окислительная способность тем выше, чем больше положительный потенциал.

  • Возможно определить какое из соединений одного элемента будет обладать наиболее сильным окислительными или восстановительными свойствами.
  • Возможно предсказать направление ОВР. Известно, что работа гальванического элемента имеет место при условии, что разность потенциалов имеет положительное значение. Протекание ОВР в выбранном направлении также возможно, если разность потенциалов имеет положительное значение. ОВР протекает в сторону более слабых окислителей и восстановителей из более сильных, например, реакция

Sn2+ + 2Fe3+ = Sn4+ + 2Fe2+

Практически протекает в прямом направлении, т.к.

E° (Sn4+/Sn2+) = +0,15 В, а E° (Fe3+/Fe2+) = +0,77 В, т.е. E° (Sn4+/Sn2+) < E° (Fe3+/Fe2+).

Реакция

Cu + Fe2+ = Cu2+ + Fe

невозможна в прямом направлении и протекает только справа налево, т.к.

E° (Сu2+/Cu) = +0,34 В, а E° (Fe2+/Fe) = — 0,44 В, т.е. E° (Fe2+/Fe) < E° (Сu2+/Cu).

В процессе ОВР количество начальных веществ уменьшается, вследствие чего Е окислителя падает, а E восстановителя возрастает. При окончании реакции, т.е. при наступлении химического равновесия потенциалы обоих процессов выравниваются.

  • Если при данных условиях возможно протекание нескольких ОВР, то в первую очередь будет протекать та реакция, у которой разность окислительно-восстановительных потенциалов наибольшая.
  • Пользуясь справочными данными, можно определить ЭДС реакции.

Итак, Как определить ЭДС реакции?

Рассмотрим несколько реакций и определим их ЭДС:

  1. Mg + Fe2+ = Mg2+ + Fe
  2. Mg + 2H+ = Mg2+ + H2
  3. Mg + Cu2+ = Mg2+ + Cu

E° (Mg2+/Mg) = — 2,36 В

E° (2H+/H2) = 0,00 В

E° (Cu2+/Cu) = +0,34 В

E° (Fe2+/Fe) = — 0,44 В

Чтобы определить ЭДС реакции, нужно найти разность потенциала окислителя и потенциала восстановителя

ЭДС = Е0ок — Е0восст

  1. ЭДС = — 0,44 — (- 2,36) = 1,92 В
  2. ЭДС = 0,00 — (- 2,36) = 2,36 В
  3. ЭДС = + 0,34 — (- 2,36) = 2,70 В

Все вышеуказанные реакции могут протекать в прямом направлении, т.к. их ЭДС > 0.

Константа равновесия.

Если возникает необходимость определения степени протекания реакции, то можно воспользоваться константой равновесия.

Например, для реакции

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

Применяя закон действующих масс, можно записать

K = CZn2+/CCu2+

Здесь константа равновесия К показывает равновесное соотношение концентраций ионов цинка и меди.

Значение константы равновесия можно вычислить, применив уравнение Нернста

E = E° + (0,059/n)lg(Cок/Cвос)

Подставим в уравнение значения стандартных потенциалов пар Zn/Zn2+ и Cu/Cu2+, находим

E0Zn/Zn2+ = -0,76 + (0,59/2)lgCZn/Zn2 и E0Cu/Cu2+ = +0,34 + (0,59/2)lgCCu/Cu2+

В состоянии равновесия E0Zn/Zn2+ = E0Cu/Cu2+, т.е.

-0,76 + (0,59/2)lgCZn2 = +0,34 + (0,59/2)lgCCu2+, откуда получаем

(0,59/2)( lgCZn2 — lgCCu2+) = 0,34 – (-0,76)

lgK = lg (CZn2+/CCu2+) = 2(0,34 – (-0,76))/0,059 = 37,7

K = 1037,7

Значение константы равновесия показывает, что реакция идет практически до конца, т.е. до того момента, пока концентрация ионов меди не станет в 1037,7 раз меньше, чем концентрация ионов цинка.

Константа равновесия и окислительно-восстановительный потенциал связаны общей формулой:

lgK = (E10 -E20 )n/0,059, где

K — константа равновесия

E10 и E20 – стандартные потенциалы окислителя и восстановителя соответственно

n – число электронов, отдаваемых восстановителем или принимаемых окислителем.

Если E10 > E20, то lgK > 0 и K > 1. Следовательно, реакция протекает в прямом направлении (слева направо) и если разность (E10 — E20) достаточно велика, то она идет практически до конца.

Напротив, если E10 < E20, то  K будет очень мала. Реакция протекает в обратном направлении, т.к. равновесие сильно смещено влево. Если разность (E10 — E20) незначительна, то и K ≈ 1 и данная реакция не идет до конца, если не создать необходимых для этого условий.

Зная значение константы равновесия, не прибегая к опытным данным, можно судить о глубине протекания химической реакции. Следует иметь ввиду, что данные значений стандартных потенциалов не позволяют определить скорость установления равновесия реакции.

По данным таблиц окислительно-восстановительных потенциалов возможно найти значения констант равновесия примерно для 85000 реакций.

Как составить схему гальванического элемента?

Приведем рекомендации ИЮПАК, которыми следует руководствоваться, чтобы правильно записать схемы гальванических элементов и протекающие в них реакции:

  1. ЭДС элемента — величина положительная, т.к. в гальваническом элементе работа производится.
  2. Значение ЭДС гальванической цепи – это сумма скачков потенциалов на границах раздела всех фаз, но, учитывая, что на аноде происходит окисление, то из значения потенциала катода вычитают значение потенциала анода.

Таким образом, при составлении схемы гальванического элемента слева записывают электрод, на котором происходит процесс окисления (анод), а справа – электрод, на котором происходит процесс восстановления (катод).

  1. Граница раздела фаз обозначается одной чертой — |
  2. Электролитный мостик на границе двух проводников обозначается двумя чертами — ||
  3. Растворы, в которые погружен электролитный мостик записываются слева и справа от него (если необходимо, здесь же указывается концентрация растворов). Компоненты одной фазы, при этом записываются через запятую.

Например, составим схему гальванического элемента, в котором осуществляется следующая реакция:

Fe0 + Cd2+ = Fe2+ + Cd0

В гальваническом элементе анодом является железный электрод, а катодом – кадмиевый.

Анод Fe0|Fe2+ || Cd2+|Cd0 Катод

Типичные задачи с решениями вы найдете здесь.

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.