ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Отличительным признаком окислительно-восстановительных (редокс-) реакций является перенос электронов между реагирующими частицами – ионами, атомами, молекулами, комплексами, в результате чего изменяется степень окисления реагирующих частиц, например,

Fe²⁺ - e^- → Fe³⁺.

Поскольку электроны не могут накапливаться в растворе, одновременно должны протекать два процесса – отдача и принятие электронов, т. е. процесс окисления одних и восстановления других частиц. Таким образом, любая окислительно-восстановительная реакция всегда может быть представлена в виде двух полуреакций

a Оx₁ + b Red₂ → а Red₁ + b Оx₂,

а Оx₁ + n е^- → a Red₁,

b Red₂ – n е^- → b Оx₂,

где Ox – окисленная форма, Red – восстановленная форма.

Исходная частица и продукт каждой полуреакции составляют сопряженную окислительно-восстановительную пару или систему. Иными словами, в вышеприведенных полуреакциях Red₁ является сопряженным с Оx₁, а Оx₂ сопряжен с Red₂.

В качестве доноров или акцепторов электронов могут выступать не только частицы, находящиеся в растворе, но и электроды. В этом случае окислительно-восстановительная реакция происходит на границе электрод-раствор и называется электрохимической.

Окислительно-восстановительные реакции, как и все динамические процессы, в той или иной мере обратимы. Направление реакций определяется соотношением электронодонорных свойств компонентов системы одной окислительно-восстановительной полуреакции и электроно-акцепторных свойств второй (при условии постоянства факторов, влияющих на смещение равновесных химических реакций). Перемещение электронов в ходе окислительно-восстановительных реакций приводит к возникновению потенциала. Таким образом, потенциал, измеряемый в вольтах, служит мерой окислительно-восстановительной способности соединения.

Стандартные потенциалы. Для количественной оценки окислительных (восстановительных) свойств системы в раствор погружают электрод из химически инертного (индифферентного) токопроводящего материала. На границе раздела фаз (электрод-раствор) происходит электронообразующий процесс, приводящий к возникновению потенциала, являющегося функцией активности ионов в растворе. Значение потенциала тем больше, чем выше окислительная способность окисленной формы.

Абсолютное значение потенциала системы измерить невозможно. Однако, если выбрать одну из окислительно-восстановительных систем в качестве стандартной, то относительно нее становится возможным измерение потенциала любой другой окислительно-восстановительной системы независимо от выбранного индифферентного электрода. В качестве стандартной выбирают систему 2Н⁺/Н₂, потенциал которой при =1,013^.10³ Па (1 атм) и a _H+ = 1 моль/л при 298 К принят равным нулю. При таких условиях электродвижущая сила (ЭДС) гальванической цепи

 

Стандартный водородный │Раствор окислительно- │ Pt

электрод восстановительной сис-

темы

определяется составом раствора, содержащего данную окислительно-восстановительную пару.

Потенциал любой окислительно-восстановительной системы, измеренный в стандартных условиях относительно водородного электрода, называют стандартным потенциалом (Е^) этой системы.

Стандартный потенциал окислительно – восстановительной системы принято считать положительным, если она выступает в качестве окислителя,а на водородном электроде протекает полуреакция окисления

Н₂ – 2е^- → 2Н⁺,

или отрицательным, если система играет роль восстановителя, а на водородном электроде происходит полуреакция восстановления

2Н⁺ + 2е^- → Н₂.

Значение стандартного потенциала характеризует «силу» окислителя или восстановителя.

Стандартный потенциал – термодинамическая стандартизованная величина – является очень важным физико-химическим и аналитическим параметром, позволяющим оценить направление соответствующей реакции и рассчитывать активности реагирующих частиц в условиях равновесия.

Реальные потенциалы. Использование стандартных потенциалов применительно к конкретным растворам окислительно-восстановительных систем часто встречает серьезные затруднения. Значение стандартного потенциала характеризует полуреакцию, участниками которой являют частицы одного «вида» без учета всех прочих возможных форм их существования в конкретных условиях (комплексы, полимерные частицы, ассоциаты и т.д.) и без учета межионного взаимодействия.

Для характеристики окислительно-восстановительной системы в конкретных условиях пользуются понятием реального (формального) потенциала Е. Для вычисления реального потенциала полуреакции аОx + nе^- → bRed,

пользуются уравнением Нернста:

Е= Е + (RT/nF) ln(a ^a_Оx/ a ^b_Red),

где Е - стандартный потенциал, В; R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж^.моль^-1.К^-1; Т - абсолютная температура, К; n - число электронов, участвующих в полуреакции; F - постоянная Фарадея 9,6585^.10⁴ Клмоль^-1; а – активности окисленной и восстановленной форм.

После подстановки указанных величин (Т =298 К) и замены натурального логарифма десятичным, а также при замене активностей концентрацями уравнение Нернста приводится к виду:

Е=Е + ( 0,059 /n) lg(Оx₁^a/ Red₁^b).

Ox₁, Red₁- концентрацииСтрого говоря, в этом уравнении должны фигурировать активные концентрации (активности). окисленной и восстановленной форм соответственно;

a, b –стехиометрические коэффициенты в уравнении рассматриваемой реакции.