REAKCJE UTLENIANIA I REDUKCJI część II

Transkrypt

1 REAKCJE UTLENIANIA I REDUKCJI część II WSTĘP TEORETYCZNY Istotą reakcji utleniania i redukcji jest przemieszczanie się elektronów od jednego substratu do drugiego. Przekazywanie elektronów może odbywać się bezpośrednio, a można też w sposób fizyczny rozdzielić obszary obu reakcji połówkowych. Ten drugi wariant realizowany jest w urządzeniach nazywanych ogniwami galwanicznymi. Problemami związanymi z badaniem wzajemnych powiązań przepływu prądu elektrycznego i reakcji chemicznych zajmuje się dział chemii fizycznej - elektrochemia. W tabeli 1 przedstawiono standardowe potencjały niektórych układów redoks (elektrod, półogniw) dla reakcji redukcji. Potencjały mierzone są względem standardowej elektrody wodorowej, której potencjał umownie przyjmuje się za zero. Znajomość tych potencjałów pozwala przewidywać kierunek reakcji utleniania i redukcji. Potencjał redoks danego układu charakteryzuje w pewnym sensie powinowactwo postaci utlenionej układu do elektronów. Im potencjał układu jest wyższy, tym silniejszym utleniaczem jest postać utleniona tego układu. Tabela 1. Potencjały standardowe wybranych układów redoks. 1

2 Rycina 1: Reakcja Zn z roztworem Cu(II) na ogniwie galwanicznym. W tym przykładzie ogniwo galwaniczne składa się z blaszki miedzianej zanurzonej w zlewce zawierającej 1M roztwór Cu(II) oraz z blaszki cynkowej zanurzonej w zlewce zawierającej roztwór Zn(II). Blaszki połączone są przewodem przez który następuje przepływ elektronów, zlewki połączone są kluczem elektrolitycznym. W wyniku reakcji elektorda Zn (anoda) utlenia się i zwiększa się stężenie jonów Zn 2+ w zlewce, w tym samym czasie jony Cu 2+ ulegają redukcji i przechodzą w metaliczną Cu na katodzie. Pytania kontrolne: 1. Dobierz współczynniki stechiometryczne oraz środowisko reakcji (cząsteczki H 2 O, jony H + lub OH - ). Wskaż utleniacz i reduktor. 2

3 OPIS DOŚWIADCZEŃ Ćwiczenie 1. Charakterystyka porównawcza utleniających właściwości fluorowców. tetrachlorometan (CCI 4 ) lub trichtorometan (CHCI 3 ) woda bromowa (Br 2 aq) woda jodowa (l 2 aq) 2 M roztwór kwasu solnego (HCI) 0,1 M roztwór jodku potasu (KI). Celem doświadczenia jest zapoznanie się z barwami fluorowców (Br 2 i I 2 ) w roztworach wodnych i w rozpuszczalnikach organicznych. Przygotować 2 probówki. Do pierwszej probówki wprowadzić 5 kropli wody bromowej (brom rozpuszczony w wodzie), a do drugiej tyle samo wody jodowej. Do każdej z tych probówek dodać po około 1 cm 3 rozpuszczalnika organicznego (tetrachlorometanu - CCI 4 lub trichlorometanu - CHCI3) i po 2 krople 2 M HCI. Roztwory dobrze wymieszać wstrząsając probówką. Gęstości rozpuszczalników wynoszą odpowiednio: woda - ok. 1,0 g/cm 3, tetrachlorometan 1,58 g/cm 3, trichlorometan - 1,48 g/cm 3. Warstwy powinny być wyraźnie rozgraniczone Zanotować barwy obu warstw roztworów (wodnego i organicznego) w każdej z probówek i zachować probówki z roztworami jako odnośniki do następnej części doświadczenia. Do następnych dwóch probówek oznaczonych 1, 2", wprowadzić odpowiednio: do 1" i do 2 około 1 cm 3 0,1 M KI. Następnie do probówek dodać po około 0,5 cm 3 rozpuszczalnika organicznego (CCI 4 lub CHCI 3 ) i około 1 cm 3 wody destylowanej. Następnie do probówki 2" dodać niewielką objętość wody bromowej. Zawartość probówek dobrze wymieszać przez intensywne wstrząsanie. Na podstawie zabarwienia warstwy organicznej ustalić rodzaj fluorowca wydzielającego się w stanie wolnym w obu probówkach (porównać z wynikami poprzedniego doświadczenia). Reakcje zachodzące w probówkach można opisać jako wypieranie jednego fluorowca przez drugi z roztworów ich soli. Zapisać te reakcje, pamiętając, że w wodzie bromowej brom występuje w postaci cząsteczkowej. Wskazać pierwiastki spełniające funkcje utleniacza i reduktora. Który z badanych fluorowców jest mniej aktywny w reakcji utleniania. Porównaj wskazaną przez Ciebie kolejność aktywności utleniającej fluorowca z szeregiem ułożonym wg malejących wartości potencjałów standardowych układów X 2, X -, gdzie X oznacza fluorowiec. Ćwiczenie 2. Redukujące właściwości żelaza (II). 0,05M roztwór manganianu (VII) potasu (KMnO 4 ); 0,5M roztwór di chromianu (VI) potasu (K 2 Cr 2 O 7 ); 2,0M roztwór kwasu siarkowego (VI) (H 2 SO 4 ); stała sól Mohra ((NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 6H 2 O). 3

4 Do jednej probówki wprowadzić 5 kropli 0,05M roztworu manganianu (VII) potasu (KMnO 4 ), a do drugiej 5 kropli 0,5M roztworu K 2 Cr 2 O 7,. Następnie do obu probówek dodać po 5 kropli 2,0M roztworu H 2 SO 4 i po kilka kryształków soli Mohra (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 6H 2 O. Zawartości obu probówek dokładnie wymieszać. W oparciu o obserwacje zmiany barwy obu roztworów napisać równania zachodzących reakcji chemicznych (zapis jonowy). Ćwiczenie 3. Wpływ ph na właściwości utleniająco - redukujące układu Cr(III)-Cr(VI)-H2O2 2 M roztwór wodorotlenku sodu (NaOH), 0,1 M roztwór chlorku chromu(lll) (CrCl 3 ), nadtlenek wodoru (H 2 O 2 ) - woda utleniona, 2 M roztwór kwasu siarkowego(vi) (H 2 SO 4 ), alkohol izoamylowy. a) Utlenianie chromu(lll) do chromu(vi)-nadtlenkiem wodoru w środowisku zasadowym. Do probówki zawierającej około 0,5 cm 3 0,1 M CrCl 3 dodawać kroplami 2 M NaOH aż do roztworzenia się wytrącającego się początkowo osadu. Do otrzymanego klarownego roztworu Cr(OH) - 4 należy dodać 2-3 krople wody utlenionej, a następnie ogrzewać probówkę w łaźni wodnej aż do zmiany zabarwienia roztworu na jasnożółty kolor. b) Redukcja chromu(vi) do chromu(lll) nadtlenkiem wodoru w środowisku kwaśnym. Należy ochłodzić roztwór otrzymany w poprzednim doświadczeniu, po czym dodać kroplami 2 M H 2 SO 4 do uzyskania odczynu lekko kwaśnego (odczyn sprawdzić papierkiem uniwersalnym). Należy zaobserwować zmianę zabarwienia roztworu. Dodać do probówki kilka kropli alkoholu izoamylowego, a następnie 2-3 krople nadtlenku wodoru. Probówkę lekko wstrząsnąć. Zwróć uwagę na barwę warstwy organicznej (gęstość alkoholu izoamylowego jest równa 0,81 g/cm3) i właściwego roztworu wodnego. Należy podać formę występowania chromu we wszystkich stadiach doświadczenia i napisać równania zachodzących reakcji. Dlaczego w środowisku zasadowym nadtlenek wodoru jest utleniaczem względem związków chromu(lll), a w środowisku kwaśnym reduktorem względem związków chromu(vi)? Odpowiedź uzasadnij w oparciu o wartości standardowych potencjałów reagujących układów redoks (Tabela 1). INFORMACJE DODATKOWE 1. Reakcje utleniania i redukcji H 2 O 2 mogą mieć postać: H 2 O 2 = 2H + + O 2 + 2ē utlenianie H 2 O ē = 2OH - redukcja 2. Redukcja chromu(vi) do chromu(iii) w środowisku kwaśnym zachodzi poprzez tworzenie nietrwałych związków nadtlenochromowych o charakterystycznej niebieskiej barwie. Związki te można wyekstrahować przy pomocy np. alkoholu izoamylowego i wówczas niebieskie zabarwienie utrzymuje się stosunkowo długo. 4

5 Ćwiczenie 4. Substancje organiczne w roli reduktorów. 6 M roztwór wodorotlenku sodu (NaOH), 0,1 M roztwór azotanu (V) srebra (l) (AgNO 3 ), 2 M roztwór amoniaku (NH 3 *H 2 O), 10% roztwór metanalu (formaldehydu) (H 2 CO), stężony roztwór kwasu siarkowego (VI) (H 2 SO 4 ), 0,1 M roztwór dichromianu (VI) dipotasu (K 2 Cr 2 O 7 ), alkohol etylowy (etanol) (C 2 H 5 OH). a) Otrzymywanie lustra srebrnego. Umyć dokładnie probówkę i odtłuścić ją przez ogrzanie z 6 M NaOH, wypłukać kilkakrotnie wodą wodociągową i kilkoma porcjami wody destylowanej. Do tak przygotowanej probówki wprowadzić około 0,5 cm 3 0,1 M AgNO 3 i dodawać kroplami stale mieszając 2 M roztwór amoniaku (NH 3 *H 2 O) aż do całkowitego roztworzenia powstającego początkowo osadu (AgOH przechodzącego w Ag 2 O). Do tak otrzymanego klarownego roztworu zawierającego jony [Ag(NH 3 ) 2 ] + dodać 5 kropli 10%-go wodnego roztworu metanalu (formaldehydu). Probówkę lekko ogrzać w łaźni wodnej. Zaobserwować tworzenie się lustra metalicznego srebra na ściankach probówki. Zapisać równania zachodzących reakcji. Równanie ostatniej reakcji można zapisać następująco: 2[Ag(NH 3 ) 2 ] + + 2OH - + H 2 CO + 2H 2 O = 2Ag + HCOO - +NH NH 3 *H 2 O b) Redukcja K 2 Cr 2 O 7 za pomocą etanolu (C 2 H 5 OH). Do probówki zawierającej 5-6 kropli 0,1 M K 2 Cr 2 O 7 dodać 2-3 krople stężonego H 2 SO kropli alkoholu etylowego. Zwrócić uwagę na zmianę zabarwienia roztworu i zapach produktu (charakterystyczny jabłkowy" zapach aldehydu octowego). Na podstawie obserwacji produktów podać równanie reakcji. Ćwiczenie 5. Termiczny rozkład dwuchromianu amonu (wulkan) - reakcja dysproporcjonowania. dwuchromian amonu, (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 ), miseczka kaolinowa, drut miedziany, palnik. Na wadze laboratoryjnej odważyć około 1g dwuchromianu amonu i przenieść odważkę do miseczki kaolinowej, którą należy umieścić pod wyciągiem na większej kartce papieru. Rozżarzyć drut miedziany i wprowadzić do odważonego, uformowanego w kształcie stożka, dwuchromianu amonu celem zainicjowania reakcji. Podczas przebieg reakcji z czubka stożka wydobywają się iskry i obfity zielony popiół. Po jej zakończeniu należy zebrać, możliwie dokładnie, utworzony tlenek chromu i zważyć jego ilość. Otrzymany tlenek chromu należy wsypać do oznaczonego naczynia! 5

6 Zapis całkowitego równania reakcji dysproporcjonowania ma postać: (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 (s) = Cr 2 O 3 (s) + 4H 2 O(c) + N 2 (g) Napisz cząstkowe reakcje utleniania i redukcji. Oblicz wydajność reakcji. 6