Regles per determinar el nombre d oxidació: ❶ El nombre d oxidació d un element lliure és sempre zero, qualsevol que sigui la forma en què es trobi.

Transcripción

1 1.1 CNCEPTE D XIDACIÓ I REDUCCIÓ Un element s oxida quan perd electrons, per exemple, el magnesi en la següent reacció: Mg Mg + + e Un element es redueix quan guanya electrons, com per exemple el clor en la següent reacció: Cl + e Cl Un procés d oxidació comporta simultàniament un procés de reducció. Per tant, les reaccions d oxidacióreducció (reaccions redox) són reaccions de transferència d electrons. Un agent oxidant provoca una oxidació mentre que ell es redueix, per exemple, en la següent reacció, l ió permanganat guanya electrons, es redueix, per tant actua com agent oxidant: Mn e +... Mn Un agent reductor provoca una reducció mentre que ell s oxida, per exemple, en la següent reacció l ió sulfur perd electrons, s oxida, per tant actua com agent reductor: S +... S 0 + e +... El nombre d oxidació El nombre d oxidació d un element dins un compost determinat indica la quantitat d electrons que l àtom de l element ha guanyat o ha perdut en aquest compost. Regles per determinar el nombre d oxidació: ❶ El nombre d oxidació d un element lliure és sempre zero, qualsevol que sigui la forma en què es trobi. 0 0 C,... ❷ El nombre d oxidació d un ió monoatòmic és igual a la seva càrrega Br, Fe... ❸ El nombre d oxidació de l oxigen és sempre, excepte en els peròxids que val 1. 1 Na H, H...

2 ❹ El nombre d oxidació de l hidrogen és K H, H Cl... ❺ El nombre d oxidació dels metalls alcalins és sempre +1, el dels metalls alcalinoterris és sempre + i el de l alumini és Li H, Ca, Al... ❻ En un compost neutre, la suma algebraica dels nombres d oxidació dels àtoms que el formen és zero. ❼ En un ió poliatòmic, la suma algebraica dels nombres d oxidació dels àtoms que el formen és igual a la càrrega de l ió. EXERCICIS Quin és el nombre d oxidació del clor en les espècies químiques següents? CaCl, Cl, Al(Cl ), Cl 4 Trobeu el nombre d oxidació de cada àtom dels compostos següents: N, H, Fe, HBr, H S 4, N, CaC Reaccions d oxidacióreducció (redox) Sempre que hi ha una oxidació hi ha d haver una reducció. Les reaccions químiques en què tenen lloc oxidacions i reduccions s anomenen redox. En una reacció química es diu que un àtom s oxida quan augmenta el seu nombre d oxidació i es diu que es redueix quan disminueix el seu nombre d oxidació. XIDACIÓ REDUCCIÓ

3 1. IGUALACIÓ DE REACCINS REDX: MÈTDE DE L IÓELECTRÓ En les reaccions redox normalment intervenen més espècies químiques que les pròpiament implicades en la transferència d electrons, per aquest fet sol resultar molt dificultós i complex ajustarles pel mètode de tempteig. Conseqüentment, s han ideat mètodes sistemàtics per tal de simplificar la igualació de les reaccions d oxidacióreducció. El mètode més emprat, que a continuació s exemplifica, s anomena mètode de l ióelectró. Els passos que s han de seguir per igualar reaccions redox s explicaran detingudament en la reacció: HN + Cu Cu(N ) + N + H 1r pas. Determinar els nombres d oxidació de tots els àtoms: H N + Cu Cu(N ) N + H n pas. Escriure l equació química en forma iònica, tenint en compte totes les dissociacions que en medi aquós poden experimentar algunes de les espècies que intervenen: H + + N + Cu Cu + + N + N + H r pas. Identificar les espècies, en forma iònica, que han canviat el seu nombre d oxidació: l espècie que ha augmentat aquest nombre s ha oxidat, l espècie que ha disminuït aquest nombre s ha reduït: N Cu Cu + N reducció oxidació 4t pas. Igualar el nombre d àtoms i les càrregues de les semireaccions d oxidació i reducció. Cal tenir en compte si ens trobem en medi àcid o en medi bàsic. En aquest cas, en estar en medi àcid cal ajustar amb protons i molècules d aigua (H + / H ). Per tal d igualar les càrregues, s indiquen els electrons guanyats o perduts en cada semireacció: 1 e + N + H + N + H reducció Cu Cu + + e oxidació 5è pas. En la reacció global, el nombre d electrons transferits ha de ser el mateix, per tant, s iguala el nombre d electrons guanyats i perduts: [ 1 e + N + H + N + H ] x Cu Cu + + e e + N + 4 H + + Cu N + H + Cu + + e 6è pas. Si és el cas, s escriu l equació redox completa, en forma molecular: 4 HN + Cu Cu(N ) + N + H

4 Tot seguit es mostra un exemple d aplicació del mètode de l ióelectró en medi bàsic: Ni(H) + H Ni + H 1r pas. Determinar els nombres d oxidació de tots els àtoms: + Ni ( H) + H 1 + Ni + H n pas. Escriure l equació química en forma iònica: Ni + + H + H Ni + H r pas. Identificar les espècies que han canviat el seu nombre d oxidació: Ni + Ni oxidació H H reducció 4t pas. Igualar el nombre d àtoms i les càrregues de les semireaccions d oxidació i reducció. En aquest cas, en estar en medi bàsic, cal ajustar amb hidròxids i molècules d aigua (H / H ). Per a facilitar la igualació s acostuma a sumar el doble d H dels necessaris: 6 H + Ni + Ni + H + e oxidació e + H + H H + H reducció 5è pas. En la reacció global, el nombre d electrons transferits ha de ser el mateix: 6 H + Ni + Ni + H + e e + H + H H + H e + 4 H + Ni + + H Ni + H + e 6è pas. S escriu l equació redox completa, en forma molecular: Ni(H) + H Ni + H EXERCICIS Igualeu pel mètode de l ióelectró les següents reaccions redox: As S 5 + KCl + H H As 4 + H S 4 + KCl KMn 4 + KI + H Mn + I + KH

5 1. ELECTRQUÍMICA En qualsevol procés redox, un cop l equació química es troba formulada i ajustada, es poden aplicar les relacions estequiomètriques habituals, tant per relacionar les quantitats de matèria com per esbrinar els volums dels gasos, si és el cas, que intervenen en la reacció. EXEMPLES DE PRBLEMES RESLTS: CÀLCULS AMB MASSA, INTENSITAT I TEMPS. Formuleu la reacció redox entre el clorur de crom (III) i el clorat de potassi, en un medi d hidròxid de potassi. Calculeu la quantitat mínima d hidròxid de potassi que es consumirà en l obtenció d 1 kg de cromat de potassi, segons aquesta reacció. En primer lloc, cal formular i igualar l equació química redox, seguint el mètode de l ióelectró: CrCl + KCl + KH K Cr 4 + KCl + H Cr Cl + K Cl + K H K + 6 Cr K Cl + H Cr + + Cl 1 + K + + Cl + K + + H K + + Cr 4 + K + + Cl + H oxidació [8 H + Cr + Cr H + e ] x reducció 6 e + H + Cl Cl + 6 H 6 e + Cr + + Cl 0 H Cr H + Cl + 6 e CrCl + KCl 0 KH K Cr KCl + 5 H Un cop l equació redox es troba ajustada, es poden calcular les quantitats màssiques que participen en la reacció emprant les corresponents relacions estequiomètriques: 1mol K Cr 4 10 mols KH 56,1g KH 1000 g K Cr 4 = 1444,4 g KH 194 g K Cr mols K Cr 1mol KH 4 4 RECRDATRI: Si en la reacció redox participen gasos, en el seu càlcul es pot utilitzar: 1 mol =,4 l, en condicions normals de pressió i temperatura, pv = nrt, en qualsevol situació.

6 En les reaccions d oxidacióreducció també s hi poden aplicar càlculs estequiomètrics en els quals intervindrà la càrrega elèctrica que haurà circulat. Experimentalment s ha determinat que 1 mol d electrons són C, valor que es coneix com a constant de Faraday (F): F = Cmol 1 Quan, a més de la càrrega elèctrica (Q), apareixen altres magnituds, com ara la intensitat (I) o el temps (t), cal aplicar: Q = It EXERCICIS L argentat de moltes peces metàlliques és un recobriment de plata que es fa electrolíticament. Calculeu quina quantitat de càrrega elèctrica es necessita per a obtenir 10 g de plata. Ag + e Ag (s) reducció Calculeu quant de temps ha de circular un corrent continu de 0 A perquè es dipositi 1,0 g de crom, en electrolitzar una solució de nitrat de crom (III). Cr + + e Cr (s) reducció

7 1.4 PILES I CELLES ELECTRLÍTIQUES Les solucions de compostos iònics són conductores del corrent elèctric, així també són conductors els compostos iònics fosos. En un cas i l altre, els ions tenen mobilitat per desplaçarse i dirigirse cap a l elèctrode corresponent, o sigui, cap a l elèctrode de signe contrari al seu, atès que càrregues de signes contraris s atrauen. Aquest és el fonament de l electròlisi. L ELECTRÒLISI ions positius (cations) cap al càtode, elèctrode negatiu, ions negatius (anions) cap a l ànode, elèctrode positiu. En els elèctrodes es produeixen processos d intercanvi de càrregues elèctriques amb els ions: els cations accepten electrons del càtode i els anions cedeixen electrons a l ànode. S estableix així el pas de corrent. Per tant, al càtode hi té lloc un procés de reducció i a l ànode, un d oxidació: REGLA ÀTDE EDUCCIÓ MNEMTÈCNICA NDE XIDACIÓ Per exemple, una dissolució aquosa de clorur de sodi es dissocia: NaCl (s) Na + (aq) + Cl (aq) i la seva electròlisi consistirà en les semireaccions d oxidacióreducció i la reacció redox global següents: Ànode (oxidació) Cl Cl + e Càtode (reducció) [1 e + Na + Na] x e + Cl (aq) + Na + (aq) Cl (g) + Na (s) + e Els processos electrolítics tenen lloc quan, per una solució d un compost iònic, hi circula corrent continu, de manera que, el corrent i l elèctrode actuen sobre una determinada substància, i més concretament sobre el catió i l anió que la constitueixen. Per tal de tenir una cella electrolítica en funcionament només cal que, per exemple, en un vas de precipitats amb una solució d un compost iònic determinat, s introdueixin dos elèctrodes terminals d una font de corrent continu i s estableixi una intensitat constant.

8 EXEMPLES DE PRBLEMES RESLTS: CELLES ELECTRLÍTIQUES. Un vas de precipitats conté 50 cm de solució de clorur de cadmi 0,0 M. S introdueixen en el vas els dos elèctrodes terminals d una font de corrent continu i s estableix una intensitat constant d 1,5 A. Calculeu la quantitat de cadmi dipositada en el càtode. Trobeu, també, la molaritat de la solució després d una hora de funcionament. En primer lloc, cal esbrinar la càrrega elèctrica amb què s ha treballat: Q = It = 1,5600 = C De la cella electrolítica estudiada, únicament cal treballar amb el procés catòdic, és a dir, el procés de reducció: Cd + (aq) + e Cd (s) Estequiomètricament, a partir de l anterior semireacció i la constant de Faraday: 1mol e 1mol Cd (s) 11,4 g Cd (s) 5400 C =,145 g Cd (s) C mols e 1mol Cd (s) Per tal de saber la molaritat de la solució en acabar l experiment, caldrà calcular prèviament els mols de compost que s han descompost: 1mol e 1mol Cd (s) 1mol CdCl 5400 C = 0,08 mols CdCl descompostos C mols e 1mol Cd (s) Inicialment: 0,5 l solució 0, mols CdCl / l solució = 0,05 mols CdCl inicials Fent la diferència s obtenen els mols que resten en dissolució: 0,05 0,08 = 0,0 mols CdCl en solució [CdCl ] en solució = 0,0 mols / 0,5 l = 0,09 M

9 Descripció del funcionament d una pila Una pila és un generador electroquímic de corrent continu. Està formada bàsicament per dues solucions amb les làmines metàlliques respectives i el pont salí corresponent. Un pont salí consisteix en un tub en forma d U que conté una solució saturada d un electròlit fort (per exemple, clorur de potassi, KCl). Els extrems del pont salí estan obturats amb cotó fluix o llana de vidre per evitar que la solució s escampi i es mescli. La funció del pont salí és tancar el circuit i restablir, a causa de la mobilitat dels ions, la neutralitat elèctrica d ambdues solucions. PRÀCTIQUES Es construeix una pila amb els elèctrodes següents: un elèctrode de níquel en una solució de nitrat de níquel (II) i un elèctrode de plata en una solució de nitrat de plata. Dibuixeu un esquema de la pila que es podria construir segons l experiència anterior. Feu un llistat del material de laboratori necessari. Trobeu bibliogràficament el fonament de les anomenades piles Daniell. Celles electrolítiques en sèrie i en parallel Si dues celles electrolítiques estan connectades en sèrie a una font de corrent continu, s ha de tenir en compte que per cada una hi circula la mateixa quantitat d electricitat, o sigui, la quantitat total d electricitat que ha passat pel circuit. Si dues celles electrolítiques estan connectades en parallel a una font de corrent continu, la quantitat total d electricitat que passa pel circuit es bifurca, de manera que per cada cella hi circula una quantitat d electricitat inversament proporcional a la resistència elèctrica que ofereixen. EXERCICIS Dues celles electrolítiques estan connectades en sèrie a una font de corrent continu que subministra una intensitat constant de 50 A. Una de les celles conté una solució d una sal de ferro (II) i l altra, de sal de ferro (III). Després d un cert temps d estar connectades al corrent, s han dipositat, en ambdues celles, un total de 100,0 g de ferro. Quant de temps han estat connectades, les dues celles, a la font de corrent continu?