Тотығу-тотықсыздану тепе-теңдігі

Тотығу-тотықсыздану реакциялар – электрондар бір заттардан екіншісіне ауысуымен байланысты жүретін реакциялар. Сонда, электрондардың донорлары – тотықсыздандырғыштар, ал электрондарды қосып алатын бөлшектер – тотықтырғыштар болып табылады. Тотығу-тотықсыздану реакцияларында тотықсыздандырғыштар берген электрондар саны тотықтырғыштар қосып алған электрондар санына тең болу керек.

Тотығу-тотықсыздану реакцияны жартылай тотығу және жартылай тотықсыздану реакцияларға бөлуге болады. Жартылай реакцияға қатысатын заттар тотығу-тотықсыздану жұбын құрайды. Тотығу-тотықсыздану жұбын Ox/Red түрінде белгілейді. Мысалы:

Тотығу-тотықсыздану реакция тотықтырғыш пен тотықсыздандырғышты бір-бірінен бөлгенде де жүре алады, егер екі жүйені электрондар ауысалатын өткізгіш сымымен, ал ерітінділерді иондар ауысатын тұз ерітіндісінен жасалған көпіршемен жалғастырса. Бұндай екі жартылай тотығу-тотықсыздану жұптарынан тұратын жүйе гальваникалық элемент деп аталады, оны сызба нұсқа түрінде көрсетуге болады:

Тотығу – тотықсыздану реакцияларында тотықсыздан­дырғыштар берген электрондар мен тотықтырғыштар қосып алған электрондардың саны тең болу керек.

Тотығу – тотықсыздану реакциясын жартылай тотығу және жартылай тотықсыздану реакцияларына бөлуге болады. Мысалы:

2 Fe ³⁺ + Sn ²⁺ ↔2 Fe ²⁺ + Sn⁴⁺

 

Бұл реакцияның жартылай тотығу реакциясы

 

Sn ²⁺ – 2е → Sn⁴⁺, не Sn ²⁺ → Sn⁴⁺ + 2е

 

жартылай тотықсыздану реакциясы

 

Fe ³⁺ + е → Fe ²⁺ /*2 2 Fe ³⁺ + 2е → 2 Fe ²⁺

 

Жартылай реакцияға кіретін заттар тотығу – тотықсыздану жұбын түзеді (Sn⁴⁺/ Sn ²⁺, Fe ³⁺/ Fe ²⁺ ). Бұл жұптың бір компоненті тотыққан түрі (Sn⁴⁺, Fe ³⁺ ), екінші компоненті тотықсызданған түрі (Sn ²⁺ , Fe ²⁺ ) болып табылады. Тотығу және тотықсыздану реакциялары қатар жүреді, Sn ²⁺ жоғалтқан электрондарды Fe ³⁺ қосып алады.

Егер реакцияға құрамында оттегі бар күрделі бөлшектер қатысса атомдардың санын теңестіру үшін жартылай реакцияға сутегі иондары, гидроксил иондары не судың молекулалары кіруі мүмкін. Мысалы,

 

Fe ²⁺ + MnO₄^- →Fe³⁺ +Mn ²⁺

Тотықтырғыш МnO₄^- реакцияның нәтижесінде оның тотықсызданған түрі Mn ²⁺ -ке айналады. МnO₄^- → Mn ²⁺ . Теңдіктің екі жағындағы атомдардың санын теңестіру үшін жартылай реакцияның оң жағына төрт су молекуласы жазылады, осыған байланысты теңдіктің сол жағына сегіз сутегі иондары жазылады:

 

МnO₄^- + 8Н⁺ → Mn ²⁺ + 4Н₂О

 

Осы жүйенің тотығу – тотықсыздану жұбы МnO₄^-, 8Н⁺/Mn²⁺. Зарядтардың санын теңестіру үшін тепе теңдіктің сол жағына бес электрон қосылады:

МnO₄^- + 8Н⁺ +5е → Mn ²⁺ + 4Н₂О

 

Екінші жартылай реакция

Fe ²⁺ -1e →Fe³⁺ не Fe ²⁺ →Fe³⁺+ 1e

Қосып алатын электрондар мен берілетін электрондардың санын теңестіру үшін келесі реакция беске көбейтіледі:

 

5Fe ²⁺ -5e → 5 Fe³⁺

Қорытып жазғанда:

 

МnO4- + 8Н+ +5е → Mn 2+ + 4Н2О Fe 2+ -1e →Fe3+
МnO4- + 8Н+ +5 Fe 2+ → Mn2+ + 4Н2О + 5Fe3+

Сызба нұсқада екі жартылай элемент екі вертикалды сызықпен бөлінеді, ал тотығу-тотықсыздану жұбы – бір сызықпен. Вольтметр осындай гальваникалық элементтің электр қозғауыш күшін көрсетеді яғни потенциалдар айырымын

Э.Қ.К. = Е_Ox – E_Red

Тепе-теңдік потенциалдың заттар табиғатына, олардың концентрацияларына және температураға тәуелділігі Нернст теңдігімен өрнектеледі:

E_Ox/Red –тотығу-тотықсыздану жұбының реалды потенциалы, В

E^o_Ox/Red – жұптың стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалы,В

R – универсалды газ тұрақтысы (8,314 Дж/град^.моль)

F - Фарадей саны (96500 Кл)

Т – температура, К

n – тотығу-тотықсыздану жартылай реакциясына қатысқан электрондар саны

а –активті концентрация.

Тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыш активтіктері 1-ге тең болғандағы жартылай реакцияның тотығу-тотықсыздану потенциалы стандартты потенциал деп аталады

сонда

Нернст теңдеуіндегі тұрақты шамалардың мәндерін қойып және натуралды логарифмді ондық логарифмге ауыстырсақ, онда 25⁰ С үшін бұл теңдік келесі түрде жазылады

Сұйытылған ерітінділер үшін активтіктердің орнына тепе-теңдік концентрацияларды қолдануға болады

Электродтық потенциалды өлшеу үшін жұмысшы және салыстырмалы электродтар қажет. Салыстырмалы электродтарға потенциалдары белгілі жағдайларда тұрақты болатын электродтар жатады (сутекті, хлорид-күмісті, меркур-иодидты, каломельді).