Oksidacija, redukcija ir korozija

Oksidacija, redukcija ir korozija

Mokymosi tikslai

• Nustatyti elementų oksidacijos laipsnius neutraliose dalelėse ir jonuose.
• Atpažinti oksidatorių, reduktorių, oksidacijos ir redukcijos procesus.
• Balansuoti pusreaktes pagal atomus, elektronus ir bendrą krūvį.
• Paaiškinti galvaninio elemento veikimą ir parinkti pagrįstą korozijos apsaugos būdą.

Sąvokos

Oksidacijos laipsnis, oksidacija, redukcija, oksidatorius, reduktorius, pusreaktė, anodas, katodas, galvaninis elementas, korozija, aukos anodas.

Oksidacijos–redukcijos reakcijose elektronai pereina iš vienos dalelės kitai. Oksidacija ir redukcija visada vyksta kartu, todėl bendras atiduotų ir prisijungtų elektronų skaičius sutampa.

Prisimink

• Oksidacija – elektronų atidavimas, oksidacijos laipsnis didėja.
• Redukcija – elektronų prisijungimas, oksidacijos laipsnis mažėja.
• Oksidatorius priima elektronus ir pats redukuojasi.
• Reduktorius atiduoda elektronus ir pats oksiduojasi.

Neutralios dalelės oksidacijos laipsnių suma lygi $0$, jono – jo krūviui. Deguonies oksidacijos laipsnis daugumoje junginių $-2$, vandenilio su nemetalais dažniausiai $+1$.

Elektronų balansas

Reakcijai

$\ce{Zn + Cu^{2+} -> Zn^{2+} + Cu}$

dalinės lygtys:

$\ce{Zn -> Zn^{2+} + 2e-}\quad\text{(oksidacija)},$

$\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}\quad\text{(redukcija)}.$

Cinkas yra reduktorius, $\ce{Cu^{2+}}$ – oksidatorius. Sudėjus dalines lygtis elektronai turi susiprastinti.

Elektrocheminis elementas

Atskyrus pusreaktes į du elektrodus ir sujungus juos išorine grandine, savaiminės redokso reakcijos elektronai gali atlikti elektrinį darbą. Anode vyksta oksidacija, katode – redukcija. Galvaniniame elemente elektronai išorine grandine juda nuo anodo į katodą.

Standartinių redukcijos potencialų skirtumas:

$E^\circ_{\text{elemento}}=E^\circ_{\text{katodo}}-E^\circ_{\text{anodo}}.$

Teigiama vertė pagal pasirinktą kryptį rodo termodinamiškai savaiminę reakciją standartinėmis sąlygomis. Potencialas nepasako reakcijos greičio.

Geležies korozija

Drėgnoje, deguonies turinčioje aplinkoje geležies paviršiuje susidaro mikroelementai. Anodinėje srityje:

$\ce{Fe -> Fe^{2+} + 2e-}.$

Neutralioje aeruotoje terpėje katodinėje srityje:

$\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}.$

Toliau susidaro hidroksidai ir įvairios sudėties hidratuoti geležies(III) oksidai, bendrai vadinami rūdimis. Druskos tirpalas dažnai spartina koroziją didindamas elektrolito laidumą.

Apsauga nuo korozijos

• Danga izoliuoja metalą nuo vandens ir deguonies, kol lieka nepažeista.
• Cinkavimas suteikia ir barjerinę, ir aukojamojo metalo apsaugą: cinkas oksiduojasi lengviau už geležį.
• Katodinė apsauga prijungia aktyvesnį metalą kaip aukojamąjį anodą.
• Lydinio sudėties parinkimas, inhibitoriai ir aplinkos drėgmės mažinimas gali lėtinti procesą.

Varinė danga ant geležies nėra aukojamoji. Jai įbrėžus ir esant elektrolitui geležis gali koroduoti sparčiau, nes tampa anodine sritimi šalia tauresnio vario.

Išspręstas pavyzdys

Reakcijoje $\ce{2Al + 3Cu^{2+} -> 2Al^{3+} + 3Cu}$ vienas Al atiduoda 3 elektronus, todėl du Al atomai atiduoda 6 elektronų. Vienas $\ce{Cu^{2+}}$ priima 2 elektronus, todėl trims jonams taip pat reikia 6 elektronų:

$\ce{2Al -> 2Al^{3+} + 6e-},$

$\ce{3Cu^{2+} + 6e- -> 3Cu}.$

Al yra reduktorius, o $\ce{Cu^{2+}}$ – oksidatorius.

Dažnos klaidos

• Oksidatorius vadinamas oksiduojama medžiaga. Oksidatorius oksiduoja kitą dalelę, o pats redukuojasi.
• Dalinėse lygtyse nesubalansuojamas krūvis.
• Anodas visada vadinamas neigiamu. Oksidacija anode vyksta visada, tačiau elektrodo ženklas priklauso nuo elemento tipo.
• Rūdys užrašomos kaip vienas grynas junginys nepažymint, kad reali jų sudėtis kintama.

Pasitikrink

1. Nustatyk S oksidacijos laipsnį $\ce{SO4^{2-}}$.
2. Kas yra oksidatorius reakcijoje $\ce{Zn + Cu^{2+} -> Zn^{2+} + Cu}$?
3. Kodėl cinko danga gali saugoti geležį net lokaliai pažeista?

Oficialūs šaltiniai

• SRC-BP-V1269 – Chemijos bendroji programa, IV gimnazijos klasė, oksidacijos–redukcijos procesai ir korozija.
• SRC-EMOKYKLA-CHEM – oficialus Bendrosios programos atvaizdavimas eMokykloje.
• SRC-IR-2025 – III–IV gimnazijos klasių įgyvendinimo rekomendacijos; naudota elektrochemijai ir saugiam tyrimui.

Santrauka

Redokso lygtį tikrink pagal atomus ir krūvį. Elektronų perdavimas paaiškina metalų reakcijas, galvaninių elementų darbą ir koroziją, o apsaugos būdas turi būti parinktas pagal elektrocheminę metalų porą.