Окислительно-восстановительный потенциал
Л. — В нашей следующей беседе мы рассмотрим устройство электрометрических усилителей, которые действительно играют довольно важную роль в электронике. Но прежде чем мы доберемся до них, нам предстоит поговорить еще об одной важной величине в химии растворов — об окислительно-восстановительном потенциале (или о потенциале Редокса). Знаешь ли ты, что такое окислитель?
Н. —Да, в свое время мне объяснили, что окислителями называют вещества, способные выделить кислород или забрать из воды водород, чтобы выделить из нее кислород.
Л. — Приведенное тобой определение было совершенно правильно лет пятьдесят тому назад. Но и сейчас, к сожалению, его можно найти во многих современных книгах. На самом же деле общее и более правильное определение следующее: окислитель в растворе — это ион, который может сообщить другим ионам или атомам положительные заряды (или, вернее, забрать электроны). Так, например, ионы железа, лишенные трех электронов и поэтому обладающие тремя положительными зарядами, имеют тенденцию захватить электрон и превратиться в ионы только с двумя положительными зарядами Fe3 Fe2 .
Н. — Почему так? Почему бы им не захватить сразу три электрона и не стать опять порядочным металлическим железом?
Л. — Это тоже возможно, но ионы железа «жаждут» заполучить первый недостающий электрон и в значительно меньшей степени два других. Иначе гоборя, ионы двухвалентного железа обладают определенной стабильностью, несвойственной ионам трехвалентного железа. Или, проще говоря, ионы трехвалентного железа голодны на электроны, но проглотив первый электрон, они изрядно успокаиваются.
Н. — Хорошо, но в твоей формуле содержится еще кое-что, что меня удивляет. Почему реакция обратима?
Л. — Это очень просто, если ионы двухвалентного железа окажутся рядом с более голодным, чем ион трехвалентного железа, «пожирателем электронов» (окислителем), то произойдет реакция в направлении справа налево.
Н. — Мне очень понравилось выражение ионы, «голодные на электроны», но это определение носит скорее качественный характер. Как узнать, что один ион более голоден на электроны, чем другой?
Л. — Что я слышу, Незнайкин? Ты просишь меня перейти к количественному определению! Но успокойся, это, впрочем, очень просто. Если свести вместе ионы трехвалентного железа и ионы двухвалентного олова (с двумя положительными зарядами), то ионы трехвалентного железа будут восстановлены до состояния ионов двухвалентного железа, пока остаются ионы двухвалентного олова, которые могут окислиться до ионов четырехвалентного олова (с четырьмя положительными зарядами): 2Fe3 Sn 2 — 2Fe2 Sn4 .
На этот раз реакция необратима, и она продолжается до полного исчезновения одного из исходных компонентов.
И, наоборот, если свести вместе ионы двухвалентного железа и ионы четырехвалентного церия (с четырьмя положительными зарядами), то они будут восстановлены до состояния ионов трехвалентного церия (с тремя положительными зарядами) и полностью окислят ионы двухвалентного железа
Се4 Fe2 — Се3 Fe3 .
Следовательно, смесь ионов двух- и трехвалентного железа может окислять ионы двухвалентного олова и восстанавливатьионы четырехвалентного церия. Это показывает, что смесь Fe /Fe более жадна на электроны, чем смесь Sn /Sn , но менее жадна, чем смесь Се /Се .
Каждую из этих смесей характеризуют потенциалом, который носит название окислительно-восстановительного потенциала и представляет собой просто-напросто разность между потенциалом опущенного в раствор индифферентного электрода и потенциалом этого раствора.
Н. — Почему пользуются индифферентным электродом?
Л. — Чтобы он обменивался с раствором только электронами, но не ионами. Для этого, как правило, берут платину; измеряют разность потенциалов между платиновой проволочкой и
Рис. 36. Для измерения окислительно-восстановительного потенциала раствора в этот раствор опускают индифферентный электрод из платины и эталонный электрод.
раствором. Измерение производят с помощью эталонного электрода, чаще всего из каломели (рис. 36). Разность потенциалов может быть от —1 в (энергичные восстановители) до 2 в (очень сильные окислители),
Н. — И для этих измерений тебе, естественно, понадобится электрометрический усилитель?
Л. — На этот раз нет. Внутреннее сопротивление электрода из каломели мало, внутреннее сопротивление раствора тоже, и поэтому можно ограничиться хорошим контролером. Но способный на сложную работу может выполнить и более простую, и поэтому обычно пользуются электрометрическим усилителем, который служит для измерения рН.
Н. — Мне в голову пришла идея, она, вероятно, идиотская, но тем не менее я хочу тебе рассказать о ней. По сути дела эти ионы Н , иначе говоря протоны, жаждут захватить электроны, чтобы вновь стать водородом из порядочной семьи. Нельзя ли рассматривать их как небольшие окислители?
Л. — Они и есть окислители. Воздействие кислоты, иначе говоря ионов Н , на металл представляет собой реакцию окисления металла. Можно связать теорию окисления с теорией воздействия кислоты, но это увело бы нас слишком далеко от нашей темы. Но ты видишь, насколько расширились твои «допотопные» представления об окислении?