Redoxireakciók Redoxireakció: elektronátadási folyamat Oxidáció: „oxigénnel való reakció” a szén elégetése, rozsdásodás (a fémek oxidációja) alkohol ->

Az előadások a következő témára: "Redoxireakciók Redoxireakció: elektronátadási folyamat Oxidáció: „oxigénnel való reakció” a szén elégetése, rozsdásodás (a fémek oxidációja) alkohol ->"— Előadás másolata:

1 Redoxireakciók Redoxireakció: elektronátadási folyamat Oxidáció: „oxigénnel való reakció” a szén elégetése, rozsdásodás (a fémek oxidációja) alkohol -> aldehid -> karbonsav elektronleadás (oxidációs szám nő) Fe ++ - e - = Fe +++ 2.J - - 2.e - = J 2 Redukció: „oxigén leadás” Fémek előállítása oxid érceikből (Fe 3 O 4, Al 2 O 3 ) „hidrogénezés” olefin -> parafin, margaringyártás elektronfelvétel (oxidációs szám csökken) Fe +++ + e - = Fe ++ J 2 + 2.e - = 2.J - Egy anyag csak akkor oxidálódhat, ha a leadott elektronokat egyidejűleg egy másik anyag felveszi

2 Redoxireakciók Két elem reakciója Fémek és fémionok reakciója

3 Redoxireakciók Nemfémek és nemfém ionok reakciója Redoxititrálások: pl. [Fe 2+ ] meghatározása KMnO 4 -gyel MnO 4 - + 5.Fe ++ + 8.H + = 5.Fe +++ + Mn ++ + 4.H 2 O

4 Az elemek lehetséges oxidációs számai Elemi állapot – oxidációs szám = 0 Egyszerű ionok oxidációs száma = iontöltés Molekula – oxidációs számok összege = 0 Összetett ionok töltése = oxidációs számok összege

5 Redoxireakciók Redoxireakció: elektronátadási folyamat Oxidáció: elektronleadás (oxidációs szám nő) Redukció: elektronfelvétel (oxidációs szám csökken ) Egyenletek rendezés: oxidációs szám változások legkisebb közös többszöröse alapján! OCl  (aq) + Cl  (aq) + 2H + (aq) Cl 2 (g) + H 2 O szinproporció diszproporció

6 Redoxireakciók Egyenletek rendezése: oxidációs szám változások legkisebb közös többszöröse alapján! Felmérőből: Pirit pörkölés: 4.FeS + 7.O 2 = 2.Fe 2 O 3 + 4.SO 2 Mennyi a kénatom oxidációs száma a kén-hidrogén molekulában? Az oxidációs számok változása alapján állapítsuk meg a I - ion és a I 2 molekula együtthatóját a következő reakcióegyenletben? Cr 2 O 7 2- + x.I - + 14.H + = 2.Cr 3+ + y.I 2 + 7.H 2 O Oxidációs számok számításához: Az oxigén az oxidokban mindig -2 A hidrogén általában +1, de fémhidridekben -1

7 Redukáló- és oxidálószerek Hogyan lehetne számmal jellemezni az oxidáló/redukáló képességet?

8 Melyik elem ad le, melyik vesz fel elektront? Elektronvonzó képesség – relatív skála

9 Redoxi folyamatok a talajban Elektronakceptorok – Oxidálószerek: O 2, NO 3 -, Mn III, Mn IV, Fe III vegyületek, SO 4 2- Elektrondonorok - Redukálószerek: növényi maradványok talaj szervesanyag C tartalma szerves N, S (-NH 2, -NH, -SH, NH 4 +, S 2- ), Mn 2+, Fe 2+ A talaj színe: vörös – Fe III szürke, fekete (Fe-humát) - Fe II

10 Talaj szervesanyag-tartalmának meghatározása (Tyurin módszer) 2 K 2 Cr 2 O 7 + 8 H 2 SO 4 + 3 C = 2 K 2 SO 4 + 2 Cr 2 (SO 4 ) 3 + 8 H 2 O + 3 CO 2 Savas közegbenMnO 4 − + 5 e − + 8 H + → Mn ++ + 4 H 2 O Semleges közegbenMnO 4 − + 3 e − + 4 H + → MnO 2 + 2 H 2 O Lúgos közegbenMnO 4 − + e − → MnO 4 -- Kálium-permanganát (KMnO 4 ) oxidáló hatása A hypo és a sósav reakciójából klórgáz keletkezik! 2 HCl + NaOCl = NaCl + Cl 2 + H 2 O Fertőtlenítés klórral, hypo-val, klórmésszel Cl 2 + H 2 O ↔ HOCl + HCl HOCl = HCl + ‚O’ Hypo (nátrium-hipoklorit)NaOCl = NaCl + ‚O’ Klórmész (Kalcium-hipoklorit)Ca(OCl) 2 = CaCl 2 + 2‚O’ Néhány redox folyamat

11 A nitrogén oxidációs állapotai HNO 2 salétromossav HNO 3 salétromsav

12 Néhány nitrogén redox folyamat Denitrifikáció a szennyvíz-tisztitásban NO 3 - + CH 3 OH = N 2 + CO 2 + H 2 O + OH - denitrifikáló baktériumok Nitrifikáció 2 NH 3 + 4 O 2 = 2 NO 3 - + 2 H + + 2 H 2 O nitrifikáló baktériumok 2 NH 4 + + 4 O 2 = 2 NO 3 - + 4 H + + 2 H 2 O 2 NH 4 NO 3 = 2 N 2 + O 2 + 4 H 2 O Ammóniumnitrát tűz és robbanásveszélyessége Nitráttartalom meghatározás kénsavas roncsolatból NO 3 - + 8 Fe ++ + 10 H + = NH 4 + + 8 Fe +++ + 3 H 2 O Ammóniagyártás N 2 + 3 H 2 = 2 NH 3

13 Nitrogén körforgalom Denitrifikáció Nitrifikáció

14

15 Elektródok http://www.chemguide.co.uk/physical/redoxeqia/introduction.html Elektród: olyan rendszer, amelyben elsőrendű vezető (fém) érintkezik másodrendű vezetővel (fémionok vizes oldata)

16 Galváncellák Zn(sz) + Cu 2+ (aq) = Zn 2+ (aq) + Cu(sz), két folyamat térbeli elválasztása: vatta sóhíd -oldat réz- katód cink- anód Cu 2+ (aq) +2e– = Cu(sz) Celladiagram: Zn | Zn 2+ (aq) Cu 2+ (aq) | Cu (1 M) oxidáció redukció Elektromotoros erő (E): az a feszültség, ami akkor mérhető, amikor a cellán nem folyik át áram _ + Zn(sz) = Zn 2+ (aq) +2e –

17 A standard hidrogénelektród H + (aq) + e  =1/2 H 2 (g) Megállapodás szerint:  º H+/H 2 := 0 Félcella-reakciója: Pt | H 2 | 1 M H + (aq) pontosabban(!): Pt | H 2 | 1 mol H + /1 kg oldat

18 Az elektródpotenciál Az elektród potenciálja (e): annak a galváncellának az elektromotoros ereje, amelynek az egyik elektródja a kérdéses elektród, a másik pedig a standard hidrogénelektród Standardpotenciál (eº): egységnyi koncentrációjú (aktivitású) oldat elektród potenciálja Nernst-egyenlet: Negatívabb oxidálódik, pozitívabb redukálódik. F=96485 C / mol

19 Elektromotoros erő E MF = ε katód – ε anód pl.: Daniell-elem Ha minkét koncentráció=1 (E MF ) Daniell = ε Cu – ε Zn = 0,337V – (-0,763V) = 1,10 V vatta sóhíd réz- katód cink- anód

20 Az üvegelektród Elsőfajú elektród, pl.: Ag + (sz) + e  = Ag(sz) Ag(sz) | Ag + (aq) e függ a koncentrációtól Másodfajú elektród, pl.: Ag + (sz) + e  = Ag(sz) AgCl(sz) Ag+(aq) + Cl  (ag) Ag(sz) | AgCl | KCl 1 mol / kg (aq) AgCl oldatbeli koncentrációja jó közelítéssel állandó → e állandó Jó referenciaelektród! De konstans klorid-ion konc.! [Ag + ] [Cl - ] = 10 -10

21 Korrózióvédelem Passzív: Aktív: Febelül zinkrúd Mg vagy Zn Fe csővezeték vagy - potenciál Fe Zn Fe Sn kis  º-ú fém festék, v. nagy  º -ú fém (pl. Sn), vagy tömör oxidréteg (pl. Al 2 O 3 ) H +, H 2 O Sn 2+, Fe 2+ hátrány: helyi elem: Fe + Sn 2+ = Sn + Fe 2+ helyi elem: Zn + Fe 2+ = Fe + Zn 2+ H +, H 2 O Zn 2+, Fe 2+

22 Galvánelem, mint az elektrokémiai korrózió megjelenési formája Az egyik leggyakoribb korrózió az elektrokémiai korrózió, amely minden esetben galvánelem képződésére vezethető vissza. Klasszikus galvánelemKorróziós galvánelem Cl - Dr. Bajnóczy Gábor BME

23 Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor +

24 Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor +

25 Koncentrációkülönbség okozta korrózió (alározsdásodás)

26 Koncentrációs elem Dr. Bajnóczy Gábor BME E cella = E 0 + (RT/nF) * ln[tömény ] – E 0 – (RT/nF) * ln[híg] E cella = (RT/nF) * ln----------- [tömény] [híg]

27 Biológiai korrózió Biológiai folyamat által előidézett elektrokémiai korrózió Szulfátredukáló baktériumok: oxigénmentes környezetben a katódon képződő hidrogént használják fel szulfát redukcióra 8 H adszorbeált + SO 4 2- → S 2- + 4H 2 O A katódon adszorbeálódott hidrogént, amely fékezi a korróziót eltávolítja, így a korrózió gyorsul A képződő szulfid megtámadja fémet és laza fém-szulfidot képez Fűtőolaj tartály kilyukadt fala. Gyakori korróziót okoz az olajiparban. Mg vagy Zn Fe csővezeték Zn – 2.e - = Zn 2+ Fe 2+ + 2.e - = Fe 2.H + + 2.e - = H 2

28 Biológiai korrózió A kénbaktérium oxigén tartalmú környezetben szulfid-iont kénsavvá tud oxidálni Csatorna csövek korróziója betoncső kénbaktérium telepek a falon Korrózió a földgáz vezetéken A csőben van víz és hidrogén-szulfid, amelyet a kénbaktérium kénsavvá oxidál. A képződő sav miatt lyukad ki a cső.

29 Galvánelemek (kémiai áramforrások) a gyakorlatban a) Galvánelem (primer elem, battery): egyszer használatos, „kimerül” (eléri td-i egyensúlyát), nem eldobandó! b) Akkumulátor (szekunder elem, rechargeable battery): sok(száz)szor újratölthető (gépkocsi, hallókészülék …) c) Tüzelőanyagcella: áramtermelés oxidációs folyamat során – folyamatos anyagbetáplálással Jelentőségük: energiaforrás tetszőleges helyen és időben – erőmű (+vezeték) vagy generátor nélkül rendkívül egyszerű kezelés (amatőröknek is) hordozhatók (táskarádió, karóra, mobil, pacemaker stb.)

30 a) Gyakorlati galvánelemek: Leclanché-elem Lúgos mangánoxid elem Lítium-elem Higanyoxid-elem (Daniell-elem) (Volta-oszlop)

31 Leclanché-elem anód: Zn, katód: grafit-MnO 2, Közeg: savas NH 4 Cl, ZnCl 2 elektrolitgél ⊝ ½ Zn  ½ Zn 2+ + e - az NH 4 Cl-dal [Zn(NH 3 ) 4 ] 2+ lesz ⊕ H + + e -  ½ H 2 (grafiton) a H 2 -t a MnO 2 MnO(OH)-ént „elnyeli” A 4,5 V-os lapos szárazelem- ben 3 db 1,5 V-os cella van

32 Lúgos mangánoxidos elem (alkaline battery, 1,5 V) A Leclanché-elem NH 4 Cl-ját itt KOH helyettesíti: ½ Zn + OH -  ½ Zn(OH) 2 + e - H + + e -  ½ H 2 a MnO 2 elnyeli. Ma a legelterjedtebb. 5-7 éves garancia. AA méret: 2000 mAh

33 A 9 voltos elem:

34 ⊝ Li  Li + + e - a Li miatt víz helyett szerves oldószer van ⊕ MnO 2 + e -  [MnO 2 ] - - 3 Volt, könnyű, - tág T tartomány, - jól terhelhető. - Gombelem forma. Lítium-elem:

35 bruttó reakció: Zn + HgO  ZnO + Hg 1,25 V, állandó! Hallókészülékekben, pacemakerekben Hg nem környezetbarát Higanyoxid-elem (Ruben–Mallory-elem)

36 Daniell-elem ⊕ Zn | ZnSO 4 -oldat | CuSO 4 -oldat | Cu ⊝ Cu kiválás, Zn oldódás Agyag-diafragma kell! Oktatási, didaktikai célra jó, egyszerű, átlátható. Hétköznapi használatra nem praktikus. Volta-oszlop: sok Cu/Zn lemezpár – elektrolitos szövetdarabokkal

37 Cl - Miért nem lehet tölteni a galvánelemet ? A töltésnél egyéb mellékreakciók is lejátszódnak ! Dr. Bajnóczy Gábor BME

38 Ólomakkumulátor PbSO 4 + 2 H 2 O PbO 2 + 4H + + SO 4 2- + 2e - PbSO 4 + 2e - Pb + SO 4 2- Pozitív elektródon Negatív elektródon töltés kisütés töltés kisütés Dr. Bajnóczy Gábor BME

39 c) Tüzelőanyag cellák Hőerőműben: Kémiai energia  hő  mech.energia  elektromos energia. Max. kb. 40% (Carnot ciklus) Tüzelőanyag cella: speciális berendezésben az égésből közvetlenül áramot termel (75-90%). A hidrogén+oxigén reakcióját (KOH elektrolit) 2 H 2 (g) + O 2 (g)  2 H 2 O(l) térben elkülönítik (katalizátor, T = 70–140 o C) : anódreakció: 2H 2 (g) + 4OH -  4H 2 O + 4e - katódreakció: O 2 (g) + 2H 2 O(l) + 4e -  4OH - Más (természetbeli) anyagok (metán, etán) oxidáció- jával is működnek igen jó tüzelőanyag cellák.

40 Bacon-elem (tüzelőanyag cella) Ni(H 2 )/KOH-H 2 O/(O 2 )Ni 2H 2 + O 2 = 2H 2 O E o = 1,2 V j 0 = 10 -10 A cm -2 (katód)

41 Tüzelőanyagelem e - +- Dr. Bajnóczy Gábor BME

42 Forrás: Áramforrások, tüzelőanyagcellák Inzelt György ELTE Dr. Bajnóczy Gábor BME

43 4. Idegrendszerre ható peszticidek Az idegrendszerre ható peszticidek az idegsejtek közti ingerületátadást akadályozzák. Az ingerület terjedése a neuron idegnyúlványán (axonján) belül lényegében elektromos jelenség. Az egymással kapcsolatban álló idegsejtek ingerületáttevődésének helye az idegnyúlványok végződéseinél, a szinapszisoknál van. Ezek nincsenek egymássa1 közvetlen összeköttetésben, közöttük kb. 50 nm távolság van. Az áthidalást kémiai ingerületátvivő anyagok végzik. A szinapszis felépítésének vázlata (Elődi: Biokémia után)

44 4. Idegrendszerre ható peszticidek Az elektromos impulzus az axon-membrán külseje és belseje közötti elektromos potenciálkülönbség lökésszerű megváltozása. Ezt a membrán két oldalán levő egyenlőtlen ioneloszlás és annak hirtelen megváltozása biztosítja acetilkolin polarizált állapot depolarizált állapot Az idegsejt nyugalmi (polarizált) állapotában, ha a külső potenciált zérusnak vesszük, a belső potenciál –75 mV. Amikor az acetilkolin az axon-membrán fehérjereceptoraihoz kapcsolódik a membránt a Na+- és K+-ionok számára áteresztővé teszi.

45 4. Idegrendszerre ható peszticidek Az eredeti, újabb ingerület fogadására alkalmas állapot visszaállításához az átjutott ionokat az eredeti helyükre kell juttatni az axon-membrán két oldalán. Ez a Na-K-ATP-áz miután a membránt megnyitó acetilkolin az acetilkolinészteráz-enzim (AChE) közreműködésével a membránról eltávozik. Az acetilkolin a vezikulákba az acetikolin-transzmitter közreműködésével kerül vissza. Az idegrendszerre ható peszticidek hatása ezen folyamatok alábbi pontjain bekövetkező gátlásban nyilvánul meg: a.az ionok axon-membránon áttörténő mozgásának gátlása, b.az acetilkolinnak a fehérjereceptorhoz való kapcsolódásának a gátlása, c.az acetilkolinészteráz-enzim (AChE) müködésének a gátlása.