Název: Beketovova řada kovů Autor: Mgr. Jiří Vozka, Ph.D. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět, mezipředmětové vztahy: chemie, biologie, fyzika Ročník: 3. Tématický celek: Elektrochemie Stručná anotace: Pracovní list je koncipován jako podklad pro ověření teoretických znalostí z oblasti elektrochemie. Pracovní list je možné vypracovávat samostatně nebo žáci mohou pracovat ve dvojicích. Časová dotace: Pracovní list je koncipován na jednu vyučovací hodinu. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.
Teorie Viz pracovní list pro žáky Výsledky 1) 2 Ag + Cu 2+ Cu + 2 Ag + Zn + Pb 2+ Pb + Zn 2+ Redoxní potenciály mají i nekovové prvky E (I 0 /I - ) = 0,535 V, E (Cl 0 /Cl - ) = 1,359 V 2 I - + Cl 2 2 Cl - + I 2 Zn + Cu 2+ Cu + Zn 2+ 2) U následujících reakcí určete, co je redukční a co oxidační činidlo? 2 Na (redukční. č.) + 2 H 2 O (oxidační č.) 2 NaOH + H 2 5 Fe 2+ (redukční. č.) + MnO 4 - (oxidační č.) + 8 H + Mn 2+ + 5 Fe 3+ + 4 H 2 O 3) Budou probíhat následující reakce? MgO + H 2 Mg + H 2 O NE CuO + H 2 Cu + H 2 O ANO 3Cu + 8HNO 3 NO + 3Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O ANO 2 Al + 6 HNO 3 3 H 2 + 2 Al(NO 3 ) 3 ANO, ale pozor hliník je pasivován svým oxidem, takže reakce probíhá obtížně! 4) Vyčíslete následující redoxní reakce 3 Cu + 8 HNO 3 4 H 2 O + 2 NO + 3 Cu(NO 3 ) 2 6 Br - + Cr 2 O 7 2- + 14 H 3 O + 3 Br 2 + 2 Cr 3+ + 21 H 2 O 5) Pátá úloha je koncipována tak, aby si žáci propojili teoretické znalosti s reálným světem. Učitel by měl být v pozici rádce, popř. by mohl řídit diskuzi. Koroze je degradativní proces/oxidace některých kovových materiálů. Některé kovy jsou pokryty vrstvou svého oxidu, který zamezuje přístupu vlhkosti a kyslíku a tedy chrání kov před korozí (pasivace kovů). Možná ochrany nátěr, pokovení odolnějším kovem, moderněji třeba ochrana el. proudem.
Další aplikace, možnosti, rozšíření, zajímavosti, Pracovní list je možné rozšířit o laboratorní práce na toto téma. Zdroje: MIČKA, Z., LUKEŠ, I.: Anorganická chemie I Teoretická část. 2. vydání, Praha: Karolinum, 2003. LUKEŠ I., MIČKA, Z.: Anorganická chemie II Systematická část, 2. vydání, Praha: Karolinum, 1999.
Pracovní list pro žáka Beketovova řada kovů Laboratorní práce číslo:. Jméno Teorie: Třída Datum Redoxní děje, tedy děje, ve kterých dochází k přenosu elektronů, tvoří jedny z nejdůležitějších dějů v přírodě vůbec. Jako příklad může posloužit buněčné dýchání nebo fotosyntéza. Redoxní děje se dělí na dva procesy. Redukce je děj, kdy prvek přijímá elektrony a tedy dochází k poklesu jeho oxidačního čísla. Oxidace je děj, kdy prvek o elektrony přichází a oxidační číslo se tedy zvyšuje. Některé kovy mají značné redoxní vlastnosti, jiné redoxním dějům takřka nepodléhají. Porovnání jednotlivých kovů z hlediska redukčního účinku (ostatní látky redukuje, sám sebe oxiduje) provedl ruský chemik Nikolaj Nikolajevič Beketov. Na základě série experimentů prvky srovnal do tzv. Beketovovy řady kovů. Příklad zjednodušené Beketovovy řady následuje. K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au Čím více je kov umístěn vlevo, tím má vyšší redukční účinky. Beketovova řada je rozdělena atomem vodíku na dvě části. Kovy nalevo od vodíku dokáží vyredukovat molekulární vodík z roztoků kyselin (kovy úplně nalevo i z vody) a označují se jako kovy neušlechtilé. Kovy napravo od vodíku s kyselinami nereagují vůbec, anebo pouze za přítomnosti oxidačních činidel a označují se jako ušlechtilé. Fyzikálně-chemickým vyjádřením redoxních vlastností kovu je tzv. redoxní potenciál. Číselné hodnoty jsou vždy vyjádřeny pro konkrétní oxidovanou a redukovanou formu a platí, že čím nižší hodnota redoxního potenciálu, tím obtížněji oxidovaná forma přijímá elektrony. Jinými slovy, čím nižší hodnota redoxního potenciálu, tím silnější redukční účinky bude mít redukovaná formy. E (K + /K) = 2,92 V; E (Al 3+ /Al) = 1,66 V; E (Ag + /Ag) = 0,80 V Např. z výše uvedených redoxních potenciálů je patrná souvislost mezi postavením kovu v Beketovově řadě a hodnotou redoxního potenciálu. Draselný kation (oxidovaná forma) velmi neochotně přijímá elektrony, tedy elementární draslík je silné redukční činidlo. Stříbrný kation naopak ochotně přijímá elektrony, tedy bude vystupovat jako činidlo oxidační.
Úkoly: 1) Na základě Beketovovy řady předpovězte směr následujících reakcí 2 Ag + Cu 2+.. Cu + 2 Ag + Zn + Pb 2+..Pb + Zn 2+ Redoxní potenciály mají i nekovové prvky E (I 0 /I - ) = 0,535 V, E (Cl 0 /Cl - ) = 1,359 V. 2 I - + Cl 2..2 Cl - + I 2 Zn + Cu 2+.. Cu + Zn 2+ 2) U následujících reakcí určete, co je redukční a co oxidační činidlo? 2 Na + 2 H 2 O 2 NaOH + H 2 5 Fe 2+ + MnO - 4 + 8 H + Mn 2+ + 5 Fe 3+ + 4 H 2 O 3) Budou probíhat následující reakce? MgO + H 2 Mg + H 2 O CuO + H 2 Cu + H 2 O 3Cu + 8HNO 3 NO + 3Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O 4) Vyčíslete následující redoxní reakce 2 Al + 6 HNO 3 3 H 2 + 2 Al(NO 3 ) 3 Cu + HNO 3 H 2 O + NO + Cu(NO 3 ) 2 Br - + Cr 2 O 7 2- + H 3 O + Br 2 + Cr 3+ + H 2 O
5) Do elektrochemie také neodmyslitelně patří pojem koroze. Každý z vás se jistě setkal se zkorodovaným (zrezavělým) železem. a. Pokuste se navrhnout, co to vlastně koroze je? b. Korodují všechny kovy? Zdůvodněte svoji odpověď. c. Pokuste se vymyslet, jaké faktory jsou potřeba, aby železo zkorodovalo? d. Navrhněte postup, jakým způsobem lze železo proti korozi ochránit. Svoje nápady srovnejte s těmi, které naleznete na internetu.