Chemie na GJN

Kovy jsou fenomenální materiály, které doslova a do písmene tvořily a tvoří lidské dějiny. Připomeňme si jen pár příkladů – doba bronzová, doba železná, zbraně jakékoliv doby jiné, války o zlato či stříbro, atomová bomba a mnoho, mnoho dalších… Jak již jsme se naučili v prvním ročníku. Kovy mají pár vlastností společných. Jsou to kujnost, tažnost, tepelná a elektrická vodivost a kovový lesk. Přesto ale není kov jako kov. Některý naleznete v přírodě ryzí, jiný se v přírodě ve své kovové podobě vůbec nenachází. Některý kov má nezastupitelnou úlohu ve vašich tělech, jiný je pro vás smrtelný jed. Některý kov postupem času ztrácí svůj lesk a své vlastnosti a pomalu se ničí, jiný vydrží staletí takřka beze změny. Základní vlastnost kovů, která do značné míry určuje jejich vlastnosti, se nazývá standardní redoxní potenciál (SRP) . Opustíme složité fyzikální vysvětlování a hrubě si to zjednodušíme.

Standardní redukční potenciál udává ochotu prvku redukovat se, tedy přijímat elektrony.

Každý kov může existovat ve dvou podobách, buďto jako kation kovu (oxidovaná forma kovu) nebo jako neutrální atom kovu. Třeba zlato se může vyskytovat jako zlatitý kation Au³⁺nebo jako elementární zlato Au⁰. Na to, aby se kation přeměnil na neutrální kov, musí přijmout elektrony a tím se redukovat. Pro zlato by to vypadalo takto:

Hodnota E° je SRP pro tuto reakci. V závorce jsou pak uvedeny jednotlivé formy daného prvku. Oxidovaná vlevo, redukovaná vpravo. Protože hodnota SRP pro zlato je kladná, zlatité kationy se mohou roztrhat, aby někde sehnaly elektrony a redukovaly se. V přírodě mají těchto možností bezpočet. Z tohohle důvodu se zlato v přírodě často vyskytuje ryzí, elektricky neutrální. Může to být ale naopak. Třeba pro draslík by tato reakce vypadala následovně:

Hodnota SRP je pro draslík záporná. Z tohoto důvodu draselné kationy podléhají redukci velmi ale velmi neochotně. Jinými slovy, jakmile nenabitý draslík má možnost, okamžitě se oxiduje na draselný kation. To je důvodem, proč draslík podobně jako ostatní alkalické kovy nebo kovy alkalických zemin nenajdeme v přírodě ryzí.

Takže ještě jednou, stručně a jasně. Pokud je SRP nějakého prvku záporný, raději se bude tento prvek vyskytovat v oxidované formě. Pokud je SRP kladný, raději se daný prvek bude vyskytovat v redukované formě. Své chemické reakce/chování pak přizpůsobí tak, aby všichni byli spokojení, jak jen to půjde.

Protože chemici musí být s fyzikáři zadobře, rozklíčujeme si nyní, co ten SRP je vlastně za veličinu. SRP je charakteristika daného prvku, stejně jako hustota nebo teplota varu. A stejně jako hustotu pro daný prvek musíte nejprve změřit a pak tabelovat, pro SRP to platí stejně. SRP se měří jako napětí v elektrochemických článcích (proto má jednotku volt, V), ve kterých je jedna elektroda vytvořena z měřeného prvku, druhá je pak tvořena standardní vodíkovou elektrodou. Možná vás překvapuje, že je možné zkonstruovat elektrodu z plynného vodíku. Inu ano, jde to, ale podrobněji to rozebírat nebudeme. Jestli se úplně nevyznáte v problematice elektrochemických článků, nezoufejte, budeme se jim věnovat již v příští podkapitole.

Jelikož je SRP mimořádně důležitá veličina, vyskytuje se v různých knihách i pod jinými názvy. SRP může být označován jako redoxní potenciál, elektrochemický potenciál, oxidačně – redukční potenciál či tak nějak podobně. Je to tabelovaná veličina a můžete jej proto vyhledat téměř pro všechny prvky.

Pár příkladů SRP pro některé prvky, včetně rovnic odpovídajících redukcí:

K⁺+ e^-→ K, E⁰= – 2,92 V

Al³⁺+ 3e^-→ Al, E⁰= – 1,66 V

Zn²⁺+ 2e^-→ Zn, E⁰= – 0,76 V

Pb²⁺+ 2 e^-→ Pb, E⁰= – 0,13 V

Cu²⁺+ 2e^-→Cu, E⁰= 0,34 V

Ag⁺+ e^-→ Ag, E⁰= 0,80 V

Au³⁺+ 3e^-→ Au, E⁰= 1,42 V

F + e^-→F^-, E⁰= 2,80 V

Přestože redoxní potenciál má stanovený teoreticky každý prvek, nyní se budeme věnovat zejména kovům. Již vás jistě napadlo, že by bylo možné jednotlivé kovy podle SRP seřadit. Měli bychom je pěkně vyrovnané podle jejich redukčních schopností a velmi rychle bychom se potom mohli orientovat v jejich chemii a třeba předpovědět, jak budou některé reakce probíhat. Bohužel nejsme první, koho to napadlo. Před námi to již napadlo ruského chemika Beketovova. Zkrácená Beketovova řada kovů vypadá následovně:

Li K  Ca  Na  Mg  Al  Mn  Zn  Cr  Fe  Co  Ni  Sn  Pb H   Cu Ag Hg Pt Au

Beketovova řada kovů je rozdělena vodíkem na dvě části. Jak jsme si již řekli, tak SRP se měří oproti vodíkové elektrodě. Tento způsob měření nám tedy nulový SRP nastavil na vodík. Kovy, které jsou umístěny v Beketovově řadě nalevo od vodíku, májí záporný SRP a obecně se jím říká neušlechtilé kovy . Čím víc je prvek vlevo, tím zápornější má daný kov SRP a tím silnějším redukčním činidlem bude. Kovy napravo od vodíku, mají kladný SRP a označují se jako ušlechtilé kovy .

Pojďme si ukázat, co všechno se dá z Beketovovy řady vyvěštit:

Jak už to tak v chemii bývá, z různých důvodů existují různé výjimky. Třeba takový průměrný hliník, když ho vhodíte do kyseliny, tak se může stát, že reakce neproběhne, a to je přitom nalevo od vodíku. Je tomu tak proto, že hliník se velmi rychle na vzduchu pokrývá vrstvou svého oxidu. Pasivuje se. Proto se kyselina přímo na kovový hliník nedostane. Když ale těsně před reakcí vrstvičku oxidu odstraníte, reakce pojede jak po másle.