Redoksreaksjon


Hei
I en kjemioppgave skulle jeg skrive den balanserte reaksjonen for oksidasjonen av jern(2) til jern(3) vha. oksygen. I fasiten bruker de halvreaksjonen der O2+H2O -> OH- (ikke balansert). Men denne halvreaksjonen har jo mindre E0 enn reduksjonen av jern(3) til jern(2), som jo da må bety at reaksjonen ikke er spontan?? Personlig mener jeg at man heller skulle ha brukt halvreaksjonen der oksygen og H+ danner vann.. Kan noen forklare meg hva jeg gjør feil her?
Replies

Jeg tror du er forvirret av oksydasjon og reduksjon.

Prosessen er spontan, og danner blant annet grunnlag for dannelse av myrmalm. Der blir Fe2+(aq) fra oksygenfritt miljø i undergrunnen oksydert til Fe3+(s) i kontakt med oksygen.

De to halvreaksjonene er:
4 Fe2+> Fe3+ + 4 e-
O2 + 2 H20 + 4e-> 4 OH-

Under anaerobe forhold kan den første reaksjonen gå i revers, og skaffe elektroner til oksydasjonsprosesser, les "celleånding".

AA
I tabellen vi har fått utdelt står det at:
1) Fe3++e- -> Fe2+ E0=0,77V
2) O2 + 2H2O +4e- -> 4OH- E0 = 0,40 V

Hvis jeg da snur 1) slik at dette blir oksidasjonen og 2) blir reduksjonen, får jeg at: E0celle = 0,40 v -0,77 V = -0,37 V. Da kan jo ikke reaksjonen være spontan?
Nå har jeg ikke studert kjemi siden slutten av forrige århundre, men her ser det ut til at du sliter med fortegnene:
Reaksjonen
1) Fe3++e- -> Fe2+ E0=0,77V
er ikke spontan.

Altså er en reaksjon som gir negativt fortegn spontan. Det vil si reaksjonsproduktene har lavere energi enn utgangststoffene.

Reaksjon 2 er heller ikke spontan (heldigvis!), men drives med energi fra oksydasjon av Fe2+.

AA
Så, hvis jeg har forstått deg rett, mener du at reaksjonen ikke er spontan når summen av E0>0?
Ja, nettopp!
(I min skoletid lærte jeg ikke mye om slike regnestykker, men kjemien er helt grei, og så viser det seg at den spontane reaksjonen har en E0<0.)

AA
Kanskje du forveksler med Gibbs frie energi? På skolen har vi nemlig lært at redoksreaksjonen er spontan hvis cellepotensiale er positivt ...
Her er det rot med fortegn! Verdiene i tabellen du viser til har positive verdier for reaksjoner som ikke er spontane.

Da får en spontan reaksjon negativ verdi.

Kjemien er helt klar, at jern spontant går over til Fe3+ koster samfunnet milliarder, det handler om rust.

Hvordan dette uttrykkes matematisk går over min forstandblush

AA
Det er ikke rart at du reagerer på dette, dere lærer jo nettopp at det må positivt cellepotensiale til for at reaksjonen skal være spontan (det gir forresten ikke mening å omtale en halvreaksjon alene som spontan, det er redoksreaksjonen som er spontan eller ikke. Dessuten: reduksjonspotensialene er kun verdier satt relativt til en referansereduksjon (standard hydrogenelektrode) og fortegnet er følgelig kun et resultat av hva vi har definert som referanse - analogt med celsiusskalaen.).

Du foreslår reaksjonen med O2 og H+, men husk at denne kun skjer i surt miljø.

Den beste forklaringen jeg har på at Fe(II) spontant oksideres til Fe(III) er at virkeligheten ofte er mer sammensatt enn noen av de forenklete modellene man lærer på skolen. Aller først: verdiene i tabellene er standard reduksjonspotensialer, dvs at de gjelder under standardbetingelser. Dessuten involverer prosessen flere stoffer enn de du ser i tabellen, se her:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653507002330
Slik du har framstilt dine spørsmål og innlegg, både det første og det andre så har du tenkt fornuftig og innvendigene dine er godt begrunna.
Så da er spørsmålet om det var noen tilleggstekst med spørsmål om rust som kunne forutsatt at du skulle kommet inn på det og prøvd å forklare oksidasjonen Fe2+ til Fe3+ med flere likninger? Noen ganger er det ikke måte på hvor vanskelige enkelte lærere vil lage oppgavene. Oksidasjonen av Fe2+ (med permanganat i surt miljø er jo også pensum). Når man skal bestemme en jernmengde kan man også løse opp jernet i svovelsyre (blir til Fe2+) og deretter titrere mot permanganat ved oksidasjon til Fe3+. Så da er det lett for ivrige lærere å se på kjemielever som eksperter på oksidasjonstrinnene og reaksjonene til jern.

Det er helt riktig som du antyder i andre innlegg at den antydete reaksjonen ikke kan være spontan. Det er den motsatte som er det. E0 må være positiv. Så om det er riktig at fasiten sier at det gir en spontan reaksjon fra jern(II) til jern(III) så er det kort og godt feil.

Du har helt sikkert et kapittel i læreboka hvor korrosjon av metaller omtales. Der er det beskrivelser av hvordan og hvorfor jern ruster. Tidligere pleide det stå i lærebøker at jern ruster raskest i vekslende surt og basisk miljø, og når sola står på fuktig jern og det er oksygen i lufta så skal det heller ikke så mye syre til, faktisk er jo noenlunde rent vann på den sure sida bare pga av innholdet av karbondioksid og atmosfæren inneholder jo også andre sure komponenter fra forurensing. Så derfor ruster jernet og for å få det forklart må du bruke den andre reaksjonen du foreslår. Altså:

O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 e- -> 2 H2O E0 = 1,23 V

Her er noen utsnitt fra det kapitelet i en av lærebøkene Brandt og Hushovd: Kjemi 2 (Aschehoug 2011). Les i rekkefølge. Men man må ellers huske på at dette er et vanskelig tema. For de som skal forske på slikt er kompleksionene viktige å forstå (noen som bl a fins i den artikkelen tomash linker til. Løselighetsprodukter er også viktige f eks er Fe(OH)2 noe mer løselig enn Fe(OH)3 som er temmelig uløselig.