Reakcje redox - opowieść pierwsza

W zasadzie naukę chemii należałoby zacząć od polecenia: …to na jutro nauczcie się układu okresowego pierwiastków z podziałem na grupy, na pamięć. Ponieważ jednak jesteśmy już duzi to oczywiście nikt takich głupot od nas, na szczęście żądał nie będzie… Dla odmiany zaczniemy gdzieś w trakcie…. Postaram się Wam opowiedzieć o reakcjach typu redox tak, aby już nikt się tego słowa nie bał i nie brzydził…

Nasze ulubione szkliwa zielone i w kolorze miedzi

Ponieważ ostatnio trochę, z konieczności musiałem pogrzebać się w szkliwach z dodatkami związków miedzi to te związki będą mi towarzyszyły w rozważaniach. Nie jest to może najlepszy przykład, gdyż związki miedzi czasem potrafią zachować się w sposób nieprzewidywalny. Tematu ich nieprzewidywalności tu nie rozwinę gdyż jest rzadko spotykany i trudny do opisania ( niemniej warto pamiętać, że jest) Przykład związków miedzi jest jednak spektakularny ze względu na atrakcyjność kolorów i popularność zastosowania.

Związki miedzi w ceramice szkliw.

Najczęściej wykorzystywane w ceramice tlenki i sole miedzi to Cu2O – tzw. czerwony tlenek miedzi (tlenek miedzi I), CuO – czarny tlenek miedzi ( tlenek miedzi II), CuCO3 – węglan miedzi zielony, CuSO4 – siarczan miedzi – ( bezwodny- biały, CuSO4*5H2O – uwodniony-niebieski ). CuCl2 -chlorek miedzi ( bezwodny – żółto-brązowy, CuCl2*2H2O – uwodniony – zielony )
Oznaczenia chyba pamiętacie?
Cu – Cuprum – miedź
O – Oxygenium – tlen
C – Carboneum – węgiel
S – Sulphur – siarka
Cl -Chlorum – chlor
Sama, czysta miedź ma oczywiście kolor miedziany 🙂 .

Co decyduje o barwie?

Zaczynamy. Różne konfiguracje atomów miedzi i jej jonów z różnymi związkami dają różne efekty barwne. Co to jest barwa i inne takie historie opisałem w artykule: kolorowanie wyrobów z gliny
Nie będę się tu zatem powtarzał. Powiem tylko, iż reakcje redox, dzięki którym powstają w sposób sztuczny lub naturalny odpowiednie związki chemiczne to właśnie element powstawania i nadawania barwy – w tym nadawania barwy wyrobom ceramicznym podczas procesu wypału szkliwa.

Reakcje redox - chemia to czy fizyka?

Ogłaszam krótką przerwę. Jeśli ktoś z Was doczytał do tego momentu to podziwiam desperację i determinację. Ja jeszcze nic nie napisałem a już się zmęczyłem. Co dopiero Wy! Jako przerywnik pozwólcie na krótkie spostrzeżenie. Otóż całe nieszczęście nauczania polega na tym, że w szkole na podstawowym poziomie ( później zresztą również ) uczymy się fizyki i chemii oddzielnie. W obecnych czasach większość z nas nie kojarzy, że zjawiska fizyczne w obszarze budowy atomu, cząstek elementarnych i ich wzajemnych oddziaływań dotyczą dokładnie tych samych atomów, cząstek itp. o których uczymy się na lekcjach chemii w obszarze reakcji chemicznych!!! Dlatego uwaga!!! Jeśli ktoś powie, że to miało być o chemii a ja tu piszę o jakiś aspektach fizycznych – to się niestety nie da rozłączyć!!! I choć w obecnych czasach „wielkie umysły” próbują nawet podzielić ludzi na tych z próbówki i tych z naturalnego wytrysku to to po prostu nie działa!!!

O reakcjach redox – podstawy chemii

Reakcja redox:

to proces, podczas którego następuje równoczesna wymiana elektronów pomiędzy przynajmniej (najczęściej) dwiema substancjami. Nazwa redox składa się z dwu członów „red”- od reduction – redukcja i „ox” – oxidation – utlenianie. Te dwie reakcje zachodzą równocześnie!!! Czym zatem są reakcje utleniania i redukcji?

Reakcja utlenienia:

to proces, w którym atom lub cząsteczka oddaje elektrony. Proces związany jest zawsze ze zwiększeniem stopnia utlenienia…Czyli bardziej i bardziej się utlenia..

Reakcja redukcji:

to proces, w którym atom w stanie wolnym lub w cząsteczce odbiera elektrony co powoduje zmniejszenie jego stanu utlenienia…Czyli jakby redukuje swoje utlenienie częściowo lub całkowicie…Jest coraz mniej utleniony…

jeden oddaje drugi odbiera i co?

Właśnie dlatego reakcję nazywamy redox. Ten co oddaje elektrony to oddaje te elektrony temu co je odbiera i tylko w takiej ilości jaką jeden może oddać a drugi odebrać!!!

Nie wiem czy dałem radę wytłumaczyć….

Przykład

Wiem, że ktoś może mnie za to skopać ale powiedzmy dla celów poglądowych. Spalanie miedzi w tlenie:

2Cu + O2 → 2 CuO

spalamy miedź w atmosferze tlenu powstaje tlenek miedzi.

Teraz reakcje połówkowe – pozwalają zrozumieć mechanizm z tymi elektronami….

Cu0 → Cu+II + 2e-

Żeby wyjaśnić zapis. Cu0 to miedź metaliczna , której ani nie brakuje elektronów ani nie ma ich do oddania – dlatego ma zero przy swojej główce. W momencie kiedy stworzy się odpowiednie warunki to miedź oddaje dwa elektrony przechodząc w stan Cu+II .

O0 + 2 e-→ O-II

Tlen, taki sobie fruwający to też nie ma elektronów do oddania ani mu ich nie brakuje ale w odpowiednich warunkach przyjmie te dwa elektrony.

Jak widać w tych równaniach miedź jest reduktorem a tlen utleniaczem. Klasycznie zaprezentowane reakcje redox.

Ufff…

I żeby było jasne. W naturze jest jak w życiu. Coś co znajduje się w stanie równowagi nie ma tendencji do zmiany stanu. Zmianę wywołują czynniki zewnętrzne. W ceramice najczęściej jest to temperatura. W życiu – a to już różnie. Stan niedoboru lub nadmiaru ( np. elektronów na powłokach walencyjnych ) powoduje konfrontację a w efekcie zwarcie się cząsteczek lub jonów i utworzenie nowego bytu.

Reakcje redox. Jak ożenić teorię z praktyką

Jeśli, ktoś z Was uczciwie dotarł do tego momentu to ja naprawdę jestem pod wrażeniem. To teraz postaram się pokazać praktyczny wymiar tych reakcji. Jak to jest w ceramice. Wyobraźmy sobie, że robimy wypał raku metodą amerykańską ( to ta metoda jaką najczęściej wykonuje się raku w Polsce). Robimy sobie szkliwo do raku. Dodajemy węglanu miedzi. Może być tlenek miedzi – obojętnie jaki – niedługo wyjaśnię jak to zrobić i przeliczyć w recepturach. Szkliwimy. Suszymy. Wypalamy. W odpowiednim momencie wkładamy „do redukcji”. Przeważnie do kubła z gazetami, trocinami, wiórami lub z tym z co kto lubi. Szczelnie zamykamy kubeł. Czekamy Co teraz się dzieje.

Ze spalanych papierów, trocin etc. tworzy się dym a płonący w pojemniku ogień wypala resztki tlenu. W dymie znajduje się dużo węgla w różnych postaciach. Węgiel jest dobrym reduktorem. Przyłącza cząsteczki tlenu tworząc dwutlenek i tlenek węgla. Wewnątrz zachodzi reakcja redox. Węgiel odbiera tlen od tlenku miedzi. Pozostaje nam błyszcząca miedziana warstwa na szkliwionym naczyniu ( ładniejsza lub brzydsza ). Chemia zadziałała!!! Po prostu reakcje redox 🙂

…ale zaraz, chwila. Nie ma nic złoto miedzianego. Wszystko jest zielone!!! – Znaczy nieszczęście się stało. Wiadro było nieszczelne, zbyt duże? Nie wypalił się tlen lub wypalił się w stopniu niewystarczającym. Nie zaszła reakcja redukcji lub zaszła reakcja ponownego utlenienia miedzi tym razem z częściowym udziałem węgla do węglanu miedzi ( tego zielonego ). Zgadza się?

Inne aspekty praktyczne reakcji redox.

Dlaczego podczas redukcji podczas wypału raku wsadzamy rozgrzane naczynia do zamkniętego wiadra z gazetami, wiórami, etc. – już wiemy! Ale po co wrzucać naczynia po redukcji do wody. Czy to potrzebne? Czy chodzi o to żeby je szybciej obejrzeć? Gdzie tu reakcje redox? Otóż jak powiedzieliśmy ale może nie było to wystarczająco wyraźne w normalnych warunkach substancje typu metale, tlenki sole są zazwyczaj dość stabilne. Nie tracą czy nie odbierają tych elektronów. To wysoka temperatura jest czynnikiem powodującym i przyśpieszającym reakcje. Szybkie chłodzenie ( wrzucanie do wiadra z wodą ) ma na celu przerwanie reakcji na etapie, na którym chodzi nam aby ona już dalej nie przebiegała lub nie pojawiła się inna reakcja niepożądana ( np. ponowne utlenienie – oczywiście też reakcje redox 🙂 ). 

Znaczenie rozumienia reakcji fizycznych i chemicznych w ceramice

Już tyle wytrzymaliście to polecę Covey’em. Pewnie wiecie co to paradygmat. Jeśli nie to podam bliskie synonimy: wyobrażenie, szablon, stereotyp, światopogląd, punkt widzenia. Jest takie pojęcie przesunięcia paradygmatu ( paradigm shift ). Odnosi się ono do trwałej zmiany postrzegania. Zastanawiacie się po co Wam opowiadam te „pierdoły”. Podam przykład a potem już lecimy do końca. Pan Stephen Covey napisał kiedyś coś takiego co odtworzę z pamięci. Wyobraźcie sobie, że jedziecie pociągiem i obok was siedzi ojciec z dwójką małych dzieci. Gnojki zaczynają szaleć, coraz bardziej wrzeszczą, zaczynają się wreszcie tłuc. Ojciec jak kamień. Siedzi i nie reaguje. Wrzawa narasta. Wreszcie ktoś nie wytrzymał i zwraca się do ojca, żeby może trochę opanował swoje dzieci. Ojciec jakby wyrwany z letargu zaczyna przepraszać i mówi. „Właśnie wracamy ze szpitala. Dowiedzieliśmy się, że umarła ich matka a moja żona. One nie potrafią sobie z tym poradzić. Zresztą i ja mam problem. Przepraszam.” Kawałek jest stary ale jeśli go nie znaliście to co teraz czujecie? Jak postrzegacie ojca i te dzieci? To to jest właśnie przesunięcie paradygmatu. Już zawsze zmieni to wasz sposób postrzegania.

Wiem. Poleciałem ostro. Ale chciałbym abyście na chemię i fizykę, w tym reakcje redox patrzyli podobnie. Z nowej, trwałej perspektywy.

Podsumowanie

Może nie było tu za dużo o samej ceramice i chemii w ceramice ale jeśli zrozumieliście reakcje redox, jeśli zrozumieliście proces to jesteśmy w domu!!! Mało powiedzieć. Nie wiem czy myśleliście o tym w ten sposób ale powstanie życia na ziemi to reakcje redox. Połączenie wodoru z tlenem, które dało nam wodę to reakcje redox. Wytwarzanie tlenu przez rośliny to reakcje redox tlenu z chlorofilem. To, że oddychamy to reakcje redox tlenu z hemoglobiną. Nasze trawienie to jeden wielki redox. Myśleliście tak o tym kiedyś? Jeśli nie to właśnie dokonaliście przesunięcia paradygmatu.

Dla dociekliwych – nieceramiczny super prosto napisany artykuł opisujące reakcje redox

W następnym odcinku

…jeśli będzie, to pewnie wzory Segera i obliczanie składu szkliw ceramicznych i reakcje redox też 🙂