Redoks wokół nas — korozja, ogniwa, spalanie i oddychanie

Reakcje utleniania i redukcji nie są tematem szkolnym, który kończy się na dzwonku. To jedna z najważniejszych rodzin reakcji w przyrodzie i w technice. Trzy wielkie obszary, w których redoks decyduje o wszystkim, to korozja, ogniwa i spalanie. Czwarty — oddychanie — dotyczy nas najbardziej osobiście.

Korozja — redoks, którego nie chcemy

Korozja to niszczenie metalu pod wpływem otoczenia. W przypadku żelaza mówimy o rdzewieniu.

Co się dzieje w rdzy

Rdzewienie wymaga jednocześnie tlenu i wody. Żelazo w suchym powietrzu nie rdzewieje, w wodzie pozbawionej tlenu też nie. Dopiero razem zaczyna się problem.

Utlenianie (anoda): Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

Redukcja (katoda): O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

Powstały wodorotlenek żelaza(II) utlenia się dalej tlenem z powietrza aż do uwodnionego tlenku żelaza(III) — i to właśnie jest rdza, w uproszczeniu Fe₂O₃ · nH₂O.

Sumarycznie:

4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

Żelazo przechodzi od 0 do +III, a tlen od 0 do −II. Reduktorem jest żelazo, utleniaczem tlen.

Dlaczego rdza jest groźniejsza od patyny

Na tym polega cała różnica. Glin jest aktywniejszy od żelaza, a mimo to garnek aluminiowy przetrwa dziesiątki lat, bo jego tlenek tworzy szczelną powłokę. Rdza jest porowata i nie chroni niczego.

Co przyspiesza korozję

• Sól — zimą sól drogowa, nad morzem aerozol z fal. Jony chlorkowe przewodzą prąd w warstewce wody i przyspieszają procesy elektrodowe.
• Kwaśne środowisko — kwaśne deszcze, spaliny.
• Kontakt dwóch różnych metali — powstaje wtedy mikroogniwo i ten aktywniejszy koroduje znacznie szybciej. Stalowa śruba w miedzianej blasze przerdzewieje w kilka sezonów.
• Zarysowanie powłoki ochronnej — lakieru, farby, emalii.

Jak się przed korozją bronić

Ochrona protektorowa to najpiękniejsze zastosowanie szeregu aktywności w technice. Do stalowego kadłuba przyspawuje się bloki cynku albo magnezu. Ponieważ stoją one w szeregu wyżej niż żelazo, to one oddają elektrony i rozpuszczają się — a stal pozostaje nietknięta. Blok wymienia się co kilka lat; nazywa się go anodą protektorową albo, bardzo trafnie, anodą ofiarną. W każdym bojlerze z podgrzewaczem wody taki pręt magnezowy siedzi i czeka na wymianę.

Ogniwa — redoks, którego chcemy

Ten sam proces, który niszczy kadłub statku, zamknięty w obudowie zasila telefon. Różnica polega wyłącznie na kontroli.

Bateria a akumulator

W akumulatorze ołowiowym podczas pracy zachodzi:

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O

Podczas ładowania ta sama reakcja biegnie w drugą stronę — prąd z alternatora odtwarza ołów i tlenek ołowiu. Dlatego rozładowany akumulator ma mniejszą gęstość elektrolitu: kwas zamienił się w wodę.

Dlaczego baterii nie wyrzuca się do śmieci

Baterie zawierają metale ciężkie — ołów, rtęć, kadm, nikiel — które z wysypiska trafiają do wód gruntowych i stamtąd do łańcucha pokarmowego. Jedna bateria guzikowa potrafi skazić kilkaset litrów wody. Punkty zbiórki są w każdym markecie i w każdej szkole.

Spalanie — redoks, który daje energię

Spalanie to gwałtowna reakcja utleniania, w której wydziela się ciepło i zwykle światło. Utleniaczem jest prawie zawsze tlen, reduktorem — paliwo.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (gaz ziemny w kuchence)

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O (propan w butli)

C + O₂ → CO₂ (węgiel w piecu)

W metanie węgiel ma stopień −IV, a w dwutlenku węgla +IV. Przeskok o osiem stopni utlenienia — i stąd właśnie ta energia.

Spalanie całkowite i niecałkowite

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O (spalanie niecałkowite — powstaje czad)

Czad (CO) jest bezbarwny i bezwonny, a wiąże się z hemoglobiną około 200 razy silniej niż tlen — zajmuje miejsce tlenu we krwi i nie chce go oddać. Dlatego piec, piecyk gazowy i kominek wymagają sprawnej wentylacji, a czujnik czadu kosztuje tyle, co dwie pizze. Żółty, kopcący płomień w kuchence to sygnał, że tlenu jest za mało — palnik wymaga czyszczenia.

Spalanie a utlenianie powolne

To ta sama chemia w dwóch tempach:

• Spalanie — szybkie, z płomieniem, dużo ciepła naraz.
• Utlenianie powolne — rdzewienie, gnicie liści, jełczenie masła, a także oddychanie komórkowe. Ciepła wydziela się tyle samo, tylko rozłożone w czasie.

Oddychanie — spalanie w temperaturze ciała

W komórkach zachodzi reakcja, która jest chemicznie tym samym, co spalanie cukru w płomieniu:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energia

Glukoza jest reduktorem, tlen utleniaczem. Różnica polega na tym, że w organizmie ta reakcja biegnie w kilkudziesięciu małych krokach, z udziałem enzymów, w temperaturze 36,6 °C — a energia jest magazynowana, a nie tracona jako płomień.

Fotosynteza jest dokładnie odwrotna: roślina redukuje dwutlenek węgla do cukru, używając energii światła.

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Te dwie reakcje napędzają całe życie na Ziemi i są swoim lustrzanym odbiciem.

Przeciwutleniacze — reduktory na etykietach

Na opakowaniach żywności i kosmetyków często widnieje słowo przeciwutleniacz albo antyoksydant. To nic innego niż reduktor: substancja, która sama chętnie oddaje elektrony i dzięki temu chroni przed utlenieniem to, co jest obok.

• Witamina C (kwas askorbinowy, E300) — chroni soki i wędliny przed brązowieniem; dlatego skropione cytryną jabłko nie ciemnieje.
• Witamina E (tokoferol, E306) — chroni tłuszcze przed jełczeniem; jest w każdym kremie.
• Dwutlenek siarki (E220) — konserwuje wino i suszone owoce.

Zasada jest zawsze ta sama: utleni się przeciwutleniacz, a nie produkt.

Do zapamiętania

• Korozja to niepożądany redoks: Fe → Fe²⁺ → Fe³⁺, wymaga tlenu i wody naraz.
• Rdza nie chroni metalu, bo jest porowata; tlenek glinu i patyna miedzi chronią.
• Ochrona protektorowa wykorzystuje szereg aktywności — aktywniejszy metal koroduje zamiast chronionego.
• Bateria jest nieodwracalna, akumulator odwracalny.
• Spalanie całkowite daje CO₂, niecałkowite — CO (czad) lub sadzę.
• Oddychanie to powolne utlenianie glukozy, fotosynteza — jego odwrotność.
• Przeciwutleniacz to reduktor, który poświęca się zamiast chronionej substancji.