Diagram Frosta

Diagram Frosta dla manganu w pH=0 (czerwona linia) i pH=14 (niebieska linia)

Diagram Frosta dla chloru w pH=0 (czerwona linia) i pH=14 (niebieska linia)

Diagram Frosta (lub diagram Frosta-Ebswortha) – wykres stosowany w elektrochemii, na podstawie którego można ocenić trwałość termodynamiczną danego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia. Jest to zmodyfikowana, dwuwymiarowa wersja diagramu Latimera.

Budowa diagramu

Diagram Forsta przedstawia zależność ilorazu entalpii swobodnej i stałej Faradaya w funkcji stopnia utlenienia pierwiastka. Podobnie jak w przypadku diagramów Latimera, ważnym czynnikiem jest pH, w jakim bada się dany pierwiastek. Do skonstruowania diagramu Frosta potrzebna jest znajomość potencjałów standardowych. Na przykład w przypadku manganu zachodzą następujące reakcja redoks (sumaryczne):

MnO−4 + ½H₂ ⇌ MnO2−4 + H⁺

MnO2−4 + H₂ + 2H⁺ ⇌ MnO₂ + H₂O

MnO₂ + ½H₂ + 3H⁺ ⇌ Mn³⁺ + 2H₂O

Mn³⁺ + ½H₂ ⇌ Mn²⁺ + H⁺

Mn²⁺ + H₂ ⇌ Mn + 2H⁺

Znając wartość potencjałów standardowych, można wyliczyć siłę elektromotoryczną z różnicy pomiędzy potencjałami układów manganowych, a potencjałem elektrody odniesienia. Z tak otrzymanych wyników można obliczyć zmianę entalpii swobodnej, korzystając ze wzoru:

$\Delta G^0 = -nFE$

gdzie:

• n – liczba elektronów
• F – stała Faradaya
• E – potencjał standardowy

Z tak otrzymanych danych można sporządzić skalę do diagramu Frosta, odkładając na osi Y wartości entalpii swobodnej wyrażonej w kJ/mol.

Jednak znacznie wygodniejszą i bardziej przydatną skalą jest skala zawierająca iloczyn potencjałów redoks i stopnia utlenienia. Korzystając z diagramu Latimera można obliczyć potencjał redoks, który jest potencjałem jonu, względem potencjału wolnego atomu. Wyznacza się go jako średnią ważoną. Następnie wartość otrzymanego potencjału mnoży się przez stopień utlenienia i stąd otrzymuje się wartość N×E, wyrażoną w woltach.

Interpretacja

Diagramy Frosta mogą służyć ocenie trwałości termodynamicznej form danego pierwiastka (w nawiasach podano przykłady z diagramu dla manganu w pH 0):

• Forma danego pierwiastka, która leży najniżej na wykresie jest najbardziej trwałą (Mn²⁺), natomiast forma położona najwyżej jest uznawana za najmniej trwałą i uchodzi za najlepszy utleniacz (MnO−4).
• Jeśli entalpia swobodna dla danego układu ma wartość ujemną, wówczas przemiana taka zachodzi samorzutnie (Mn→Mn²⁺ w pH=0).
• Jeśli dana forma leży powyżej linii łączącej dwie sąsiednie formy, należy spodziewać się reakcji dysproporcjonowania (MnO2−4). Natomiast w odwrotnej sytuacji, jeśli dana forma leży poniżej linii łączącej dwie sąsiadujące formy, może zachodzić reakcja komproporcjonowania (MnO₂).

Zobacz też

• wykres Pourbaix

Bibliografia

• Adam Bielański: Podstawy chemii nieorganicznej. Wyd. 5. T. 1. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005, s. 387–394. ISBN 83-01-13815-7.
• Przemysław Kita, Anna Katafias: Ćwiczenia laboratoryjne z chemii nieorganicznej i koordynacyjnej. Toruń: UMK, 2008, s. 31–33. ISBN 978-83-231-2190-9.
• Diagrams used in redox chemistry (ang.). Western Oregon University. [dostęp 2012-05-16].