Тема 9. Химия металлов

Задание 1.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

1. Сu → Cu(NO₃)₂ → CuO → CuSO₄ → (Cu(NH₃)₄)SO₄ → CuSO₄ → CuCl₂ → Cu(NO₃)₂ → Cu

2. Zn → ZnS → Zn(NO₃)₂ → Zn(OH)₂ → ZnO → ZnSO₄ → [Zn(NH₃)₄]SO₄ → Zn(OH)₂ → ZnCl₂ → Zn

3. Ag → AgNO₃ → Ag₂CO₃ → Ag₂CrO₄ → Ag₂O → AgCl → [Ag(NH₃)₂]Cl → AgBr

4. Cr → CrCl₃ → Cr(OH)₃ → K[Cr(OH)₄] → K₂CrO₄ → K₂Cr₂O₇ → K₂CrО₄ → Cr₂(SO₄)₃ → Cr

5. Fe → FeCl₃ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ → Fe → FeSO₄ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Na[Fe(OH)₄]

6. CaCl_2(Т) → Ca → CaС₂ → Ca(OH)₂ → CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ → СаО → CaCl₂

7. NaCl_(Т) → Na → NaH → NaOH → Na₂CO₃ → NaHCO₃ → NaNO₃ → NaNO₂ → NaNO₃ → NaСl

8. Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ → Fe₂(SO₄)₃ → Fe(OH)₃ → FeCl₃ → K₃[Fe(CN)₆]

9. Al → Al₂S₃ → Al(OH)₃ → Al₂O₃ → AlCl₃ → Na[Al(OH)₄] → NaAlO₂ → Al₂(SO₄)₃ → Al(OH)₃

10. Cr₂O₃ → Cr → CrCl₂ → CrCl₃ → Cr(OH)₃ → K[Cr(OH)₄] → K₂CrO₄ → K₂Cr₂O₇ → Cr₂(SО₄)₃

Задание 2. Свойства металлов и их соединений

1. Составьте формулы и сравните характер оксидов и гидроксидов следующих химических элементов: а) Be, Mg, Ca; б) Na, Mg, Al; в) Fe. Сформулируйте закономерности периодической системы Д.И. Менделеева, которые можно подтвердить данными примерами.

2. Назовите оксиды германия, олова и свинца. Как изменяются кислотно-основные свойства гидроксидов в рядах Ge(OH)₂ – Pb(OH)₂ и Ge(OH)₄ – Pb(OH)₄? Как изменяются окислительно-восстановительные свойства соединений в рядах Ge(II) – Pb(II) и Ge(IV) – Pb(IV)?

3. Как изменяются кислотно-основные свойства оксидов в ряду CrO – CrO₃? Приведите реакции, показывающие амфотерность гидроксида хрома(III). Как взаимодействуют оксиды хрома (II, III, IV) с хлороводородной и серной кислотами? Объясните изменение кислотных свойств в ряду Н₂CrO₄ – H₂WO₄.

4. Охарактеризуйте кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов Al, Ga, In, и Tl. Сравните их отношение к растворам кислот и щелочей. Присуща ли амфотерность соединениям таллия? Как и почему меняется степень гидролиза в ряду Al(NO₃)₃ – Tl(NO₃)₃ в растворах с одинаковой концентрацией? Какая из солей гидролизуется сильнее: Tl(NO₃)₃ или TlNO₃.

5. Объясните взаимное расположение щелочных металлов в электрохимическом ряду напряжений и в периодической системе. Обоснуйте возможность получения щелочных металлов химическим путем. Чем отличается электролитический способ получения щелочных металлов от электролитического способа получения щелочей. Приведите примеры.

6. Исходя из положения элементов в периодической системе, определить: а) у какого из гидроксидов Sn(OH)₂ или Pb(OH)₂ более выражены основные свойства; б) какая из солей гидролизуется в большей степени: станнат натрия или плюмбат натрия; в) какой из оксидов является более сильным окислителем: SnO₂ или PbO₂?

7. Сравните кислотно-основные и окислительно-восстанови-тельные свойства элементов и их соединений подгруппы ванадия со свойствами элементов и их соединений: а) главной подгруппы V группы; б) подгруппы титана; в) подгруппы хрома.

8. Какие степени окисления характерны для железа, кобальта и никеля? Приведите примеры и названия типичных соединений. Как изменяется устойчивость к окислению в ряду Fe(II) – Co(II) – Ni(II)? Как изменяется окислительная способность в ряду Fe(III) – Co(III) – Ni(III)? Охарактеризуйте условия получения и характер гидроксидов Ме(ОН)₂ и Ме(ОН)₃ этого ряда.

9. Не используя справочные данные, укажите, атом какого элемента главной подгруппы второй группы наиболее легко переходит в состояние одновалентного катиона, ответ мотивируйте. Используя справочные данные, установите, какой из металлов этой группы является наиболее сильным восстановителем в реакциях: а) с кислородом, б) с водой. Проявляют ли эти металлы окислительные свойства?

10. Как изменяются кислотно-основные свойства соединений марганца при повышении степени окисления этого элемента? Приведите примеры его соединений с основной и кислотной функцией. Как меняются окислительно-восстановительные свойства соединений марганца в различных степенях окисления? Какие из перечисленных ниже веществ взаимодействуют с перманганатом калия в кислой среде: оксид свинца(IV), пероксид водорода, хлороводородная кислота, cульфат железа(II), cульфат железа(III)?

Задание 3. Электродные процессы в гальваническом элементе

Для заданного электрода (см. таблицу):

1. подберите электролит и запишите электродную реакцию;

2. запишите уравнение Нернста для расчета равновесного потенциала электрода и вычислите потенциал данного электрода при температуре 298 К в растворе электролита, если известна активность потенциалопределяющего иона;

3. составьте и запишите схему гальванического элемента из заданного электрода и стандартного водородного электрода;

4. вычислите напряжение гальванического элемента, напишите уравнения электродных процессов и суммарной (токообразующей) реакции.

Номер варианта	Электрод	Активность иона, моль/л	Номер варианта	Электрод	Активность иона, моль/л
1	Сu^+Cu	a(Cu^+) = 0,003	6	Sn^2+Sn	a(Sn^2+) =0,007
2	Cd^2+Cd	a(Cd^2+) = 0,01	7	Zn^2+Zn	a(Zn^2+) = 0,08
3	Ag^+Ag	a(Ag^+) = 0,003	8	Mn^2+Mn	a(Mn^2+)=0,006
4	Cr^3+Cr	a(Cr^3+) = 0,05	9	Al^3+Al	a(Al^3+) = 0,03
5	Fe^2+Fe	a(Fe^2+) = 0,007	10	Ni^2+Ni	a(Ni^2+) = 0,002

Задание 4.Даны электроды (см. вариант в таблице):

1. составьте схему гальванического элемента, подобрав соответствующие электролиты;

2. напишите уравнения процессов, протекающих на аноде и катоде; уравнение суммарной (токообразующей) реакции;

3. вычислите напряжение гальванического элемента при указанных активностях ионов в растворе;

4. рассчитайте энтальпию, энергию Гиббса токообразующего процесса в стандартных условиях и напряжение гальванического элемента (двумя способами).

Номер варианта	Электрод I		Электрод II
	полуэлемент	аионов (моль/л)	полуэлемент	аионов (моль/л)
1	Pb^2+Pb	0,01	Ag^+Ag	0,001
2	Ni^2+Ni	0,01	Сr^2+Cr	0,005
3	Сu^2+Cu	2,0	Ag^+Ag	0,1
4	Pb^2+Pb	0,01	Ni^2+Ni	0,2
5	Fe^2+Fe	0,004	Zn^2+Zn	0,001
6	H2,Pt  H^+	0,001	Co^2+Co	0,1
7	Сu^2+Cu	0,1	Сr^3+Cr	0,005
8	Fe^2+Fe	0,1	Sn^2+Sn	0,025
9	Al^3+Al	0,01	Cd^2+Cd	0,01
10	Ag^+Ag	0,025	Pb^2+Pb	0,1

Задание 5.Электролиз водных растворов

1. Напишите, какие процессы происходят на электродах и в электролите при электролизе раствора сульфата цинка с инертными электродами? Определите массу цинка, которая выделяется при электролизе в течение 10 ч при силе тока 50 А, если выход по току равен 50 %.

2. При электролизе раствора сульфата меди(II) на аноде выделилось 5,64 л кислорода (н. у.) Опишите процесс электролиза с инертными электродами, вычислите массу выделившейся на катоде меди, приняв выход по току 100 %.

3. Электролиз раствора сульфата калия проводили в электролизере с графитовыми электродами в течение 10 ч при силе тока 26,8 А. Напишите уравнения процессов на электродах и в растворе, вычислите объем выделившихся на электродах веществ (при н.у.), приняв их выход по току равным 100 %.

4. Электролиз водного раствора нитрата серебра проводили при токе силой 2 А в течение 4 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на инертных электродах. Укажите, как меняется состав электролита в приэлектродных пространствах. Какая масса металла выделилась на катоде и каков объем газа (н.у.), выделившегося на аноде?

5. Через раствор сульфата железа(II) пропускали ток силой 20 А в течение 5 ч. Напишите уравнения реакций на инертных электродах и укажите изменения в составе электролита в приэлектродных пространствах, определите массу полученного железа, если его выход по току равен 70 %.

6. Электролиз раствора сульфата цинка проводился в электролизере с нерастворимым анодом в течение 7 ч. Выделилось 5–6 л кислорода, измеренного при н.у. Опишите процесс электролиза, укажите изменения в составе электролита в приэлектродных пространствах. Вычислите силу тока и массу выделившегося на катоде цинка, если выход по току составил 70 %.

7. В течение какого времени необходимо пропускать ток силой 1 А при электролизе водного раствора сульфата хрома(III), чтобы масса катода возросла на 10 г? Какой объем (н.у.) кислорода выделился на аноде? Напишите уравнения процессов, происходящих на инертных электродах и в растворе.

8. Электролиз водного раствора иодида натрия проводили при токе силой 6 А в течение 2,5 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах, вычислите массу веществ, выделяющихся на электродах.

9. Какая масса серной кислоты, образуется в анодном пространстве при электролизе водного раствора сульфата натрия, если на аноде выделился кислород объемом 1,12 дм³ (н.у.)? Напишите уравнения процессов, происходящих на инертных электродах и в растворе. Вычислите массу вещества, выделившегося на катоде.

10. Электролиз водного раствора хлорида никеля(II), содержащего соль массой 129,7 г проводили с инертными электродами при токе силой 5 А в течение 5,36 ч. Опишите процесс электролиза, укажите изменения в составе электролита в приэлектродных пространствах. Определите, сколько хлорида никеля(II) осталось в растворе и какой объем хлора (н.у.) выделился на аноде?

Задание 6. Коррозия металлов

Даны пары элементов:

1. определите, возможна ли коррозия металла из данной пары в среде с заданным рН (см. таблицу вариантов) при контакте с воздухом;

2. напишите уравнения анодного и катодного процессов;

3. предложите для данной пары анодное и катодное покрытие. Запишите уравнения реакции и обозначьте коррозионный элемент.

Номер варианта	Пары металлов	рН	Номер варианта	Пары металлов	рН
1	Zn – Cd	7	6	Zn – Sn	8
2	Fe – Sn	5	7	Mg – Ni	10
3	Fe – Cd	4	8	Zn – Ni	5
4	Mn – Ni	2	9	Sn – Ag	4
5	Cr – Sn	7	10	Fe – Pb	3