attachments_21-10-2012_19-29-50 / Лабораторный практикум по химии. Часть 2

Опыт 4. Образование микрогальванопар.

Поместите кусочек гранулированного цинка в пробирку и прилейте несколько миллилитров разбавленной серной кислоты. Обратите внимание на медленное выделение водорода. Добавьте в пробирку несколько капель раствора сульфата меди. Что наблюдается? Объясните результат опыта. Напишите уравнения реакций и электродные уравнения.

Опыт 5. Активирующее действие ионов.

Поместите в две пробирки по кусочку алюминиевой проволоки и прилейте к ним несколько миллилитров раствора сульфата меди, слегка подкисленного раствором серной кислоты. В одну из пробирок добавьте несколько капель раствора хлорида натрия. В каком случае реакция протекает быстрее? Объясните результат опыта и составьте схему действия образующихся микрогальванопар.

Опыт 6. Коррозия в результате неравномерного доступа кислорода. Стальную пластинку тщательно очистите наждачной бумагой, промойте

водопроводной водой и высушите фильтровальной бумагой. На поверхность пластины в одно и то же место нанесите капли растворов хлорида натрия, гексоцианоферрата (III) калия и фенолфталеина. Наблюдайте появление синего окрашивания в центре капли и розового по краям. Чем вызвано появление разной окраски? Составьте схему действия гальванопары разностной аэрации, напишите уравнения анодного и катодного процессов, суммарное уравнение коррозии и качественной реакции на ионы железа (II).

Опыт 7. Пассивирование.

Одним из распространенных пассиваторов является дихромат калия K2Cr2O7. Он способствует образованию защитных оксидных пленок на поверхности металла, в результате чего в основном замедляется анодная реакция, поэтому дихромат калия относится к анодным ингибиторам.

Кусочек железной проволоки погрузите наполовину в раствор дихромата калия на 5 минут. Нижний конец проволоки покрывается оксидной пленкой. Смойте дихромат калия водопроводной водой, и опустите проволоку в раствор

20

сульфата меди. Конец проволоки не покрытый оксидной пленкой покрывается выделяющейся медью.

7.3.Контрольные вопросы

1.От каких факторов зависит величина электродного потенциала? Уравнение Нернста.

2.Как устроен гальванический элемент? Схема его работы. Примеры.

3.Характеристика ряда напряжений металлов и расчет теоретической ЭДС.

4.Коррозия и ее виды.

5.Катодные и анодные покрытия. Протекторная защита металла от коррозии. Ингибиторы.

7.4.Контрольное задание

1.При какой концентрации ионов Cu2+ (моль/л) значение потенциала медного электрода становиться равным стандартному потенциалу водородного электрода? Ответ: 1,89 10-22 моль/л.

2.Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытий? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процесса.

3.Гальванический элемент: (–) 2Cr / 2Cr3+ | H2SO4 | (Pb) 3H2 / 6H+ (+)

4.образовавшийся при коррозии хрома, спаянного со свинцом, даёт ток силой 6 А. Сколько граммов хрома окислится и сколько литров водорода выделится за 55 сек. работы этого элемента? Ответ: 0,06г; 0,04л.

21

Лабораторная работа 8

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Цель работы: изучить механизм электролиза, последовательность разрядки ионов на электродах и количественные характеристики электролиза.

8.1.Теоретическая часть

8.1.1.Общие положения

Электролиз – это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании электролитического тока через раствор или расплав электролита.

Сущность электролиза состоит в осуществлении за счет электрической энергии химических реакций восстановления на катоде и окисления на аноде.

Как и в случае гальванического элемента, электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом, а электрод, на котором происходит окисление – анодом. Однако при электролизе катод заряжен отрицательно, катод – положительно. Таким образом, при электролизе катионы (положительные ионы) движутся к катоду (-), а анионы – к аноду (+).

8.1.2. Электролиз расплавов

При прохождении электрического тока через расплав электролита катионы металла под действием приложенного электрического поля движутся к катоду (-), ии восстанавливаются электронами внешней цепи:

	n+	+ n e-	0
Me				Me .	(8.1)

Анионы перемещаются в электрическом поле в противоположном направлении. Отдавая положительному электроду электроны, они окисляются до оксидов или галогенов.

Например, при электролизе расплава хлорида магния протекают следующие процессы:

K(-): Mg2+ + 2 e-				Mg0
A(+): 2 Cl- - 2 e-				Cl20 .	(8.2)
	22

Складывая уравнения процессов, протекающих на электродах, получим суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, происходящей при электролизе расплава MgCl2:

Mg2+ + 2 Cl-		Mg0 + Cl02 .	(8.3)

Поскольку при электролизе расплавов на катоде могут восстанавливаться любые металлы (в том числе и щелочные), так как этому процессу не мешает присутствие воды, электролиз расплавов широко используется в промышленности для получения чистых щелочных металлов.

8.1.3. Электролиз растворов

При рассмотрении электролиза растворов следует учитывать то, что в водных растворах кроме ионов электролита всегда присутствуют ионы воды – протоны и гидроксил-ионы. В электрическом поле протоны Н+ перемещаются к катоду, а гидроксил-ионы ОН- – к аноду. Таким образом, у катода могут разряжаться как катионы электролита, так и катионы водорода, а у анода может происходить разряд, как анионов электролита, так и гидроксил-анионв. Кроме того, молекулы воды могут также подвергаться электрохимическому окислению и восстановлению.

8.1.3.1. Восстановление на катоде

Рассматривая катодные процессы, надо учитывать потенциал восстановления ионов Н+, который зависит от концентрации ионов Н+. В нейтральных растворах (рН = 7) ϕ = -0,059 7 = -0,41 В. Если в электролите содержится металл, потенциал которого значительно больше чем –0,41 В, то из нейтрального раствора у катода будет выделяться металл (Sn – Au). Из растворов электролитов, металл которых имеет значение потенциала значительно меньше, чем –0,41 В (Li – Mn), на катоде будет выделяться водород. Если потенциал металла близок к -0,41 В (Zn, Cr, Fe, Co, Ni), то в зависимости от концентрации раствора, температуры, плотности тока возможно как восстановление металла, так и выделение водорода, или совместное выделение металла и водорода.

23

Процесс образования водорода на катоде протекает по разному, в зависимости от рН, и выражается различными уравнениями. В кислой среде преобладает электрохимическое восстановление ионов водорода:

2 H++ 2 e-		H 0 .	(8.4)
	2

В нейтральной и щелочной среде преимущественно происходит восстановление молекул воды:

2 H O + 2 e-		H + 2 OH- .	(8.5)
2	2

8.1.3.2. Процесс окисления на аноде

При рассмотрении анодных процессов следует различать электролиз с инертным анодом, вещество которого не претерпевает окисления в ходе электролиза (уголь, графит, платина, иридий), и электролиз с активным анодом, вещество которого может окисляться.

Окисление на инертном аноде зависит от природы аниона электролита. При электролизе водных растворов бескислородных кислот и их солей (кроме HF и фторидов) у анода окисляются анионы. Например, при электролизе водных растворов HJ, HBr, HCl и их солей у анода выделяется соответствующий галоген:

2 J-- 2 e-		J0	(8.6)
	2

Кислородсодержащие анионы и фторид-ион не способны окисляться или их окисление протекает при очень высоких потенциалах. Например, стандартный потенциал окисления SO42- значительно превышает потенциал окисления воды:

	2-	- 2 e-						2-		0
2 SO	4					S	O	8		ϕ = 2,010 В
				2							(8.7)
2 H O - 4 e-						4 H ++ O				ϕ 0= 1,228 В
									2
2

При электролизе водных растворов щелочей, кислородсодержащих кислот и их солей, HF и фторидов происходит электрохимическое окисление воды с выделением кислорода. В зависимости от рН раствора этот процесс протекает по-разному.

В щелочной среде преобладает процесс разряда гидроксил-ионов:

24

4 OH- - 4 e-		2 H O + O	2	(8.8)
	2

В нейтральной и кислой среде протекает процесс электрохимического окисления воды:

2 H O - 4 e-		4 H++ O	2	(8.9)
2

В случае активного анода (Fe, Ni, Zn, Cu, и др.) число конкурирующих процессов окисления на аноде увеличивается до трех: 1 – электрохимическое окисление воды с выделением кислорода; 2 – разряд анионов; 3 – электрохимическое окисление материала анода (анодное растворение металла). Из этих процессов будет протекать тот, который требует наименьшей затраты энергии. Если электродный потенциал материала аноде меньше чем потенциалы двух других систем, то будет происходить анодное растворение металла. В противном случае будет выделяться кислород или происходить разряд аниона.

7.1.4. Законы Фарадея

Протекание электрохимических процессов при электролизе подчиняется определенным количественным закономерностям, открытые Фарадеем (законы Фарадея):

1.При электролизе электролита, количества веществ выделившихся на электродах, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через систему.

2.При электролизе различных электролитов одинаковое количество электричества приводит к выделению на электродах количеств веществ прямо пропорциональных их химическим эквивалентам.

Массу металла, выделившуюся при электролизе на катоде согласно законам Фарадея можно вычислить по формуле:

m =	Мэ	I τ=	Мэ	q	(8.10)
			96500
	F

где: Мэ – масса 1 г-экв металла;

F – постоянная Фарадея (96500 Кл/экв); I – сила тока, А;

25

τ – продолжительность электролиза, с;

q – число кулонов, соответствующее силе тока I и времени τ.

7.2. Экспериментальная часть

Описанные ниже опыты проводятся в электролизере, в качестве которого служит U-образная трубка, закрепленная в штативе. В нее ставятся пробки с угольными электродами (рис 8.1).

Постоянный ток снимается с выпрямителя, включенного в сеть переменного тока. Электролизер во всех случаях необходимо заполнять, оставляя свободным около 3 см. Электроды перед каждым опытом нужно тщательно промывать дистиллированной водой, а после выделения металла на нем очищать его с помощью наждачной бумаги.

Опыт 1. Электролиз раствора хлорида олова.

Заполните электролизер 5%-ным раствором хлорида олова (II). Опустите в оба колена электролизера угольные электроды и соедините их с источником тока. Наблюдайте на катоде осаждение блестящих серых кристалликов металлического олова. Окисление или восстановление происходит на катоде? Напишите уравнение катодного процесса.

Через 4-5 минут выключите ток и внесите в анодное пространство 2-3 капли раствора йодида калия. Что наблюдается? Какое вещество выделилось на

_

аноде? Напишите

уравнение

анодного

процесса. Электроды зачистите и промойте

+

дистиллированной водой.

Опыт 2. Электролиз раствора йодида

калия.

Заполните электролизер 5%-ным

раствором йодида калия. Добавьте в оба

колена по несколько капель раствора

фенолфталеина и раствора крахмала.

Опустите в электролит угольные электроды

и включите ток.

Отметьте и

объясните

Рис. 8.1. Электролизер

26

изменение окраски растворов вблизи электродов. Напишите уравнение катодного и анодного процессов и суммарное уравнение реакции.

Опыт 3. Электролиз раствора сульфата натрия.

Заполните электролизер 5%-ным раствором сульфата натрия. В оба колена трубки добавьте по несколько капель раствора нейтрального лакмуса. Опустите в раствор электроды, включите ток. Наблюдайте явления, происходящие на электродах. Напишите уравнения соответствующих процессов.

Опыт 4. Электролиз раствора сульфата меди с графитовым электродом. Налейте в электролизер 5-ный раствор сульфата меди, опустите в него угольные электроды, включите ток. Через несколько минут ток выключите. Отметьте появление красного налета меди на катоде. Напишите уравнения

катодного и анодного процессов и суммарное уравнение реакции.

Опыт 5. Электролиз раствора сульфата меди с медным анодом.

В электролизере с 5%-ным раствором сульфата меди (опыт 4) поменяйте полярность электродов так, чтобы анодом стал электрод, покрытый медью. Снова пропустите электрический ток. Что происходит с медью на аноде? Какое вещество выделяется на катоде? Напишите уравнения катодного и анодного процессов и суммарное уравнение реакции.

8.3.Контрольные вопросы

1.Что называется электролизом?

2.Какой процесс протекает на аноде при электролизе? Приведите примеры.

3.Какой процесс протекает на катоде при электролизе? Приведите примеры.

4.Последовательность разрядки катионов и анионов (примеры).

5.В чем разница между электролизом с растворимым и нерастворимым электродом? Приведите пример.

6.В чем разница между электролизом расплава и электролизом растовра? Приведите пример.

7.Количественные законы электролиза Фарадея.

27

8.4.Контрольные задания

1.Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора сульфата натрия. Вычислите массу вещества, выделяющегося на катоде, если на аноде выделяется 1,12 л газа (объем измерен при нормальных условиях). Какая масса H2SO4 образуется при этом возле анода? Ответ: 0,2 г; 9,8 г.

2.При прохождении электрического тока силой 1,5А в течении 30мин через раствор трехвалентного металла на катоде выделилось 1,071г металла. Какой металл выделился, укажите атомную массу металла? Ответ: 114,8.

3.Какой металл первым будет разряжаться на катоде, если пропускать постоянный электрический ток с использованием угольных электродов через водный раствор, содержащий: AgNO3 ; Cu(NO3)2 ; Zn(NO3)2?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С. Ахметов М.: Высшая школа, 1981. 670 с.

2.Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Н.Л. Глинка. Л.:

Химия, 1987. 704 с.

3.Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии / Н.Л. Глинка. Л.:

Химия, 1983. 264 с.

4.Зырянова И.М., Круглова Л.Н. Строение атома и периодическая система элементов / И.М. Зырянова, Л.Н. Круглова. Омск: ОмГУПС, Ч. 1. 2000. 47 с.

5.Зырянова И.М., Круглова Л.Н. Строение атома и периодическая система элементов / И.М. Зырянова, Л.Н. Круглова. Омск: ОмГУПС, Ч. 2. 2000. 41 с.

6.Коровин Н.В. Курс общей химии / Н.В. Коровин. М.: Высшая школа, 1981. 431 с.

7.Круглова Н.Л. Неорганическая химия / Л.Н. Круглова. Омск: ОмГУПС, Ч 1. 1999. 38 с.

8.Круглова Н.Л. Неорганическая химия / Л.Н. Круглова. Омск: ОмГУПС, Ч 2. 1999. 44 с.

28

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Приложение 1

Период

Ряд

Группы

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

1

I

H

1

(H)

2

He

1,00794

1s1

1s2

4,00260

ВОДОРОД

ГЕЛИЙ

2

II

Li

3

Be

4

5

B

6

C

7

N

8

O

9

F

10

Ne

6,94

2s1

9,01218 2s2

2p1

10,81

2р2

12,011

2р3

14,0067

2р4

15,999

2р5

18,9984

2р

20,17

ЛИТИЙ

БЕРИЛЛИЙ

БОР

УГЛЕРОД

АЗОТ

КИСЛОРОД

ФТОР

НЕОН

3

III

Na

11

Mg

12

13

Al

14

Si

15

P

16

S

17

Cl

18

Ar

22,9898

3s1

24,305

3s2

3p1

26,9815

3р2

28,085

3р3

0,97376

3р4

32,06

3р5

35,453

3р6

39,94

НАТРИЙ

МАГНИЙ

АЛЮМИНИЙ

КРЕМНИЙ

ФОСФОР

СЕРА

ХЛОР

АРГОН

IV

K

19

Ca

20

Sc

21

Ti

22

V

23

Cr

24

Mn

25

Fe

26

Co

27

Ni

28

4

39,098

4s1

40,08

4s2

44,956

3d14s2

47,9

3d24s2

50,9415

3d34s2

51,996

3d54s1

54,9380

3d54s2

55,84

3d64s2

58,933

3d74s2

58,70

3d84s2

КАЛИЙ

КАЛЬЦИЙ

СКАНДИЙ

ТИТАН

ВАНАДИЙ

ХРОМ

МАРГАНЕЦ

ЖЕЛЕЗО

КОБАЛЬТ

НИКЕЛЬ

V

29

Cu

30

Zn

31

Ga

32

Ge

33

As

34

Se

35

Br

36

Kr

3d104s1 63,54

4s2

65,38

4р1

69,72

4р2

72,5

4р3

74,921

4р4

78,9

4р5

79,904

4р6

83,80

29

МЕДЬ

ЦИНК

ГАЛЛИЙ

ГЕРМАНИЙ

МЫШЬЯК

СЕЛЕН

БРОМ

КРИПТОН

VI

Rb

37

Sr

38

Y

39

Zr

40

Nb

41

Mo

42

Tc

43

Ru

44

Rh

45

Pd

46

5

85,467

5s1

87,62

5s2

88,91

4d15s2

91,22

4d25s2

92,9064

4d45s1

95,94

4d55s1

98,9062

4d55s2

101,07

4d75s1

102,9055

4d85s1

106,4

4d105s0

РУБИДИЙ

СТРОНЦИЙ

ИТТРИЙ

ЦИРКОНИЙ

НИОБИЙ

МОЛИБДЕН

ТЕХНЕЦИЙ

РУТЕНИЙ

РОДИЙ

ПАЛЛАДИЙ

VII

47

Ag

48

Cd

49

In

50

Sn

51

Sb

52

Te

53

I

54

Xe

5s1

107,8682

5s2

112,41

5р1

112,41

5р2

118,6

5р3

121,7

5р4

127,6

5р5

126,9045

5р6

131,30

СЕРЕБРО

КАДМИЙ

ИНДИЙ

ОЛОВО

СУРЬМА

ТЕЛЛУР

ИОД

КСЕНОН

VIII

Cs

55

Ba

56

57La-71Lu

Hf

72

Ta

73

W

74

Re

75

Os

76

Ir

77

Pt

78

6

132,9054

6s1

137,33

6s2

*

178,4

5d26s2

180,947

5d36s2

183,8

5d46s2

186,207

5d56s2

190,2

5d66s2

192,2

5d76s2

106,4 5d96s1

ЦЕЗИЙ

БАРИЙ

ГАФНИЙ

ТАНТАЛ

ВОЛЬФРАМ

РЕНИЙ

ОСМИЙ

ИРИДИЙ

ПЛАТИНА

IX

79

Au

80

Hg

81

Tl

82

Pb

83

Bi

84

Po

85

At

86

Rn

6s1

196,966

6s2

200,5

6р1

204,3

6p2

207,2

6р3

208,9804

6p4

[209]

6p5

[210]

6p6

[222]

ЗОЛОТО

РТУТЬ

ТАЛЛИЙ

СВИНЕЦ

ВИСМУТ

ПОЛОНИЙ

АСТАТ

РАДОН

7

X

Fr

87

Ra

88

89Ac-103Lr

Rf

104

Db

105

Sg

106

Bh

107

Hs

108

Mt

109

[223]

7s1

226,0254 7s2

**

[261] 6d27s2

[262]

6d37s2

265,266

[264]

[267]

[268]

ФРАНЦИЙ

РАДИЙ

РЕЗЕРФОРДИЙ

ДУБНИЙ

СИБОРГИЙ

БОРИЙ

ХАССИЙ

МЕЙТНЕРИЙ

* ЛАНТАНОИДЫ

La

57

Ce

58

Pr

59

Nd 60

Pm

61

Sm

62

Eu

63

Gd

64

Tb

65

Dy

66

Ho

67

Er

68

Tm 69

Yb

70

Lu

71

138,905

140,12

140,9077

144,2

[145]

150,4

151,96

157,2

158,9254

162,5

164,9304

167,2

168,9342

173,0

174,967

5d16s2

4f26s2

4f36s2

4f46s2

4f56s2

4f66s2

4f76s2

4f75d16s2

4f96s2

4f106s2

4f116s2

4f126s2

4f136s2

4f146s2

5d16s2

ЛАНТАН

ЦЕРИЙ

ПРАЗЕОДИМ

НЕОДИМ

ПРОМЕТИЙ

САМАРИЙ

ЕВРОПИЙ

ГАДОЛИНИЙ

ТЕРБИЙ

ДИСПРОЗИЙ

ГОЛЬМИЙ

ЭРБИЙ

ТУЛИЙ

ИТТЕРБИЙ

ЛЮТЕЦИЙ

**

АКТИНОИДЫ

Ac

89

Th

90

Pa

91

U

92

Np

93

Pu

94

Am 95

Cm 96

Bk

97

Cf

98

Es 99

Fm 100

Md 101

No 102

Lr

103

[227]

232,0381

231,0359

238,02

237,0482

[244]

[243]

[247]

[247]

[251]

[251]

[257]

[258]

[255]

[256]

6d17s2

6d27s2

5f26d17s2

5f36d17s2

5f46d17s2

5f47s2

5f77s2

5f76d17s2

5f86d17s2

5f107s2

5f117s2

5f127s2

5f137s2

5f147s2

6d17s2

АКТИНИЙ

ТОРИЙ

ПРОТАКТИНИЙ

УРАН

НЕПТУНИЙ

ПЛУТОНИЙ

АМЕРИЦИЙ

КЮРИЙ

БЕРКЛИЙ

КАЛИФОРНИЙ

ЭЙНШТЕЙНИЙ

ФЕРМИЙ

МЕНДЕЛЕВИЙ

НОБЕЛИЙ

ЛОУРЕНСИЙ