новая метод. механ. Практикум по общей химии часть 1 Для студентов института механизации и технического сервиса и факультета лесного хозяйства и экологии
Скачать 0.63 Mb.
|
Окисление, восстановлениеВ окислительно-восстановительных реакциях электроны от одних атомов, молекул или ионов переходят к другим. Процесс отдачи электронов - окисление. При окислении степень окисления повышается: H20 − 2ē 2H+ S-2 − 2ē S0 Al0 − 3ē Al+3 Fe+2 − ē Fe+3 2Br - − 2ē Br20 Процесс присоединения электронов -− восстановление.При восстановлении степень окисления понижается. Mn+4 + 2ē Mn+2 S0 + 2ē S-2 Сr+6 +3ē Cr+3 Cl20 +2ē 2Cl- O20 + 4ē 2O-2 Атомы или ионы, которые в данной реакции присоединяют электроны, являются окислителями, а которые отдают электроны - восстановителями. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса Уравнение составляется в несколько стадий: 1. Записывают схему реакции. KMnO4 + HCl KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O 2. Проставляют степени окисления над знаками элементов, которые меняются. KMn+7O4 + HCl-1 KCl + Mn+2Cl2 + Cl20 + H2O 3. Выделяют элементы, изменяющие степени окисления и определяют число электронов, приобретенных окислителем и отдаваемых восстановителем. Mn+7 + 5ē Mn+2 2Cl-1 - 2ē Cl20 4. Уравнивают число приобретенных и отдаваемых электронов, устанавливая тем самым коэффициенты для соединений, в которых присутствуют элементы, изменяющие степень окисления.
–––––––––––––––––––––––– 2Mn+7 + 10Cl-1 2Mn+2 + 5Cl20 5. Подбирают коэффициенты для всех остальных участников реакции. 2KMn+7O4 + 16HCl-1 2KCl + 2Mn+2Cl2 + 5Cl20 + 8H2O Контрольные вопросы
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Гальванические элементы – это устройства для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов в электрическую. Гальванические элементы – это источники тока, в которых вещества, образовавшиеся в процессе разряда, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Поэтому ГЭ – это первичные элементы, или ХИТ одноразового действия. Гальванический элемент представляет собой замкнутую систему, состоящую из двух гальванических полуэлементов (гальванических пар). Принцип работы ГЭ рассмотрен на примере медно-цинкового гальванического элемента (элемента Якоби-Даниэля). На электроде из Zn, который погружён в раствор ZnSO4 , происходит окисление атомов Zn в ионы Zn2+ . Электрод, на котором происходит процесс окисления, называется анодом. Zn - 2e = Zn2+ На медном электроде, погружённом в раствор CuSO4, происходит восстановление ионов Cu2+ в атомы, которые осаждаются на электроде: Cu2+ + 2e = Cu Электрод, на котором осуществляется процесс восстановления, называется катодом. Одновременно часть ионов SO42- переходит в раствор через пористую перегородку Схема элемента Якоби-Даниэля Причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов. Стандартный потенциал восстановления - количественная мера способности вещества (молекулы или иона) вступать в окислительно-восстановительные реакции в водном растворе. Окислительно-восстановительная реакция возможна, если где - стандартный потенциал восстановления окислителя. - стандартный потенциал восстановления восстановителя. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, емкостью и энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь. ЭДС любого гальванического элемента можно вычислить по разности стандартных электронных потенциалов Ео. При этом следует иметь в виду, что ЭДС всегда положительная величина. Поэтому надо из потенциала электрода, имеющего большую алгебраическую величину, вычислить потенциал, алгебраическая величина которого меньше. Е= Еоси - Еоzn = (+ 0,34) - (-0,76) = 1,10 В Е= Еоок-ль - Еовос-ль Еоок-ль – потенциал электрода с большей алгебраической величиной. Еовос-ль – потенциал электрода с меньшей алгебраической величиной. Некоторые стандартные электродные потенциалы приведены в приложении 4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ Электрохимические аккумуляторы (ЭА) представляют собой вторичные (перезаряжаемые) химические источники тока, работающие на основе электрохимических систем, в которых материалы, образовавшиеся в процессе разряда, могут быть при заряде превращены в первоначальные активные материалы. В аккумуляторах под действием внешнего источника тока накапливается (аккумулируется) химическая энергия, которая затем переходит в электрическую энергию. Процессы накопления химической энергии получили название заряда аккумулятора, процессы превращения химической энергии в электрическую - разряда аккумулятора. Таким образом, ЭА - это ГЭ, которые можно полностью регенерировать, пропуская через них электрический ток и затрачивая энергию. При заряде аккумулятор работает как электролизер, при разряде - как гальванический элемент. Как и другие ХИТ ЭА обычно соединяют в батареи. Так как в ЭА происходит многократное превращение химической энергии в электрическую и наоборот, токообразующая реакция и процессы на электродах должны быть обратимыми. В табл. 4 даны характеристики важнейших аккумуляторов, которыми располагает современная техника. Таблица 9.4. Характеристики перспективных аккумуляторов
СВИНЦОВЫЙ АККУМУЛЯТОР Самое большое распространение пока получил свинцово-кислотный аккумулятор. Он служит источником тока для стартеров двигателей внутреннего сгорания, для аварийного освещения, радио- и телефонной аппаратуры, используется на подводных аппаратах и станциях и других целей. Pb-кислотный аккумулятор состоит из свинцового анода и катода в виде свинцовой решетки, набитой оксидом свинца (IV). Электролитом служит серная кислота. При работе ЭА на одном электроде (аноде) протекают реакции, при которых степень окисления свинца меняется от 0 до +2 (разряд) и от +2 до 0 (заряд), а на другом электроде (катоде) степень окисления свинца меняется от +4 до +2 (разряд) и наоборот (заряд).
Ток, получаемый от свинцового аккумулятора, может быть усилен, если сконструировать катод в виде ряда пластин, которые чередуются с несколькими анодными пластинами (рис.9.4). Каждый такой ЭА дает напряжение, приблизительно равное 2 В. Батареи, используемые в автомобилях, обычно состоят из шести таких аккумуляторов, соединенных последовательно и дающих напряжение около 12 В. Электролиз. В растворах и расплавах электролитов имеются разноименные по знаку ионы (катионы и анионы), которые подобно всем частицам жидкости находятся в хаотическом движении. Если в такой расплав электролита, например расплав NaCl () погрузить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться к электродам: катионы Na++=Na0 (катод) 2Cl- - 2e=Cl2 (анод) Эта реакция является ОВР на аноде протекает процесс окисления, на катоде- процесс восстановления. Электролиз – это окислительно - восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. Суть электролиза состоит в осуществлении за счет электрической энергии химических реакций – восстановления на катоде и окисления на аноде. При этом катод отдает электроны катионам, а анод принимает электроны от анионов. Процесс электролиза наглядно изображают схемой, которая показывает диссоциацию электролита, направления движения ионов, процессы их электродах и выделяющихся веществ. Схема электролиза NaCl: Катод Анод 2Cl-- 2e= Для проведения электролиза электроды погружают в раствор или расплав электролита и соединят их с источником тока. Прибор, на котором проводят электролиз называют электролизером или электролитической ванной. Электролиз водных растворов электролитов . При электролизе растворов электролитов в процессах могут участвовать молекулы воды. Для восстановления к катоду надо приложить потенциал равный В, а для восстановления молекул воды В. Поэтому на катоде будут восстанавливаться катионы воды: катод а на аноде будут окисляться хлорид ионы: Анод: 2 Ионы накапливаются около катода и совместно с ионами образуют гидроксид натрия . Катодные и анодные процессы
водорода (от до включительно), при электролизе плотность восстанавливаются на катоде.
электродного потенциала (от до включительно), не восстанавливаются на катоде, а вместо них восстанавливаются молекулы воды.
Если же водный раствор содержит катионы различных металлов, то при электролизе выделяющие их на катоде протекают в порядке уменьшения стандартного электродного потенциала соответствующего металла. сначала . Характер реакций протекающих на аноде зависит от присутствия молекул так и от вещества, из которого сделан анод. обычно аноды подразделяются на растворимые(Cu, Ag, Zn, Cd, Ni) и нерастворимые(уголь, графит, Pt, ). На растворимом аноде в процессе электролиза происходит окисление анионов (если кислоты безкислородные –) если же раствор содержит анионы кислородосодержащих кислот () то на аноде окисляются не эти ионы, а молекулы воды: e Растворимы анод при электролизе окисляется, т.е. посылает во внешнюю цепь. и анод растворяется. Как протекает электролиз с нерастворимым (угольными) электродами? Пример 2. с нерастворимым электродом. Катод Анод e если катодное и анодное пространство не разделены перегородкой, то: Пример 4. Электролиз раствора Электроды из меди Катод (Cu) Анод: e e 5) Электролиз c электродами Закон Фарадея Это количественный закон электролиза m- масса вещества. которые выделяются на электродах (г) n- число электронов, которыми обмениваются окислитель и восстановитель I - сила тока (А) М- молярная масса вещества, которая выделяется на электроде F- постоянная Фарадея 96485 t- время (сек) Причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов. Стандартный потенциал восстановления - количественная мера способности вещества (молекулы или иона) вступать в окислительно-восстановительные реакции в водном растворе. Окислительно-восстановительная реакция возможна, если где - стандартный потенциал восстановления окислителя. - стандартный потенциал восстановления восстановителя. Уравнение Нернста: где - электродный потенциал металла, В; - стандартный электродный потенциал металла, В; - универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль; - абсолютная температура, К; - число электронов, участвующих в реакции; - постоянная Фарадея (96 500 Кл/моль). ЭДС любого гальванического элемента можно вычислить по разности стандартных электронных потенциалов Ео. При этом следует иметь в виду, что ЭДС всегда положительная величина. Поэтому надо из потенциала электрода, имеющего большую алгебраическую величину, вычислить потенциал, алгебраическая величина которого меньше. Е= Еоси - Еоzn = (+ 0,34) - (-0,76) = 1,10 В Е= Еоок-ль - Еовос-ль Еоок-ль – потенциал электрода с большей алгебраической величиной. Еовос-ль – потенциал электрода с меньшей алгебраической величиной. Некоторые стандартные электродные потенциалы приведены в приложении 4. Количественная характеристика процессов электролиза определяется законом Фарадея: Масса электролита, подвергшегося превращению при электролизе, а также масса образующихся на электродах веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и эквивалентным массам соответствующих веществ. Закон Фарадея выражается следующим уравнением: Где - масса образовавшегося или подвергшегося превращению вещества; Э – его эквивалентная масса, г экв; I – сила тока, А; t – время, сек; F – число Фарадея (96 500 Кл/моль), т.е. количество электричества, необходимое для осуществления электрохимического превращения одного эквивалента вещества. Пример 1: Сколько граммов меди выделится на катоде при электролизе раствора CuSO4 в течение 1 ч при силе тока 4 А. Решение: Эквивалентная масса меди в CuSO4 равна = , подставляя в уравнение Фарадея значения Э = 32, I = 4 А, t = 6060 = 3600 с, получим = 4,77 г. Пример 2: Вычислите эквивалент металла, зная, что при электролизе раствора хлорида этого металла затрачено 3880 Кл электричества и на катоде выделяется 11, 74 г металла. Решение: Из уравнения Фарадея выводим Э = , где m= 11,742 г; F = 96 500 Кл/моль; It = Q = 3880 Кл. Э = = 29,35 Пример 3: Сколько граммов гидроксида калия образовалось у катода при электролизе раствора K2SO4, если на аноде выделилось 11,2 л кислорода (н.у.)? Решение: Эквивалентный объем кислорода (н.у.) 22,4/4 = 5,6 л. Следовательно, 11,2 л содержат 2 эквивалентные массы кислорода. Столько же эквивалентных масс КОН образовалось у катода. Или 56 2 = 112, 7 ( 56 г/моль – мольная и эквивалентная масса КОН). Контрольные вопросы
10.7. Напишите уравнения электродных реакций на катоде и аноде и вычислите ЭДС гальванических элементов при 25 которых указаны концентрации ионов металла в растворах:
Порядок работы в химической лаборатории Студенты допускаются к работе в лаборатории общего практикума только после инструктажа по технике безопасности и получения зачета по правилам работы в химической лаборатории и техники безопасности. Студенты обязаны расписаться в журнале в том, что они ознакомлены с правилами техники безопасности работ и обязуются их выполнять. Правила безопасности при работе студентов в химической лаборатории 1. Перед началом лабораторной работы необходимо внимательно ознакомиться с заданием, оборудованием, реактивами и правилами безопасности при выполнении данного задания. 2. Химические реакции проводят с таким количеством реагентов указанной концентрации и в тех приборах и посуде, которые указаны в руководстве. При этом необходимо решить вопрос о том (если это не указано в руководстве), где следует проводить опыт: на лабораторном столе или в вытяжном шкафу. 3. На лабораторном столе выполняются опыты, которые не представляют опасности для работающего. 4. В вытяжном шкафу выполняются все опыты с ядовитыми, неприятно пахнущими веществами, с концентрированными кислотами и щелочами. Эти вещества должны находиться в вытяжном шкафу и выносить их на лабораторные столы запрещается. 5. Разбавление концентрированных кислот производится в вытяжном шкафу в тонкостенной химической посуде, при этом кислота вливается в воду небольшими порциями и при перемешивании особую осторожность нужно соблюдать при разбавлении серной кислоты (сильный разогрев!). 6. При работе с электроприборами (электрические плитки, муфельные печи, сушильные шкафы и др.) нужно обращать внимание на их исправность, правильную изоляцию контактов, заземление. Нельзя использовать приборы с оголенными контактами, неисправными вилками и т.п. 7. В лаборатории категорически запрещается принимать пищу. 8. При проведении опытов нельзя отвлекаться от основной работы и оставлять приборы без наблюдения. 9. Запрещается исследовать запах газа, выделяющегося при реакции, непосредственно из реакционного сосуда. Нужно осторожно движением руки направить на себя воздух с примесью этого газа. Правила пользования реактивами, посудой 1. Если необходимо провести пробирочную реакцию с растворами веществ, то при помощи пипетки отбирается небольшое количество раствора и вводится в пробирку. При этом нельзя глубоко опускать пипетку в пробирку и касаться стенок пробирки кончиком пипетки. Если в руководстве не указаны количества веществ, необходимых для выполнения опыта, то брать их нужно в малом количестве (1/6 объема пробирки). Если раствора окажется в пробирке больше, чем нужно, то обратно в склянку этот раствор выливать нельзя. 2. При работе с сухими веществами необходимо брать их специальной ложечкой или шпателем. После использования шпатель тщательно обтереть фильтровальной бумагой и только тогда можно брать другую порцию реактива. Если в руководстве не указано количество сухого вещества, то брать его нужно в малом количестве (должно быть закрыто дно пробирки). Если сухого реактива оказалось в избытке, то обратно в склянку высыпать реактив нельзя! 3. При нагревании раствора, содержащегося в пробирке, необходимо соблюдать следующие правила: пробирка вносится в пламя при помощи специального держателя; отверстие пробирки должно быть направлено в сторону от себя и от других работающих рядом сотрудников; необходимо производить легкое перемешивание жидкости в пробирке. 4. При нагревании сухого вещества, содержащегося в пробирке, также соблюдается указанные правила. 5. Растворы, осадки, содержащие соединения серебра и других редких металлов, нельзя выливать в канализацию, а нужно сливать в специальные сосуды для сбора остатков этих солей. 6. Остатки крепких кислот выливают в специальные банки для слива.. 7. В лаборатории необходимо соблюдать тишину и дисциплину. 8. После окончания работы следует вымыть посуду и привести в порядок рабочее место. Оказание первой помощи в лаборатории при несчастных случаях При несоблюдении правил техники безопасности в лаборатории возможны следующие поражения: легкое отравление хлором, окисью углерода и др. легкие ожоги от нагревательных приборов, порезы стеклом, поражения концентрированных кислотами и щелочами. Во всех случаях поражения необходимо немедленно обратиться к преподавателю или лаборанту, у которых есть телефон и аптечка. 1. При порезах стеклом нужно удалить осколки из ранки, смазать ее йодом и перевязать. 2. При ожоге рук или лица серной кислотой необходимо быстро смыть кислоту большим количеством воды, а затем 10%-ым раствором соды. 3. Попавшую на лицо или руки щелочь нужно смыть большим количеством воды (пока кожа не перестанет быть скользкой). Затем промывают раствором уксусной кислоты. 4. При отравлении хлором, сероводородом и др. немедленно вывести пострадавшего на чистый воздух. 5. При ожогах глаз концентрированными кислотами нужно тщательно промыть глаза большим количеством воды, затем 2% раствором NaHCO(питьевая сода). Затем немедленно обратиться к врачу. 6. При ожогах глаз крепкими щелочами: NaOH, KOH, NHОH нужно после тщательного промывания глаз водой промыть их слабой кислотой (2% раствором борной или уксусной кислоты). Необходимо срочно обратиться к врачу. Все лабораторные работы проводятся под контролем преподавателя или лаборанта. Лабораторная работа № 1 Электролитическая диссоциация Направление обменных ионных процессов в растворах электролитов а) Образование малорастворимых веществ. В три пробирки внесите по 2—3 капли следующих растворов: в первую — трихлорида железа FeCl3, во вторую— силиката натрия Na2Si03, в третью —разбавленной серной кислоты H2S04. Добавьте в них по такому жеколичеству растворов: в первую пробирку — едкого натра, во вторую — соляной кислоты, в третью — хлорида бария. Напишите в молекулярном и ионном виде уравнения протекающих реакций, направленных в сторону образования малорастворимых веществ. б) Образование слабых кислот и оснований. В две пробирки внесите по 5—7 капель: в первую — раствора ацетата натрия NaCH3COO, во вторую — хлорида аммония. Добавьте в первую пробирку несколько капель серной кислоты (1: 1), перемешайте раствор стеклянной палочкой и слегка подогрейте. Определите по запаху, что реакция протекала в сторону образования слабой уксусной кислоты. Напишите молекулярное и ионное уравнения реакций. Во вторую пробирку добавьте 4 н. раствора щелочи и подогрейте раствор. Определите по запаху выделение аммиака. Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций. в) Реакции нейтрализации. Возьмите в две пробирки по 5—7 капель 2 н. раствора щелочи и добавьте по одной капле фенолфталеина. Под влиянием каких ионов фенолфталеин окрасился в красный цвет? В одну пробирку добавляйте по каплям 2 н. раствор соляной или серной кислоты, во вторую — 2 н. раствор уксусной кислоты до обесцвечивания раствора. Чем объясняется исчезновение гидроксид-ионов при добавлении кислоты? В каком случае обесцвечивание раствора наступило быстрее? Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций нейтрализации щелочи соляной и уксусной кислотами. г) Образование летучих продуктов реакции. Поместите в две пробирки по 5—7 капель раствора соды Na2C03. Проверьте наличие в растворе иона , для чего в одну пробирку добавьте несколько капель дихлорида кальция. Какое вещество выпало в осадок? Напишите ионное уравнение реакции. Добавьте во вторую пробирку несколько капель серной кислоты (1:1) и наблюдайте выделение газа. Подогрейте слегка пробирку, дождитесь конца выделения газа и добавьте несколько капель раствора дихлорида кальция. Почему не выпадает осадок СаС03? Напишите ионное уравнение реакции взаимодействия соды с серной кислотой. Лабораторная работа № 2 Скорость химических реакций 1.Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции В три пробирки налейте 0.1 н. раствор тиосульфата натрия: в первую – 4 мл, во вторую – 8 мл и третью – 12 мл. После этого в первую пробирку добавьте 8 мл, а во вторую – 4 мл дистиллированной воды. Затем в три другие пробирки налейте по 5 мл О.1 н. раствора серной кислоты. Слейте попарно приготовленные растворы, в результате чего произойдет реакция Na2S2O3 + H2SO4 → Na2SO4 + SO2 + H2O + S (1) С помощью секундомера отметьте, через какое время появляется сера в каждой пробирке. Результаты запишите в табл.1 Таблица 1
Какой вывод можно сделать из полученных данных? 2.Влияние температуры на скорость химической реакции Определите влияние температуры на скорость реакции взаимодействия Na2S2O3 c H2SO4 . Отметьте время появления серы в пробирках. Полученные данные запишите в таблицу. Таблица 2
Какие выводы можно сделать относительно влияния температуры на скорость реакции из полученных результатов? 3.Влияние величины поверхности раздела реагирующих веществ на скорость химической реакции |