Рабочая тетрадь по химии (стр. 8 )

Рис. 5.6. Схема установки для проведения электролиза

Пример 5.6. Рассмотрим электролиз раствора хлорида железа (II) с угольными электродами (рис. 5.7). Это пример электролиза с инертным (нерастворимым) анодом.

Рис.5.7. Схема электролиза раствора хлорида железа (II)

В растворе соль диссоциирует на ионы: FeCl2 → Fe 2+ + 2 Cl ¯.

На катоде происходит разряд ионов Fe 2+ и выделение металлического железа

Fe 2+ + 2 ē → Fe 0.

У анода разряжаются хлорид-ионы: 2 Cl ¯ ─ 2 ē → Cl 2.

В зависимости от условий электролиза в качестве побочного продукта на катоде может выделяться водород.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАНИЯ

Электролиз раствора хлорида олова (II) с угольными электродами

В электролизёр (рис. 5.6) с раствором SnCl2 помещаются два угольных электрода, включается прибор и пропускается постоянный электрический ток, под действием которого происходят процессы восстановления на катоде, подключённому к отрицательному полюсу и окисления на аноде, подключённому к положительному полюсу. По окончании электролиза на катоде видны большие кристаллы выделившегося металлического олова.

В растворе дихлорид олова диссоциирует на ионы олова и хлорид-ионы. Положительно заряженные ионы олова перемещаются к отрицательно заряженному катоду и на нём разряжаются, т. е. восстанавливаются до металлического олова. Следовательно, на катоде выделяется металл. Олово относится к не очень активным металлам, а поэтому может быть получено в свободном состоянии при электролизе водного раствора своей соли. При определённом режиме электролиза одновременно с оловом может выделяться водород вследствие разряда молекул воды.

К положительно заряженному аноду перемещаются хлорид-ионы, происходит их окисление до молекулярного хлора. Угольный анод относится к инертным анодам и не окисляется (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема электролиза SnCl2 с инертным анодом

При электролизе водного раствора хлорида олова (II) с инертным анодом:

· на катоде выделяется металлическое олово,

· на аноде выделяется газообразный хлор

Электролиз раствора йодида калия с угольными электродами

В раствор йодида калия, налитый в электролизёр, добавляется по несколько капель фенолфталеина и крахмала. В электролит помещаются угольные электроды, которые подключаются к источнику постоянного тока и проводится электролиз.

На катоде наблюдается выделение газа и через некоторое время в прикатодном пространстве появляется розовое окрашивание фенолфталеина, что свидетельствует о щелочной реакции среды. В то же время синяя окраска крахмала в прианодном пространстве указывает на выделение свободного йода.

К катоду перемещаются катионы калия, имеющие потенциал разряда значительно более отрицательный, чем потенциал разряда воды, поэтому на катоде происходит разряд воды. Наряду с выделением водорода происходит накопление в прикатодном пространстве гидроксильных ионов, окрашивающих фенолфталеин в розовый цвет.

На инертном (угольном) аноде разряжаются йодид-анионы, выделяется свободный йод, которому соответствует качественная реакция с крахмалом, сопровождающаяся синим окрашиванием (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема электролиза KJ с инертным анодом

Электролиз водного раствора йодида калия с инертным анодом сопровождается:

· на катоде выделением водорода и подщелачиванием раствора;

· на аноде выделением йода.

Электролиз раствора сульфата меди с медным анодом

В раствор сульфата меди помещаются медный анод, угольный катод и проводится электролиз. Через несколько минут ток отключается и при осмотре угольного катода отмечается выделение на нём меди.

Составьте схему процесса электролиза сульфата меди с медным анодом: покажите направление движения ионов к электродам, составьте уравнения катодного и анодного процесса.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Какие изменения будут происходить с электродами в результате электролиза?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Во второй части опыта проводится переполюсовка электродов, т. е. угольный электрод с осаждённой на нём медью делается анодом и имеется, по-сути, медный анод. Катод будет также медным.

Составьте схему второй части процесса электролиза: покажите направление движения ионов к электродам, укажите, из какого материала состоят электроды, составьте уравнения катодного и анодного процесса.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Через несколько минут проведения электролиза медь на аноде растворяется и на угольном электроде (аноде) начинает выделяться газ (третья часть опыта).

Составьте схему третьей части процесса электролиза: покажите направление движения ионов к электродам, укажите, из какого материала состоят электроды, составьте уравнения катодного и анодного процесса.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Оказывает ли материал катода на суть катодного процесса? ______________________

Какой процесс идёт на растворимом аноде? ___________________________________

Как влияет природа аниона на процесс на аноде? ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 5.7. При электролизе раствора, содержащего нитраты серебра, меди (II), свинца и натрия в стандартных условиях последовательность выделения веществ на катоде следующая:

1) Ag, Pb, Cu, Na 2) Ag, Pb, Cu, H2, Na 3) Ag, Pb, Cu, H2 4) Ag, Cu, Pb, H2

Решение. Относительное положение металлов в ряду активности следующее:

Na … Pb… Cu … Ag.

Последовательность их разряда обратная, причём щелочной металл натрий из водных растворов не восстанавливается и вместо него выделяется водород (табл. 5.3)..

Правильный ответ 4.

Упражнение 5.5. При электролизе раствора, содержащего нитраты меди (II), серебра, никеля и кальция в стандартных условиях, последовательность выделения веществ на катоде имеет вид …

1) Ag, Ni, Cu, Сa 2) Ag, Cu, Ni, H2, Сa 3) Ag, Cu, Ni, H2 4) Ag, Ni, Cu, H2

Упражнение 5.6. Продуктами, выделяющимися на инертных электродах при электролизе водного раствора серной кислоты, являются …

1) Н2 и SO2 2) O2 и SO2 3) H2 и S 4) H2 и O2

Для решения воспользуйтесь табл. 5.3 и табл. 5.4.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ТИПОВЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

1. Продуктами, выделяющимися на инертных электродах при электролизе водного раствора хлорида калия, являются …

1) K и Cl2 2) H2 и Сl2 3) H2 и O2 4) K и O2

2. Продуктами, выделяющимися на инертных электродах при электролизе водного раствора сульфата натрия, являются …

1) Na и SO2 2) H2 и S 3) H2 и O2 4) Na и O2

3. Металлом, который нельзя получить электролизом раствора его соли, является …

1) Al 2) Cr 3) Pb 4) Ag

4. Уравнение процесса протекающего на инертном катоде при электролизе водного раствора гидроксида натрия, имеет вид …

1) 2H+ + 2e → H2 2) 2H2O – 4e → O2 + 4H+

2) 2H2O + 2e → H2 + 2OH ˉ 4) Na+ + e → Na

5. Уравнение процесса, протекающего на инертном аноде при электролизе водного раствора CaCl2, имеет вид.. 1) 2H2O – 4e → O2 + 4H+ 2) 4OH ˉ − 4e → O2 + 2H2O

3) Сa2+ + 2e → Сa0 4) 2Cl ˉ − 2e →Cl2

5.3. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ

Изучить и усвоить:

· лекцию «Коррозия металлов» [Часть 2 УМК, раздел 5.4].

· видеозапись лабораторной работы «Коррозия и защита металлов» [Приложение к УМК: диск 4].

Цель выполнения задания

· Усвоить суть химической и электрохимической коррозии металлов.

· Изучить факторы, влияющие на скорость коррозии.

·Ознакомиться с некоторыми методами защиты металлов от коррозии.

Теоретические сведения

Коррозией металлов называется процесс их самопроизвольного разрушения под воздействием окружающей среды. Коррозия представляет собой окислительно-восстановительный процесс, протекающий на границе раздела металл – среда. Металл всегда окисляется, а компоненты окружающей среды (О2, СО2, SO2, Cl2, H+, H2O и др.) восстанавливаются. В результате коррозии образуются продукты окисления металла – оксиды, гидроксиды, соли. Такое превращение металла сопровождается существенным изменением его механических свойств.

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия происходит под воздействием агрессивных газообразных компонентов окружающей среды при высоких температурах (газовая коррозия) или под воздействием некоторых агрессивных жидкостей – неэлектролитов. Основным признаком химической коррозии является то, что она происходит без возникновения в системе электрического тока, когда реакции окисления и восстановления протекают в одной точке поверхности.

Электрохимическая коррозия протекает в электролитах и сопровождается возникновением коррозионного тока между анодными и катодными участками поверхности металла. Функцию анода выполняет более активный металл, на нём идёт окисление, в результате чего металл разрушается и его ионы «уходят» в коррозионную среду:

Ме 0 − n ē → Ме n+. (5.6)

Освободившиеся в результате окисления электроны переходят на катод и восстанавливают окислитель из среды (рис. 5.10). Вид процесса зависит от природы окислителя и состава среды.

Рис. 5.10. Схема электрохимической коррозии

Уравнения наиболее часто встречающихся катодных процессов приведены в табл. 5.5

Таблица 5.5

Уравнения катодных коррозионных процессов в различных средах

Реакция среды	Нейтральная	Кислая	Щелочная
Уравнения реакций	О2 + 2Н2О + 4ē → 4 ОН─	2Н+ + 2е → Н2 или О2 + 4Н+ + 4ē → 2 Н2О	4ОН─+ 4ē → О2 + 2Н2О

Отличием электрохимической коррозии от химической является то, что процессы окисления и восстановления протекают на разных участках поверхности корродирующих металлов.

Пример 5.8. Сталь (в первом приближении железо) плотно контактирует с никелем и оба металла находятся в воде, в которой растворён кислород, т. е. в нейтральной среде (табл. 5.5). Какой из металлов будет корродировать? Запишите электронные уравнения анодного и катодного процесса.

Решение. На менее активном металле − никеле (табл. 5.1) будет идти катодный процесс восстановления окислителя из среды:

О2 + 2Н2О + 4ē → 4 ОН‾ (табл. 5.5).

Железо более активный металл, чем никель, т. к. имеет более электроотрицательный стандартный потенциал поэтому на железе будет сосредоточен анодный процесс окисления:

2 │ Fe0 − 2 ē → Fе 2+.

В данном случае корродирует железо. Вторичный процесс коррозии состоит во взаимодействии ионов железа с гидроксильными ионами

2Fе 2+ + 4ОН‾ → 2 Fe(OH)2.

Суммарное уравнение коррозионного процесса имеет вид

2Fe + О2 + 2Н2О → 2 Fe(OH)2.

Основные направления защиты металлов от коррозии представлены на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Схема основных направлений защиты металлов от коррозии

ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАНИЯ

Электрохимическая коррозия при контакте двух металлов

Контакт двух металлов создаётся закреплением в стальной (Fe) скрепке цинковой и медной пластинок (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Схема электрохимической коррозии при контакте двух металлов

Металлы помещаются в разбавленный раствор серной кислоты, куда добавляется несколько капель раствора красной кровяной соли, которая с ионами Fe2+ образует «турнбулеву синь» Fe3[Fe(CN)6]2 по уравнению

3 Fe2+ + 2 K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2 + 6 K+.

Запишите в табл. 5.6 стандартные электродные потенциалы Zn, Fe, Cu (табл. 5.1) и уравнения электрохимических процессов, протекающих при коррозии. Для составления катодного процесса воспользуйтесь данными табл. 5.5.

Укажите, какой из металлов корродирует (окисляется) в первом и во втором случаях, имея в виду, что только присутствие ионов железа Fe2+ окрашивает раствор в синий цвет.

Таблица 5.6

Процессы электрохимической коррозии при контакте двух металлов

Контакт железа с цинком	Контакт железа с медью
Анодный процесс: (окисление)	Анодный процесс: (окисление)
Катодный процесс: (восстановление)	Катодный процесс: (восстановление)

Составьте правило, по которому можно определить, какой металл будет корродировать при контакте с другим металлом.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Защитные свойства металлических покрытий

В одну пробирку с раствором соляной кислоты с добавкой красной кровяной соли помещается пластинка луженого (покрытого оловом), а в другую – оцинкованного железа. На каждой пластинке предварительно делаются глубокие царапины, которые повреждают покрытия и делают доступным для коррозионной среды защищаемый металл ─ железо (рис. 5.13). Через некоторое время на лужёном образце появляется синее окрашивание (признак коррозии железа).

Рис. 5.13. Схема поведения металлических защитных покрытий

при нарушении их целостности

Составьте электронные уравнения процессов, происходящих при нарушении целостности металлических защитных покрытий.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

В каком случае корродирует защищаемый металл, а в каком − защитное покрытие?

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Цинк в контакте со сталью выполняет функцию анода и разрушается, это покрытие анодное. Олово ─ менее активный металл, чем железо, поэтому корродировать будет железо, как более активный металл. Функцию катода выполняет олово, это будет катодное покрытие. В качестве анодных покрытий по стали выполняют цинковые, хромовые и кадмиевые (в морской воде). Материалом для катодных покрытий стали служат никель, олово, медь, серебро, золото.

Упражнение 5.7. Для защиты стального изделия в качестве катодного покрытия может быть использован металл

1) Никель 2) Цинк 3) Хром 4) Марганец

Для ответа пользуйтесь табл. 5.1.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Упражнение 5.8. При нарушении свинцового покрытия на железном изделии в кислоте на катоде будет протекать реакция…

1) Pb0 – 2 ē → Pb2+ 2) Pb2+ + 2 ē → Pb0 3) H+ + 2 ē → H2 4) O2 + 2H2O + 4 ē → 4OH ˉ

Укажите правильный ответ в соответствии с табл. 5.5.

Упражнение 5.9. Уравнение процесса, протекающего на катоде при электрохимической коррозии железных изделий в нейтральной среде, имеет вид …

1)O2 + 4H+ + 4 ē → 2H2O 2) 2H+ + 2 ē → H2

3)Fe2+ + 2 ē → Fe0 4)O2 + 2H2O + 4 ē → 4OH-

Укажите правильный ответ в соответствии с табл. 5.5.

Упражнение 5.10. Уравнение процесса, протекающего на аноде при электрохимической коррозии кадмия в нейтральной среде, …

1)2H2O – 4 ē → O2 + 4H+ 2) Cd0 – 2 ē → Cd2+

3) 2H2O + 2 ē → H2 + 2OH ˉ 4) Cd2+ + 2 ē → Cd0

Для заметок

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Задание 6. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

6.1. КАЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ

Изучить и усвоить:

лекцию «Качественный химический анализ» [Часть 2 УМК, раздел 6.1]

Цель выполнения задания

∙ Усвоить суть и задачи идентификации состава строительных материалов.

∙ Ознакомиться с качественными реакциями обнаружения катионов и анионов.

Теоретическое введение

Под идентификацией понимают установление тождества неизвестного соединения с другим известным, т. е. определение качественного (что) и количественного (сколько) состава исследуемого объекта.

Основанием для проведения исследования является наличие аналитического сигнала, т. е. свойства, функционально зависящего от качественного и количественного состава анализируемого объекта. В качественном анализе фиксируется наличие аналитического сигнала, а в количественном ─ измеряется его интенсивность.

Методы качественного анализа базируются на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. В ходе реакций образуются труднорастворимые соединения, окрашенные комплексные соединения, происходит окисление или восстановление с изменением цвета раствора (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Виды аналитических сигналов в качественном химическом анализе

Если присутствуют несколько катионов, то любой катион можно идентифицировать с помощью определенной (специфической) реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой идентификации. Некоторые качественные реакции приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Качественные химические реакции обнаружения некоторых катионов и анионов

Ион, вещество	Реактив	Реакция	Наблюдаемое явление
Fe2+	K3[Fe(CN) 6] красная кровяная соль	3Fe2+ + 2K3[Fe(CN) 6] → Fe3[Fe(CN) 6]2 + 6K+	Синее окрашивание
Fe3+	K4[Fe(CN) 6] жёлтая кровяная соль	2Fe2+ + 3K2[Fe(CN) 6] → Fe2[Fe(CN) 6]3 + 6K+	Синее окрашивание
Fe3+	NH4CNS роданид аммония	Fe3+ + 3 NH4CNS → Fe(CNS)3 + 3NH4+	Красное окрашивание
Са2+	(NH4)2С2О4 оксалат аммония	Са2+ + (NH4)2С2О4 → CaC2O4↓ + 2NH4+	Белый осадок
Bа2+	Н2SO4	Bа2+ + Na2SO4 → BaSO4↓ + 2Н+	Белый осадок
Cu2+	NH4OH	Cu2+ + 4NH4OH → [Cu(NH3)4]2+ + 4H2O	Ярко-синее окрашивание
Pb2+	KJ	Pb2+ + 2KJ → PbJ2↓ + 2K+	Жёлтый осадок
Ca2+, Sr2+,Ba2+	H2S	Ca2+(Sr2+, Ba2+) + H2S → Ca(Sr, Ba)S↓ + 2H+	Осадок
NH4+	NaOH	t NH4+ + NaOH → NH3↑ + H2O + Na+	Выделение аммиака
Cr3+→Cr6+	Щелочная среда	Cr3+→ CrO42ˉ	От зелёной к жёлтой окраске
СО32ˉ	HCl	СО32ˉ + 2H+ → H2O + CO2↑	Выделение газа
SO42ˉ	BaCl2	SO42ˉ + BaCl2→ BaSO4↓ + 2Clˉ	Белый осадок
NO3ˉ	Дифениламин	[O] (С6Н5)2−NH —→ (C6H4)2−NH + H2O	Синее окрашивание
РО43ˉ	Магнезиальная смесь	РО43ˉ + Mg2+ + NH4+ → Mg NH4РО4↓	Белый осадок

ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАНИЯ