Основы теоретической электрохимии (стр. 4 )

Практическое занятие 12. Электрохимические свойства окислительно – восстановительных систем». Лабораторная работа 6

       Ц е л ь  р а б о т ы: провести наблюдения за электрохимическими свойствами окислительно-восстановительных систем

Вопросы для допуска к лабораторной работе

Методические рекомендации по проведению работ и обработке экспериментальных данных

Р е а к т и в ы  и  п р и б о р ы:  0,0002М КMnO4; 10% растворы FeSO4 или ZnCl2; раствор KCNS; раствор KI; H2SO4 разбавл.; 10% раствор NaCl; раствор K2Cr2O7; раствор Na2S2O3; бромная или хлорная вода; стекляная вата раствор крахмала; раствор йода;  HNO3 разбавл.; 6Н HCl; U-образная трубка; 2 медных электрода; гальванометр; 2 стекляных фильтра; штатив лабораторный; 2 резиновые пробки с отверстиями.

Проведение опыта А. Во внутрь U-oбразной трубки заталкивают тампон из стеклянной ваты так, чтобы она была разделена на две примерно одинаковые части. В одно колено наливают подкисленный серной  кислотой раствор КМпО4 а в дру­гое — 10 % - ный раствор FeS04 или SnCl2. В оба рас­твора погружают платино­вые (или медные) электро­ды, подсоединяют их к клем­мам гальванометра и изме­ряют ЭДС этой гальванической цепи. Затем замыка­ют клеммы гальванометра накоротко и оставляют их в таком положении на неко­торое время, наблюдая за изменениями, происходящи­ми в растворах. По окончании опыта в колено с раствором  сульфата железа прибавляют несколько капель раствора роданида ка­лия.

Результат опыта. При подключении платиновых элек­тродов к гальванометру стрелка прибора заметно отклоняется, что указывает на прохождение через него элек­трического тока. По мере работы гальванического элемента наблюдается обесцвечивание раствора перманганата калия вблизи поверхности электрода. В другом колене трубки появляются ионы железа (III), которые обнаруживаются по появлению ярко-красной окраски после добавления к раствору роданида калия.

Проведение опыта Б. Берут такую же U-образную трубку, как и в предыдущем опыте, и наполняют одно колено раствором 10%-ного хлорида натрия, другое — раствором хлорида олова такой же концентрации. В оба колена погружают платиновые (или медные) электроды, подсоединяют их к гальванометру и измеряют ЭДС це­пи. Затем в колено с раствором хлорида натрия добавля­ют небольшое количество хлорной или бромной воды и вновь повторяют измерение ЭДС.

Результат опыта. После добавления к раствору хлор­ной или бромной воды ЭДС гальванического элемента сильно возрастает.

Проведение опыта В. U-образную трубку заполняют 6 н. раствором соляной кислоты. В оба колена плотно вставляют резиновые пробки, в отверстия которых вво­дят трубки двух стеклянных фильтров (рис.). Необ­ходимо добиться того, чтобы все пространство трубок вплоть до пористых стеклянных пластинок обоих фильт­ров было заполнено 6 н. раствором НС1 — пузырьков воздуха не должно быть. В одну из воронок наливают раствор, содержащий окислитель, в другую — раствор, содержащий восстановитель. Затем в обе воронки погру­жают платиновые (или медные) электроды, которые под­соединяют к клеммам гальванометра. Ниже приведены комбинации растворов, которые можно использовать в этом опыте для составления окислительно-восстанови­тельных гальванических элементов:

Раствор внутри трубки	Раствор в левом фильтре	Раствор в правом фильтре
№1	6Н HCl	0,0002М КMnO4, подкисленный H2SO4	SnCl2, 10% - ый раствор
№2	6Н HCl	1Н KI + крахмал	HNO3 разбавленный
№3	6Н HCl	KI подкисленный	K2Cr2O7 подкисленный
№4	6Н HCl	Раствор I2	Раствор Na2S2O3

Результат опыта. Через некоторое время после на­чала работы окислительно-восстановительного гальвани­ческого элемента в зависимости от взятой пары раство­ров в левом стеклянном фильтре будут наблюдаться следующие изменения цвета растворов: комбинация растворов №1 — обесцвечивание, №2 — появление синей окраски, № 3 — появление коричневой окраски, № 4 — обесцвечивание.

Обьяснение. В основе работы гальванического элемента, демон­стрируемого в опыте А, лежит следующая окислительно-восстано­вительная реакция:

4КМnO4 + 16H2S04 + 10SnCI2 > 4MnSO4 + 2K2SO4 + SnCI4 + 5Sn (SO4)2 + I6H2O

Как видим, в этой реакции олово (II), отдавая электроны, окис­ляется:

5Sn2+ > 5Sn4++ 10ё-

а марганец, приобретая электроны, восстанавливается:

2MnO4 + 16Н+ + 10ё - > 2Mn2+ + 8Н20

В случае применения вместо SnCl2 раствора FeSO4 реакции окисления и восстановления соответственно будут иметь вид

5Fe2+ > 5Fe3+ + 5ё-  (окисление)

MnO4 + 8Н+ + 5ё - > Mn2+ + 4Н20 (восстановление)

Появляющиеся в результате этой реакции ионы железа (III) обра­зуют при взаимодействии с роданидом соединение, окрашивающее раствор в ярко-красный цвет. Как известно, ионы железа (II) не образуют с роданидом окрашенного соединения.

В основе работы гальванического элемента, применяемого в опыте Б, лежат следующие реакции окисления и восстановления:

Sn2+ > Sn4+ + 2е - (окисление)

С12 + 2е - > 2С1- (восстановление)

В опыте В при применении комбинации растворов № 1 имеет место та же  окислительно-восстановительная  реакция, что и в опыте А. ,

В случае применения комбинации растворов № 2 в левом фильт­ре U-образной трубки будет происходить реакция окисления иодида:

2І - > І2 + 2е - (І2 с крахмалом дает интенсивное синее окрашивание и восстановленне азотной кислоты до азотистой:

NО3- + 2Н+ + 2е - > NO2 - + Н20

При использовании растворов в комбинации № 3 реакции окис­ления и восстановления будут протекать по уравнениям:

6І - > 3I + 6e - (окисление)

Сr2О72- + 14Н+ + 6е - > 2Сг3+ + 7Н20 (восстановление)

В комбинации растворов №4 имеет место окислительно-восста­новительная реакция между иодом и тиосульфатом натрия:

2Na2S2О3 +  І2 > 2NaІ+ Na2S4О6

или в ионной форме:

2 S2О3 > S4О6 2- + 2е-  (окисление)

І2 + 2е - >2І - (восстановление)

Вопросы для самопроверки и защиты лабораторной работы

Практическое занятие 13. Неравновесные электродные процессы

Цель занятия;

Методические рекомендации (указания) по выполнению задания;

Контрольные вопросы;

Литература с указанием страниц, по изучаемой теме

Практическое занятие 14. Окислительно-восстановительные реакции, протекающие в гальванических элементах. Лабораторная работа 7

Ц е л ь  р а б о т ы: Наблюдение за  окислительно-восстановительными реакциями протекающими в гальванических элементах.

Вопросы для допуска к лабораторной работе

Методические рекомендации по проведению работ и обработке экспериментальных данных

Р е а к т и в ы  и  о б о р у д о в а н и я: серебряная проволока, медная пластинка, 1М  Сu(NO3)2; 1М  AgNO3; 0,1М  HСl; 3 химических стакана на 200 мл; аппарат для получения H2S.

Проведение опыта А. В химический стакан наливают примерно 150 мл 1,0 М раствора нитрата серебра, погру­жают в него тщательно очищенную и обезжиренную мед­ную пластинку и наблюдают за изменениями, протекаю­щими в стакане.

Результат опыта А. Через некоторое время после погружения в стакан медной пластинки раствор окрашивается в голубой цвет, что указывает на появление на нем ионов меди (II). Кроме того, на медной пластинке появ­ляется хорошо заметный налет металлического серебра.

Объяснение. В стакане происходят такие же химические реак­ции, какие бы протекали в гальваническом элементе, составленном из серебряного и медного электродов:

Ag | Ag+ | KN03 | Си2+ | Си

  ?Ag                 ?Cu

В этом элементе положительные ионы серебра принимают электро­ны от серебряной пластинки и превращаются в нейтральные атомы металлического серебра. В правом полуэлементе, наоборот, атомы меди отдают электроны медной пластинке, превращаются в ионы и переходят в раствор. Эти электроны двигаются через внешнюю цепь (соединительные прохода, вольтметр и т. д.) к серебряному электроду. Все эти процессы можно представить следующими урав­нениями:

В правом полуэлементе Си (тв) > Си2+ (водн) + 2ё-

В левом полуэлементе 2Ag+ (водн) + 2е - > 2Ag (тв)

Суммарная реакция Си (тв)  + 2Ag+ (водн) > Си2+ (водн) + 2Ag (тв)

Таким образом, в медном полуэлементе протекает реакция окисле­ния, а в серебряном — восстановления.

В нашем опыте перенос электронов происходит непосредственно от атомов меди к ионам серебра, находящимся в растворе вблизи поверхности медной пластинки. По существу, этот местный перенос заменяет соединительные провода, через которые осуществляется переход электронов от атомов меди к ионам серебра в электрохими­ческом элементе.

Проведение опыта Б. В химический стакан наливают примерно на две трети его объема 1,0 М раствор соля­ной кислоты, погружают в него тщательно зачищенные и обезжиренные металлические пластинки из - меди, серебра и цинка и наблюдают за изменениями, протекающи­ми на ітоверхности этих пластинок.

Результат опыта. Из всех металлов только цинк бур­но реагирует с раствором соляной кислоты. С поверхно­сти цинковой пластинки интенсивно выделяются много­численные пузырьки газа. Поверхность пластинок из ме­ди и серебра остается неизменной — пузырьков газа не образуется, что свидетельствует об отсутствии реакции взаимодействия этих металлов с кислотой.

Объяснение. Реакцию взаимодействия  металлического. чинка с соляной кислотой можно представить в следующем виде

Zn(тв) + 2Н+ (водн) > Zn2+ (водн) + Н2 (г)

Как видим, в этой реакции атом цинка теряет два электрона, пре­вращаясь в ион Zn2+, т. е. цинк окисляется. Каждый ион водорода приобретает по электрону, превращаясь в атом водорода, т. е. во­дород восстанавливается. После восстановления два атома водо­рода соединяются в молекулу Н2. Как и в предыдущем опыте, суммарную реакцию можно разделить на две реакции, чтобы пока­зать приобретение электронов (ионами водорода Н+) и отдачу электронов (атомами цинка):

Zn (тв) > Zn2+ 2е-

2Н+ + 2е - > Н2

Суммарная

  реакция Zn (тв) + 2H+ > Zn2+ + Н2

Из этого опыта следует, что не все металлы реагируют с раз­бавленными кислотами. Так, например, магний, алюминий, железо и никель выделяют водород подобно цинку. Другие же металлы, например медь, ртуть, серебро и золото, не выделяют водород вовсе не потому, что соответствующие реакции слишком медленны. Про­сто одни металлы (подобно цинку) отдают свои электроны ионам водорода, а другие нет.

Проведение опыта В. В химический стакан наливают примерно на две трети его объема 1,0 М раствор нитрата меди Сu(NO)2 погружают в нее цинковую пластинку и наблюдают за изменениями, протекающими на ее поверх­ности в растворе.

Результат опыта. Через небольшой промежуток вре­мени после погружения в раствор цинковая пластинка покрывается красноватым налетом металлической меди, а голубая окраска раствора постепенно исчезает.

Дальнейшее проведение опыта В. После того как го­лубая окраска, обусловленная в растворе присутствием ионов меди Сu2+, исчезнет, через раствор пропускают ток сероводорода H2S.

Результат опыта. Через некоторое время после начала пропускания сероводорода в растворе образуется белый осадок сульфида цинка ZnS.

Объяснение. Реакцию между металлическим цинком и водным раствором нитрата меди можно записать следующим образом:

Zu (тв) + Сu2+ > Zn2+ + Сu (тв)

В ходе этой реакции цинк теряет эпектроны, образуя ионы Zn2+:

Zu (тв) Zn2+ + 2е-

Это означает, что происходит окисление  цинка.  Поскольку цинк окисляется, отдавая электроны. какое-то вещество должно восстанавливаться, принимая  эти  электроны.  Восстанавливаются ноны меди:

Cu2+ + 2е - > Сu (тв)

Таким образом, на этрт раз медь получает электроны от цинка (напомним, что при реакции между металлической медью и рас­твором нитрата серебра медь будет отдавать электроны ионам серебра).

Замечание. Необходимо отметить, что реакция получения электронов ионами меди от атомов металла цинка сильно смещена вправе. В этом легко убедиться, если поместить пластинку из ме­таллической меди в раствор сульфата цинка. При этом не произой­дет никаких видимых изменений, и попытка обнаружить присутствие ионов меди, пропуская сероводород H2S, чтобы осадить из раство­ра черный сульфид меди, не будет иметь успеха.

Вопросы для самопроверки и защиты лабораторной работы