4 - Автоматизированная информационная система ГУ имени

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Инженерно-технологический факультет
Кафедра химия
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ ЗАНЯТИЯМ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ОСНОВЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОХИМИИ»
для специальности
5В072000 – «Химическая технология неорганических веществ»
СЕМЕЙ
2014
1 РАЗРАБОТАНО
Составители ________ «___» _______ 20___г Ж.Т. Лебаева
старший преподаватель
2. ОБСУЖДЕНО
2.1 На заседании кафедры
кафедры «Химия»
«Химия»
наименование кафедры
Протокол от « ____» ______________20__г., №___
дата
Заведующий кафедрой
________
подпись
2
Б.Х Мусабаева
СОДЕРЖАНИЕ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
«Равновесие в растворах электролитов. Электролитическая
диссоциация».
«Электростатическая теория сильных электролитов» 1
«Неравновесные явления в растворах электролитов. Законы
Фарадея»
«Электропроводность растворов электролитов»
Определение
ионной
проводимости»
(лабораторная
работа1).
«Термодинамика электродного равновесия»
Работа с одним реактором в постоянном (непрерывном)
режиме» (лабораторная работа2).
Работа только с одним реактором в постоянном
(непрерывном) режиме с эффектом смешивания»
(лабораторная работа3).
«Теории двойного электрического слоя»
Электрохимические
свойства
окислительно
–
восстановительных систем» (лабораторная работа4).
«Неравновесные электродные процессы»
«Окислительно-восстановительные реакции, протекающие в
гальванических элементах» (лабораторная работа 5).
3
стр.
4
4
5
6
8
10
11
13
15
16
18
18
№ 1. Тема: «Равновесие в растворах электролитов. Электролитическая
диссоциация».
Цель занятия:
Рассмотрение классической теории электролитов, равновесных процессов в
растворах электролитов.
Содержание занятия:
1. Теория электролитической диссоциации.
2. Степень диссоциации, константа диссоциации.
3. Активность, коэффициент активности. Ионная сила раствора.
4. Растворимость, произведение растворимости.
Упражнения. Задачи.
Задача 1.
Найти при 25°С константу равновесия реакции
Hg2Cl2 + 2FeCl2 = 2Hg + 2FeCl3
(1.10)
Задача 2.
Даны растворы KCl, NaNO3, NaCl и KNO3 с концентрацией по 0,01 моль/кг
H2O. Средние ионные коэффициенты активности электролитов первых трех
растворов равны соответственно 0,9022; 0,9047; 0,9059. Рассчитайте средний
ионный коэффициент активности KNO3.
Задача 3.
Вычислите растворимость CuCl при 298 К в воде и в 0,025 М растворе
MgSO4, если произведение растворимости (ПР) CuCl равно 3,2∙10 −7 (моль/л)2
и
.
Задача 4.
Вычислите произведение растворимости Ca(OH)2 при 298 К. Растворимость
гидроксида кальция составляет 0,155 г/100 г воды.
Задача 5.
Вычислите кажущуюся константу ионизации муравьиной кислоты, ионная
сила которой 0,01 моль/л при 298 К, предположив, что коэффициент
активности недиссоциированной формы кислоты равен 1 (g HA = 1).
Термодинамическое значение константы ионизации равно 1,75∙10 −4 моль/л.
Задача 6.
Если константа диссоциации NH4OH равна 1,8∙10-5, то при какой
концентрации степень ее диссоциации равна 0,01?
№ 2. Тема: «Электростатическая теория сильных электролитов»
Цель занятия:
Ознакомление с теорией сильных электролитов.
Содержание занятия:
1. Основные положения теории Дебая-Хюккеля. Понятие об ионной
атмосфере.
4
2. Радиус ионной атмосферы и физический смысл этой величины.
Зависимость радиуса ионной атмосферы от концентрации,
температуры, заряда ионов и диэлектрической проницаемости.
3. Уравнения теории Дебая-Хюккеля и границы их применимости.
4. Ассоциация ионов. Константа ассоциации. Принципиальное отличие
ионной пары от молекулы. Теория Бьеррума.
Контрольные вопросы:
Задача 1.
Рассчитайте средний коэффициент активности ƒ± 0,001 М раствора MgSO4,
если константа А в предельном законе Дебая-Гюккеля для водных растворов
при 25оС равна 0,509 (л/моль)1/2∙K3/2.
Задача 2.
Определите ионную силу раствора Al2(SO4)3, моляльная концентрация
которого равна 0,2 моль/кг H2O.
Задача 3.
Вычислите активность электролита aЭ и среднюю ионную активность a±
ZnSO4, если его концентрация в растворе 0,1 моль/л, а средний ионный
коэффициент активности равен 0,148.
Задача 4.
Ионная сила раствора KCl равна 0,2 моль/л. Какова его молярная
концентрация? Какова должна быть молярная концентрация раствора BaCl2
той же ионной силы?
Задача .
Ионная сила pacтвоpa NаCl равна 0,2. Какова его моляльность? Какова
должна быть моляльность раствора АlСl3 той же ионной силы?
№ 3. Тема: «Неравновесные явления в растворах электролитов. Законы
Фарадея»
Цель занятия:
Ознакомление с процессами электролиза. Законы Фарадея.
Содержание занятия:
1. Классификация
проводников
и
прохождение
постоянного
электрического тока через проводники I и II рода.
2. Основные типы электрохимических систем и их составные части.
Определения понятий катод и анод.
3. Направление тока в электрохимической системе (ячейке, цепи).
4. Различие между химическими и электрохимическими реакциями.
5. Электролиз как окислительно-восстановительный процесс.
Контрольные вопросы:
Задача 1.
Написать уравнения процессов, происходящих при электролизе водного
раствора сульфата натрия с нерастворимым анодом. Укажите, какие вещества
образуются в катодном и анодном пространствах.
Ом−1∙см−1.
Задача 2.
5
Гальванический элемент составлен из алюминиевого и никелевого
электродов. Определите, какой из электродов Al|Al3+ или Ni|Ni2+ будет
являться положительным и отрицательным полюсом элемента. Запишите
уравнения электродных реакций.
Задача 3.
Установить, в каком направлении возможно самопроизвольное протекание
реакции
2NaCl + Fe2(SO4)3 = 2FeSO4 + Cl2 + Na2SO4
Задача 4.
Гальванический элемент составлен из 2-х электродов: иод-серебряного,
помещенного в раствор 0,1М НJ, и водородного, опущенного в 0,01М
раствор кислоты НХ. Разность равновесных потенциалов между этими
электродами составила 0,117В. Рассчитайте константу диссоциации Ка
о
кислоты НХ, если известны только значение Е для серебряного электрода,
-16
равное 0,799, и величина ПРAgJ=1,1⋅10 .
№ 4. Тема: «Электропроводность растворов электролитов»
Цель занятия:
Рассмотрение
количественной
характеристики
электропроводности
электролитов.
Содержание занятия:
1. Физический смысл удельной электропроводности и методы ее измерения.
2. Молярная и эквивалентная электропроводности и их связь с удельной
электропроводностью.
3. Зависимость удельной и эквивалентной электропроводности от
концентрации электролита.
4. Предельная эквивалентная электропроводность.
5. Скорость движения ионов, абсолютная скорость и подвижность ионов.
Принцип независимого движения ионов Кольрауша.
6. Электропроводность смеси электролитов.
7. Аномальная подвижность ионов.
8. Числа переноса и их связь со скоростями движения ионов.
Контрольные вопросы:
Задача 1.
Сопротивление ячейки для измерения электропроводности в которой
содержится 0,02 М раствор KCl равно 35,16 Ом при 291 К, а для 0,1 М
раствора уксусной кислоты − 179 Ом. Какова степень диссоциации уксусной
кислоты? Для уксусной кислоты L0 = 350,0 Ом−1∙см2∙моль-экв−1. Удельная
электропроводность 0,02 М раствора KCl при 291 К равна 0,002399
Ом−1∙см−1.
Задача 2.
Раствор с концентрацией H2SO4 70 мас. % имеет плотность 1,615 г/см3 и
удельную электропроводность 0,2157 Ом−1∙см−1 при 291 К. Найдите значения
эквивалентной и молярной электропроводности раствора.
6
Задача 3.
Эквивалентная электропроводность пропионовокислого натрия при
бесконечном разведении равна 89,3 Ом−1∙см2∙моль-экв−1 (298 К).
Подвижности ионов Na+ и H+ соответственно равны 50,5 и 350,0
Ом−1∙см2∙моль-экв−1. Какова эквивалентная электропроводность бесконечно
разбавленного раствора пропионовой кислоты при 298 К?
Задача 4.
Предельные подвижности ионов H+ и CH3COO− соответственно равны 349,8
и 40,9 См∙см2∙моль-экв−1. Значение эквивалентной электропроводности равно
12,77 См∙см2∙моль-экв−1. Найдите константу диссоциации и рН раствора при
с = 1,59∙10-4 моль/л.
Задача 6.
Сопротивление водного 0,1 М раствора AgNO3 равно 42,4 Ом.
Кондуктометрическая ячейка, в которой измерялось сопротивление имела
электроды из двух плоских параллельных пластин площадью по 2 см2
каждая. Расстояние между пластинами 0,9 cм. Определите удельное
сопротивление, эквивалентную и удельную электропроводности.
Задача 5.
В ячейку для измерения электропроводности помещены платиновые
электроды в форме дисков диаметром 1,34 см, расстояние между
электродами 1,72 см. Ячейка заполнен 0,05 н раствором NaNO3. При
напряжении 0,5 В через данный раствор идет переменный ток силой 1,85 мА.
Найдите величину удельной и эквивалентной электропроводности раствора
NaNO3.
Задача 6.
Удельная электропроводность насыщенного раствора AgBr равна 1,576∙10−6
Ом−1∙см−1, а воды, взятой для растворения 1,519∙10−6 Ом−1∙см−1. Найдите
растворимость AgBr (S) в воде и произведение растворимости (ПР), если
известно, что эквивалентные электропроводности при бесконечном
разведении для KBr, KNO3, AgNO3 имеют значения 137,4; 131,3; 121,0
Ом−1∙см2∙моль-экв−1, соответственно.
Задача 7.
Числа переноса анионов в водных растворах 0,1 н хлорида калия, 0,1 н
хлорида натрия и 0,1 н нитрата калия при 18 оС соответственно равны 0,505,
0,610, 0,497. Вычислите число переноса аниона в 0,1 н растворе нитрата
натрия при той же температуре, не принимая в расчет взаимодействие между
ионами.
Задача 8.
При температуре 298 К методом перемещения границы в 0,005 н растворе
хлорида калия было определено значение числа переноса иона хлора 0,5069,
а в 0,01 н растворе хлорида натрия при той же температуре − 0,6082.
Определите числа переноса ионов хлора, натрия и калия в 0,005 н растворе
по отношению к хлориду калия и в 0,01 н растворе по отношению к хлориду
натрия в предположении, что никакого взаимодействия между ионами нет.
7
№ 5. Тема: Определение ионной проводимости (лабораторная работа 1)
Цель работы
Цель данного упражнения заключается в определении ионной
проводимости 𝑂𝐻 − и R необходимых для обработки экспериментальных
данных в процессе выполнения следующих упражнений.
Требуемые элементы
♦ 1 литр растворителя этила ацетата с концентрацией 0.05 M.
♦ программа SACED-QRIA QRC.
♦ 1 растворителя гидрата окиси соды с концентрацией 0.05 M.
♦ Оборудование QRIA
Выполнение упражнения
Для реализации
следующих процедур:
данного
упражнения
необходимо
выполнение
1. Введите раствор ацетата соды внутрь реактора 3. Накройте крышку и
настройте смеситель, как объясняется в руководстве по установке.
2. Запустите программу SACED-QUSC.
3. Выберите опцию «Охват данных»( “Data capture”). Выберите «время
охвата»( time of capture) (значок часов), выберите «имя файла»( the name of
the file) для сохранения данных в файле (значок диска) и наконец нажмите
«значок воспроизведение» (play icon)
4. Включите систему термостатизации и выберите 25ºC.
5. Включите систему мешалки для облегчения быстрой термостатизации.
6.
Возьмите образец в нижнем мундштуке реактора и определите
проводимость раствора при данной температуре.
7. Повторите измерения при 35 и 45ºC.
8. Запишите результаты в таблице 3.5.1.
9. Опустошите реактор с помощью нижнего клапана.
10. Промойте его водой несколько раз.
11. Повторите предыдущие шаги с раствором гидрата окиси соды.
12. Прочистите реактор еще раз.
13. Выключите систему.
8
Результаты и таблицы
После заполнения данных, произведите следующие вычисления:
Температур
fа
Заключения и комментарии
Принимая во внимание полученные данные, ответьте на следующие
вопросы:
изменениях температуры?
7.3.5.6 Дополнительные графики
ПРОВОДИМОС
ТЬ
Представьте в графической форме эволюцию проводимости в функции
температуры обоих субстанций.
Температура
Графическое представление вариации проводимости ацетата соды и гидрата
окиси соды
в функции температуры.
9
№ 6. Тема: «Термодинамика электродного равновесия».
Цель занятия:
Ознакомление с понятием электродный потенциал. Уравнение Нернста.
Электродные системы.
Содержание занятия:
1. Понятие электродного потенциала. Уравнение Нернста для электродного
потенциала.
2. Термодинамическая трактовка равновесных электродных потенциалов.
3. Химический потенциал и изобарно-изотермический потенциал системы.
Соотношение между ними.
4. Классификация электродов.
5. Какие электродные системы пригодны для использования в качестве
электродов сравнения?
6. Диффузионный потенциал и условия его возникновения.
Контрольные вопросы:
1. Как рассчитать ЭДС элемента по изменению термодинамических функций
для данной реакции?
2. К каким типам электродов относятся водородный, хингидронный и
оксидно-ртутный электроды?
3. Что такое поверхностный, внутренний и внешний потенциалы?
4. На каком принципе основано измерение рН раствора с помощью
стеклянного электрода?
5. Что такое Гальвани- и Вольта-потенциалы?
10
№ 7. Тема: Работа с одним реактором в постоянном (непрерывном)
режиме.
Цель работы
Целью данного упражнения является проведение базовой реакции
гидролиза этилацетата при работе с одним реактором. Знание системы и
реакции облегчит проведение изучение.
Требуемые элементы
♦ 10л раствора этилацетата 5М для проведения данного упражнения
♦ 10 л. раствора гидроксида соды 0.1 М
♦ оборудование QRSA
♦ программа SACED-QRSA
♦ Руководство по эксплуатации QRSA
Проработка упражнения
Для осуществления упражнения, следуйте шагам:
1.
Введите растворы этилацетата и гидроксида соды в соответствующие
баки реагентов.
2.
Запустите программу SACED-QRSA.
3.
Выберите опцию «Охват данных»( “Data capture”). Выберите «время
охвата»( time of capture) (значок часов), выберите «имя файла»( the name of
the file) для сохранения данных в файле (значок диска) и наконец нажмите
«значок воспроизведение» (play icon)
4.
Включите систему термостатизации и выберите 25ºC.
5.
Расположите клапана в позиции, показанных ниже, так чтобы
реагенты вошли напрямую ТОЛЬКО в реактор 1 и продолжили движение в
бак проходя сквозь кондукционную сетку.
Позиционирование клапанов.
3-ходовые клапана имеют следующие индикаторы направления,
которые указывают различные возможные направления потоков
Рис. 3.6.1
В следующей диаграмме мы отмечаем индикатор направления, в
которой мы должны оперировать:
♦ Коллектор 1, клапан V-1 открыт, клапана V2 и V3 закрыты.
11
♦ Коллектор 2, клапан V-4 открыт, клапана V5 и V6 закрыты
В этом случае, оба реагента войдут только в Реагент 1.
♦ Клапан VT-1 должен быть в позиции, указанной на рисунке, с
потоком продукта, идущим только в коллектор-3.
♦ Клапан V-7 должен быть закрыт.
6.
Как только клапана установлены в вышеуказанных позициях,
расположите 3-ходовые клапана базового модуля в позицию
«рециркуляции».
7.
Настройте насосы реагентов в желаемую позицию, мануально, и
включите клапана (уже подготовленных для использования).
8.
Проверьте, что клапана расходомеров открыты.
9. Включите насосы с помощью программы оборудования.
10. Если мячик, измеряющий поток сильно свисает за пределы шкалы,
скорректируйте поток с помощью потока расходомера.
11. Как только поток стабилизируется, поверните 3-ходовый клапан
базового модуля в сторону реактора, и реагенты пойдут в направлении
реактора 1.
12. Примите во внимание различные значения проводимости в таблице,
полученные в момент, когда продукт достигает коллектора кондукционной
клетки.
13. Выключите систему.
Результаты и Таблицы.
Когда вы приняли в учет полученные значения, сделайте требуемые
вычисления для того, чтобы получить значения временной эволюции
конверсии.
12
Реактор1
Коллектор2
Коллектор
-1
Реактор2
Реактив - 1
Реактив2
Реактор-3
КОЛЛЕКТ
ОР-3
Рис. 3.6.2 Позиции клапанов для того, чтобы работать с реактором в
постоянном режиме.
№ 8. Тема: Работа только с одним реактором в постоянном
(непрерывном) режиме с эффектом смешивания.
Цель работы
Цель данного упражнения произвести базовую операцию гидролиза
этилацетата с помощью одного реактора, чтобы ученики могли узнать
систему и реактор с большей легкостью и мы увидим как ссылочная
концентрация изменится при добавлении эффектов смешивания.
13
Требуемые элементы
Требуемые элементы для осуществления данной практики:
♦ 10 л. раствора этилацетата 5М
♦ 10 л. раствора гидроксида соды 0.1М
♦ оборудование QRSA
♦ программа SACED-QRSA
♦ Руководство по эксплуатации QRSA
Проработка упражнения.
Для осуществления упражнения, следуйте шагам:
1.
Введите растворы этилацетата
соответствующие баки реагентов.
2.
и
гидроксида
соды
в
Запустите программу SACED-QRSA.
3.
Выберите опцию «Охват данных»( “Data capture”). Выберите
«время охвата»( time of capture) (значок часов), выберите «имя файла»( the
name of the file) для сохранения данных в файле (значок диска) и наконец
нажмите «значок воспроизведение» (play icon)
4.
Включите систему термостатизации и выберите 25ºC.
5.
Включите мешальную лопасть
6.
Установите клапана в позициях
7.
Расположите клапана в позиции, показанных ниже, так чтобы
реагенты вошли напрямую ТОЛЬКО в реактор 1 и продолжили движение в
бак проходя сквозь кондукционную сетку.
Позиционирование клапанов.
3-ходовые клапана имеют следующие индикаторы направления,
которые указывают различные возможные направления потоков
В следующей диаграмме мы отмечаем индикатор направления, в
которой мы должны оперировать:
♦ Коллектор 1, клапан V-1 открыт, клапана V2 и V3 закрыты.
♦ Коллектор 2, клапан V-4 открыт, клапана V5 и V6 закрыты
14
В этом случае, оба реагента войдут только в Реактор-1.
♦ Клапан VT-1 должен быть в позиции, указанной на рисунке, с потоком
продукта, идущим только в коллектор-3.
♦ Клапан V-7 должен быть закрыт.
8. Как только клапана установлены в вышеуказанных позициях, расположите
3-ходовые клапана базового модуля в позицию «рециркуляции».
9. Настройте насосы реагентов в желаемую позицию, мануально, и включите
клапана (уже подготовленных для использования).
10. Проверьте, что клапана расходомеров открыты
11. Включите насосы с помощью программы оборудования.
12. Если мячик, измеряющий поток сильно свисает за пределы шкалы,
скорректируйте поток с помощью потока расходомера.
13. Как только поток стабилизируется, поверните 3-ходовый клапан базового
модуля в сторону реактора, и реагенты пойдут в направлении реактора 1.
14. Примите во внимание различные значения проводимости в таблице,
полученные в момент, когда продукт достигает коллектора кондукционной
клетки.
15. Выключите систему.
Результаты и Таблицы.
Когда вы приняли в учет полученные значения, сделайте требуемые
вычисления для того, чтобы получить значения временной эволюции
конверсии.
№ 9. Тема: «Теории двойного электрического слоя»
Цель занятия:
Ознакомление с моделями двойного электрического слоя.
Содержание занятия:
1.Мембранное равновесие и мембранный потенциал.
2.Диффузионный потенциал.
3. Теория строения двойного электрического слоя Гельмгольца.
4.Теория строения двойного электрического слоя Гуи-Чапмена.
5. Теория Штерна строения двойного электрического слоя.
6. Современные представления о строении двойного электрического слоя.
Контрольные вопросы:
1. Образование ДЭС.
2. Заряд и емкость двойного электрического слоя.
3. Связь между ёмкостью ДЭС и поверхностным натяжением.
4. Толщина диффузного слоя. Её зависимость от концентрации,
распределение потенциала в диффузном слое.
15
№ 10. Тема: Электрохимические свойства окислительно –
восстановительных систем
Цель работы
Провести
наблюдения
за
электрохимическими
свойствами
окислительно-восстановительных систем
Реактивы и приборы: 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 КМпО 4 а в другое — 10 % -ный раствор FeS04
или SnCl 2 . 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
16
(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:
№1
Раствор внутри
трубки
6Н HCl
№2
№3
6Н HCl
6Н HCl
Раствор в левом
фильтре
0,0002М КMnO4,
подкисленный H2SO4
1Н KI + крахмал
KI подкисленный
№4
6Н HCl
Раствор I2
Раствор в правом
фильтре
SnCl2, 10% -ый
раствор
HNO3 разбавленный
K2Cr2O7
подкисленный
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++ 10ёа 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)
17
№ 11. Тема: «Неравновесные электродные процессы»
Цель занятия:
Ознакомление с теориями перенапряжения.
Содержание занятия:
1. Перенапряжение. Виды перенапряжений.
2. Понятие о диффузионном перенапряжении.
3. Теории диффузионного перенапряжения.
4. Общая характеристика реакционного (химического перенапряжения).
5. Перенапряжение при выделении кислорода.
Контрольные вопросы:
1. Предельный диффузионный ток iд. Факторы, влияющие на величину iд.
2. Уравнение Тафеля. Константы «а» и «в», определение из
поляризационных измерений.
3. При выделении хлора из раствора поваренной соли при 40оС были
получены следующие данные:
I,
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,8
1,0
А/см2
Е, В
1,45
1,5
1,53
1,56
1,57
1,62
1,64
Проверить, подчиняется ли поляризация электрода при выделении
хлора уравнению Тафеля; если подчиняется, найти коэффициенты в
уравнении. Принять, что парциальная упругость хлора равна 1 атм,
активность ионов С1- 1 г- ион/л.
4. Уравнение
диффузионного
перенапряжения
при
постоянном
миграционном переносе. Влияние миграции тока в растворе бинарного
электролита.
№
12.
Тема:
Окислительно-восстановительные
реакции,
протекающие в гальванических элементах
Цель работы
Наблюдение за
окислительно-восстановительными реакциями
протекающими в гальванических элементах.
Реактивы и оборудования: 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.
18
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
εAg
εCu
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) + 2ёВ 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 19
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 H 2 S.
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.
20