37 Реакції обміну між розчинами електролітів. Йонні рівняння

Велика кількість хімічних реакцій проходить у розчинах. У таких реакціях обміну найчастіше беруть участь солі, кислоти, основи. Але чимало солей, кислот й основ у розчинах дисоціюють на йони, отже реакції в розчинах відбуваються не між молекулами, а між йонами. Такі реакції називають йонними.

Якщо хімічні реакції у водних розчинах електролітів відбуваються за участю йонів, то і хімічні рівняння, які відображають йонні реакції, слід записувати не лише в молекулярній, а й у йонній формі. Такі рівняння називають йонними рівняннями.

Для складання йонних рівнянь спочатку записують молекулярне рівняння реакції, наприклад:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O.

У другому рядку записуємо йонне рівняння. Для цього формули сильних електролітів потрібно записати в йонній формі. Для визначення сили електролітів можна користуватися таблицею розчинності, пам’ятаючи, що до сильних електролітів належать розчинні сполуки. Їхні формули записуємо в йонній формі. Вода є неелектролітом, тому її записуємо в молекулярній формі:

Na⁺ + OH^- + H⁺ + Cl^- = Na⁺ + Cl^- + H₂O.

Таке рівняння називаєтьсяповним йонним рівнянням.

У лівій і правій частинах йонного рівняння є однакові йони Na⁺(натрій-плюс) і Cl^– (хлор-мінус). Ці йони можна видалити з лівої та правої частин йонного рівняння, оскільки вони не беруть участі в реакції. Скорочуємо в лівій і правій частинах рівняння катіони Натрію та аніони Хлору — й одержуємо скорочене йонне рівняння. У ньому записані тільки ті частинки, які реально взаємодіють у розчині:

OH^- + H⁺ = H₂O.

Реакції обміну в розчинах електролітів відбуватимуться до кінця, якщо один із продуктів реакції є неелектролітом. У цьому разі відбувається сполучення йонів, що утворюють неелектроліт, і вони виходять із сфери реакції. Це можливо, якщо в результаті реакції:

1)     утворюється нерозчинна речовина (випадає осад),

2)     виділяється газ,

3)     утворюється вода або інший слабкий електроліт (Н₂S, Н₂СО₃, Н₂SО₃).

Якщо виконується хоча б одна з цих умов, реакція відбувається до кінця і є незворотною. Якщо ж ці умови не виконуються, то при змішуванні розчинів утворюється суміш йонів і реакція є зворотною.

Для прогнозування можливості перебігу реакцій йонного обміну в розчинах електролітів слід використовувати таблицю розчинності.

Напрям зміщення йонних рівноваг. При введенні в розчин слабкого електроліту однойменних йонів зменшує ступінь дисоціації цього електролізу. І, навпаки, зменшення концентрації одного з йонів спричиняє дисоціацію нової кількості молекул.

38 Гідроліз солей

Гідроліз солей- різновид реакцій гідролізу, обумовленого протіканням реакцій іонного обміну в розчинах (переважно, водних) розчинних солей-електролітів. Рушійною силою процесу є взаємодія іонів з водою, що приводить до утворення слабкого електроліту в іонному або (рідше) молекулярному вигляді («зв'язування іонів»).

Розрізняють оборотний і необоротний гідроліз солей :

• 1. Гідроліз солі слабкої кислоти і сильної основи (гідроліз за аніоном):

CO2−3+H₂O=HCO−3+OH⁻

Na₂CO₃+Н₂О=NaHCO₃+NaOH

(Розчин має слаболужну середу, реакція протікає оборотно, гідроліз по другому щаблі протікає в незначній мірі)

• 2. Гідроліз солі сильної кислоти і слабкої основи (гідроліз за катіоном):

Cu²⁺+Н₂О=CuOH⁺+Н⁺

CuCl₂+Н₂О=CuOHCl+HCl

(Розчин має слабокислую середу, реакція протікає оборотно, гідроліз по другому щаблі протікає в незначній мірі)

• 3. Гідроліз солі слабкої кислоти і слабкої основи:

2Al³⁺+3S²⁻+6Н₂О=2Al(OH)₃(осад)+3H₂S(газ)

Al₂S₃+6H₂O=2Al(OH)₃+3H₂S

(Рівновага зміщена в бік продуктів, гідроліз протікає практично повністю, тому що обидва продукти реакції йдуть із зони реакції у вигляді осаду чи газу).

Сіль сильної кислоти і сильної основи не піддається гідролізу, і розчин нейтральний.

Чим сильніша концентрація розчину для процесу гідролізу солей тим реакція буде слабкою, або чим слабша концентрація розчину для процесу гідролізу солей то реакція буде більш насиченою.

Ступінь гідролізу солі збільшується з підвищенням температури та розбавленням розчину.

39 Диспе́рсна систе́ма - гетерогенна система з двох або більше фаз з сильно розвиненою поверхнею розділу між ними.

Фази дисперсної системи не змішуються між собою і не реагують — тому між ними існує поверхня розділу цих фаз. Одна фаза (дисперсна фаза) розподілена в іншій (дисперсійне середовище). Фази можна розділити між собою фізичними способами: коагуляція, пептизація та ін.

Як правило, дисперсна система — це колоїдний розчин або розчини високомолекулярних сполук (ВМС).

Одна з фаз утворює неперервне дисперсійне середовище (рідина, газ, тверде тіло), в об'ємі якого розподілена (розосереджена) дисперсна фаза у вигляді дрібних твердих частинок, крапель рідини або бульбашок газу.

Дисперсна система з частинками крупнішими 10^-4 см називають грубодисперсними, з частинками менших розмірів — високодисперсними або колоїдними.

Системи з газовим дисперсійним середовищем — аерозолі та аерогелі; з рідким — золі, емульсії, суспензії, піни; з твердим — системи типу рубінового скла, опалу, піноматеріали.

Дисперсні системи можуть бути структурованими, якщо між частинками виникають контакти.

За дисперсністю (подрібненістю) Д.с. розділяють на колоїдно-дисперсні або ультрамікрогетерогенні (а=10^–9–10^–7 м),мікрогетерогенні (а=10^–7–10^–4 м), грубодисперсні (а>10^–4 м), де а — поперечний розмір частинок дисперсної фази, що визначається величиною діаметра d для сферичних частинок або довжиною ребра l — для кубічних частинок. Характеристиками дисперсності є також ступінь дисперсності D — величина, обернена поперечному розміру частинок м^–1, і питома поверхня S_пит. Питому поверхню обчислюють як відношення міжфазної поверхні S до об’єму дисперсної фази V: S_пит=S/V, м^–1.

Розміри питомої поверхні та ступеня дисперсності збігаються, що вказує на їх прямо пропорційну залежність S_пит=KD=K, де K — кое­фіцієнт пропорційності, який залежить від форми частинок. Усі три характеристики пов’язані між собою: зі зменшенням розмірів частинок збільшується ступінь дисперсності та питома поверхня. Дисперсність впливає на усі основні характеристики Д.с.: оптичні, кінетичні, каталітичні тощо.

Класифікація за дисперсністю

Дисперсність визначають як величину, зворотну розміру частинки:

   (1)

де а — діаметр сферичної частинки, або довжина ребра частинки із формою куба. Розмірність D: [D] = м^-1.

Для характеристики ступеня роздрібненості використовують також величину питомої поверхні S_пит. Її знаходять як відношення поверхні частинки S до її об'єму V або маси m: S_пит ⁼ S/V або S_пит = S/m. У першому випадку питому поверхню вимірюють у м^-1, в другому — у м²/кг. Отже, питома поверхня — це сумарна поверхня всіх частинок, загальний об'єм яких складає 1 м³, або загальна маса — 1 кг.

Дисперсні системи розділяють колоїдно-дисперсні або ультрамікрогетерогенні (а = 10^-9 – 10^-7 м, мікрогетерогенні (10^-7 – 10^-4 м), грубодисперсні (с >10^-4 м).

Частинки колоїдно-дисперсних сисісм (золів) проходять через звичайні фільтри, але затрпмуюіься ультрафільтрами колодій, целофан, пергамент); практично не осідають, їх не можна бачити у оптичний мікроскоп, але можна виявити за допомогою ультрамікроскопа.

Частинки мікрогетерогенних та груоодисперсних систем не проходять через тонкі паперові фільтри, відносно швидко осідають (або спливають), їх можна побачити у звичайний мікроскоп.

Класифікація за агрегатним станом

Всі дисперсні системи можна розділити на дев'ять типів в залежності від агрегатного стану дисперсної фази і дисперсійного середовища .

Система газ—газ гомогенна, але флуктуації густини, що виникають при тепловому русі молекул, незважаючи на короткий час життя, є гетерогенними утвореннями з властивостями дисперсної фази. Тому газові суміші можуть виявляти окремі властивості дисперсних систем. Золі з газовим дисперсійним середовищем мають назву аерозолі, з рідким — ліозолі. В свою чергу ліозолі розділяють на гідрозолі та органозолі відповідно з водним і неводним дисперсійним середовищем.

Класифікація за структурою

За цією ознакою дисперсні системи розділяють на дна класи: вільнодисперсні і зв'язнодисперсні.

До вільнодисперсних належать структурні системи (суспензії, емульсії, золі), в яких частинки дисперсної фази не пов'язані в одну суцільну сітку і здатні легко переміщуватися в дисперсному середовищі під впливом броунівського руху або сили тяжіння. Залежно від агрегатного стану вільнодисперсні системи класифікують на: золі з газоподібним дисперсним середовищем - аерозолі та з рідким дисперсним середовищем - ліозолі. Залежно від природи середовища ліозолі поділяють на гідрозолі - середовищем є вода, та органозолі - середовищем є органічний розчинник.

У зв'язнодисперсних гемах частинки утворюють просторову структуру, тому вони не суть вільно переміщуватися. До таких систем належать гелі, капілярно-пористі тіла або діафрагми, мембрани, драглі.

Класифікація за міжфазною взаємодією

Взаємодія між дисперсною фазою і дисперсійним середовищем відбувається завжди, але не в однаковій мірі для різних систем. Існують дисперсні системи, для яких характерна сильна міжмолекулярна : взаємомодія фази з середовищем. Такі системи називають ліофільними грецьк. lyo — розчиняю і phileo — люблю). Сухий залишок вільної системи здатний спонтанно диспергувати в дисперсійному їдовищі. До таких систем належать, наприклад, дисперсії деяких к і поверхнево-активних речовин.

Якщо дисперсна фаза слабо взаємодіє з середовищем, то систему називають ліофобною (від грецьк. phobos — страх). В таких системах самодовільного диспергування не відбувається. До них належать золі металів, галогенідів срібла, сульфіду миш'яку, тобто типові колоїдні розчини з яскраво вираженою гетерогенністю і високою дисперсністю.

40

Міцели – це окремі частинки, які утворюють дисперсну фазу золя. Йони, адсорбовані ядром, називають потенціал визначаючими, тому що вони визначають заряд колоїдних частинок. Ядро колоїдної частинки з адсорбованими потенціал визначаючими йонами притягає до себе з середовища йони протилежного заряду.

41 Взаємодії й з'єднанню колоїдних частинок заважають водні плівки, які утримуються на поверхні частинок і якими покриті катіони. За кількістю води, яка утримується колоїдами, вони поділяються на гідрофільні й гідрофобні. Гідрофільні колоїди дуже гідратовані і важче коагулюють. До них належать деякі органічні речовини, які зустрічаються у грунтах, мінерали монтморилонітової групи. Гідрофобні колоїди вміщують невелику кількість води. Це гідроксид заліза, мінерали каолінітової групи. Поділ колоїдів на гідрофільні й гідрофобні трохи умовний, тому що при подрібненні твердих частинок (колоїдних) ступінь гідратації їх збільшується.  Фізичний стан колоїдів залежить також від складу поглинутих катіонів. Чим більша валентність поглинутих іонів, більший їх заряд, тим меншою буде дисоціація їх колоїдних частинок, меншим електрокінетичний потенціал, тим скоріше йде процес коагуляції. 

Гелі - драглеподібні дисперсні системи, з просторовою структурою, в якій дисперсна фаза утворює ґраткову порувату просторову структуру, заповнену рідким дисперсійним середовищем. Виникнення в об'ємі рідини такої просторової сітки зумовлюється: в колоїдних системах зчепленням частинок дисперсної фази, в розчинах полімерів — хімічним зшиванням лінійних макромолекул, тривимірною полімеризацією або поліконденсацією. Це надає гелям досить малої граничної напруги зсуву, механічних властивостей твердих тіл. Гелям властиві пластичність і еластичність, а також тиксотропні властивості. Гелі утворюються при коагуляції золів.

Гелі - колоїдні осади, що виходять при їх злипанні і затвердінні (коагуляції)

Залежно від типу розчинника (дисперсійного середовища) розрізняють:

• гідрогелі,

• алкогелі,

• бензогелі тощо.

Тиксотро́пія - здатність деяких структурованих дисперсних систем мимоволі відновлювати зруйновану механічною дією початкову структуру. Тиксотропія виявляється в розрідженні при достатньо інтенсивному струшуванні або перемішуванні гелів, паст, суспензій та ін. систем з коагуляційною дисперсною структурою та їх загущенні (твердінні) після припинення механічної дії.

Оптичні методи аналізу. Класифікація оптичних методів аналізу за типом взаємодії речовин з електромагнітним випромінюванням. Електромагнітний спектр. Спектри поглинання та випромінювання. Фотоелектроколориметрія Поглинання світла розчинами. Закон світлопоглинання Бугера-Ламберта-Бера. Оптична густина розчину. Молярний коефіцієнт світлопоглинання. Методи вимірювання поглинання світла. Монохроматичне випромінювання. Світлофільтри. Правила роботи на фотоколориметрі. Вибір кювет та світлофільтрів. Метод калібрувального графіка. Візуальна колориметрія. Суть колориметричного методу. Метод стандартних серій. Метод вирівнювання. Метод розбавляння. Схеми колориметричних приладів.

Дисперсні системи застосовують у будівництві (бетон), сплави, кольорове скло, ряд мінералів, грунт, піни, порошки, концентровані емульсії і суспензії (пасти).

42 Електрод (від електро- та грецького hodos — шлях), (рос.электрод, англ. electrode, нім. Elektrode f) — конструктивний елемент електронного, йонного чи електротехнічного приладу чи технологічної установки, який є провідником певної форми, що з'єднує відрізок електричного кола, який знаходиться в робочому середовищі (вакуум, газ, напівпровідник, рідина), з іншою частиною цього кола, яка утворюється дротами.

Електрод електронного приладу (електронної лампи, електроннопроменевого приладу, напівпровідникового приладу тощо) зазвичай виготовляють у вигляді пластинки, сітки, циліндра тощо. Електрод виконує різноманітні функції, наприклад, такі електроди, як катод, фотокатод, використовуються як джерела електронів; сітки (керуючі, екрануючі, антидінатронні) та електроди електронних гармат використовуються для створення всередині приладу електричних полів які керують рухом електронів і йонів в робочому середовищі; анод виконує роль колектора електронів.

Електродом підводять електричний струм до рідини і газів тощо, напр. полюси (анод, катод) гальванічних елементів або акумуляторів.

Електрод - це металевий або неметалевий стрижень, призначений для підведення струму до зварювальної дуги. ( у зварюванні)

Електродний потенціал — різниця електричних потенціалів між електродом та електролітом, в контакті з яким він знаходиться (найчастіше всього між металом і розчином електроліту).

Якщо пластинку будь-якого металу, наприклад, цинку занурити у воду, то іони цинку, що утворюють кристалічну решітку металу, під дією полярних молекул води гідратуються, зв'язок їх з решіткою послаблюється, і деяка їх кількість, відриваючись від металу, перейде у воду, а на металі залишиться еквівалентна кількість електронів:

Zn = Zn²⁺ + 2e^-

Між катіонами металу, що перейшли у воду, і негативно зарядженою пластинкою виникає електростатичне притягання, яке зумовлює зворотний процес — перехід іонів металу на пластинку; в системі встановлюється хімічна рівновага.

Іони цинку переходять із пластинки в розчин і осідають з розчину на пластинці з однаковою швидкістю. На межі між металом і розчином утворюється подвійний електричний шар і виникає стрибок потенціалу. Чим міцніше кристалічна решітка металу, тим важче іону металу перейти у розчин. Чим більша величина теплоти гідратації, тим легше іонам перейти у розчин. Отже, при зіткненні металу з водою його йони перебувають під дією двох конкуруючих сил.

Якщо рідина — вода, то для всіх металів в якісному відношенні картина буде однозначною : метал заряджається негативно, шар рідини, що прилягає до нього, позитивно. Інша картина спостерігається у випадку, якщо металеву пластинку занурити в розчин солі цього металу. Якщо метал неактивний, то буде переважати процес осадження іонів з розчину, І пластинка такого металу набуває позитивного заряду.

Отже при зануренні металевої пластинки у розчин власної солі на місці зіткнення металу з розчином виникає стрибок потенціалу, величина і знак якого залежать від хімічної природи металу та від активності його йонів у розчині.

Провідник (метал), занурений у розчин електроліту, називається електродом.

Різниця потенціалів (стрибок потенціалу), що виникає на межі поділу електрод — розчин, називається електродним потенціалом.

Величину електродного потенціалу можна розрахувати за рівнянням Нернста:

Для Т=298 К :

Гальвані́чний елеме́нт — джерело живлення, в якому використовується різниця електродних потенціалів двох металів, занурених уелектроліт.

Найпростішим гальванічним елементом є елемент Вольта, в якому використовуються цинковий і мідний електроди, занурені в розчин сірчаної кислоти. Кожен із електродів зокрема разом із електролітом, в який він занурений, утворює напівелемент.

На поверхні кожного з металів, занурених в електроліт, виникає подвійний електричний шар внаслідок переходу частини атомів металу в розчин у вигляді йонів. Як наслідок, кожен із металів отримує електричний заряд. Якщо з'єднати електроди провідником, то заряд стікатиме від електрода з більшим потенціалом, до електрода з меншим потенціалом, утворюючи електричний струм. При цьому потенціали електродів вирівнюватимуться, що призведе до порушення рівноваги між електродом і електролітом. Це, в свою чергу, викликає перехід нових атомів із електроду в електроліт. В результаті взамкненому колі підтримується електричний струм, який супроводжується розчиненням електродів.

Шкала стандартних електродних потенціалів.

Li – (-3,045); Rb – (-2,925); K – (-2,924); Cs – (-2,923); Ca – (-2,866); Na – (-2,714); Mg – (-2,363);

Al – (-1,663); Ti – (-1,630), Mn – (-1,179); Cr – (-0,913); Zn – (-0, 763); Cr – (-0,744); Fe – (-0,440); Cd – (-0,403); Co – (-0,277); Ni – (-0,250); Sn – (-0,136); Pb – (-0,126); Fe – (-0,037); 2H – 0; Bl – (0,215); Cu – (0,337); Cu – (0,520); Hg2 – 0,789;

Ag – 0,799; Hg – 0,850; Pt – 1,188; Au – 1,498; Au – 1,692.

43 Коро́зія металів — процес хімічного руйнування металів і сплавів при їх взаємодії з зовнішнім середовищем: повітрям, водою, розчинами електролітів тощо. Розрізняють два види корозії: хімічну і електрохімічну.

Хімічна корозія відбувається в середовищах, які не проводять електричного струму. Вона обумовлюється дією на метали неелектролітів (спирту, бензину, мінеральних масел тощо) і сухих газів (кисню, оксидів азоту, хлору, хлороводню, сірководню і ін.) при високій температурі (так звана газова корозія).

У результаті взаємодії металів із зовнішнім середовищем їх поверхня вкривається тонким шаром (плівкою) різних хімічних сполук (продуктів корозії): оксидів, хлоридів, сульфідів і т. д. Інколи цей шар такий щільний, що крізь нього не може проникати агресивне середовище. В таких випадках з часом швидкість корозії зменшується, а то й зовсім припиняється. Наприклад, алюміній в атмосфері повітря кородує значно повільніше від заліза, хоч за своїми хімічними властивостями він активніший від заліза. Це пояснюється тим, що поверхня алюмінію вкривається суцільною, досить щільною і міцною оксидною плівкою, яка ізолює метал від доступу кисню, а оксидна плівка заліза, навпаки, є крихкою і ламкою, містить багато пор і тріщин, через що кисень повітря крізь неї легко проникає до поверхні заліза, і тим обумовлюється безперервне його руйнування.

Електрохімічна корозія більш поширена і завдає значно більшої шкоди, ніж хімічна. Вона виникає при контакті двох металів у середовищі водних розчинів електролітів. На відміну від хімічної електрохімічна корозія супроводжується переміщенням валентних електронів з одної ділянки металу на іншу, тобто виникненням місцевих електричних струмів внаслідок утворення на кородуючій поверхні так званих гальванічних пар.

Для кращого розуміння механізму електрохімічної корозії розглянемо докладніше процес розчинення металу в розчині електроліту з виділенням водню, наприклад розчинення цинкової пластинки в розведеній сульфатній кислоті без контакту і в контакті з мідною пластинкою.

Атмосферна корозія відбувається у вологому середовищі при звичайній температурі. Це зумовлено тим, що в атмосферному повітрі поверхня металу вкрита плівкою вологи з розчиненими в ній газами O2, H2, CO2, SO2 та пилоподібними речовинами. Утворюється середовище, яке проводить електричний струм. Атмосферна корозія збільшується з підвищенням вологості повітря і шорсткості поверхні металу. Грунтової корозії зазнають газо-, водо- та нафтопроводи, різні металеві конструкції. Особливо корозійно-активні грунти з високою вологістю, кислотністю й електричною провідністю.

нколи металеві вироби вкривають захисним шаром менш активного металу. Прикладом цього може служити біла жерсть, з якої виробляють консервні банки. Її одержують зануренням на короткий час залізних листів у розплавлене олово. Оловодуже добре захищає залізо доти, поки його шар суцільний. Але коли захисний шар пошкоджується і залізо приходить у дотик з агресивним середовищем, воно з оловом утворює гальванічну пару і залізо як активніший метал піддається корозійному руйнуванню. При цьому залізо кородує значно скоріше, ніж у тому випадку, коли воно не вкрите шаром олова.

Досить поширеним є гальванічний спосіб покриття одного металу іншим (шляхом електролізу). Цим способом покривають нікелем (нікелювання), хромом (хромування), міддю (міднення), сріблом (сріблення), золотом (золочення) і іншими металами. Гальванічним способом можна наносити дуже тонкий і рівномірний шар захищаючого металу. Гальванічні покриття не тільки захищають металічні вироби від корозії, а й надають їм гарного зовнішнього вигляду.

44 Електро́ліз – розклад речовин (напр., води, розчинів кислот, лугів, розчинених або розплавлених солей тощо) постійним електричним струмом.

Електроліз полягає в електрохімічних процесах окиснення та відновлення на електродах. При електролізі позитивно заряджені йони (катіони) рухаються до катода, на якому електрохімічно відновлюються. Негативно заряджені йони (аніони) рухаються до анода, де електрохімічно окиснюються. В результаті електролізу на електродах виділяються речовини в кількостях, пропорційних кількості пропущеного струму. Електроліз застосовується для одержання багатьох речовин (металів, водню, хлору та ін.), при гальваностегії (нанесенні металічних покриттів), гальванопластиці (відтворенні форми предметів), а також у хімічному аналізі (полярографія).

Закони Фарадея(рос. законы Фарадея; англ. Faraday's laws of electrolysis; нім. Faradaysches Gesetze n pl) – основні закони електролізу. Встановлюють взаємозв’язок між кількістю електрики, яка проходить через електропровідний розчин (електроліт), і кількістю речовини, яка виділяється на електродах.

Перший закон: маса m речовини, яка виділилась на електроді під час проходження електричного струму, прямо-пропорційна значенню q електричного заряду, пропущеного черезелектроліт,

,

де k – електрохімічний еквівалент речовини, m - маса речовини, q - заряд .

Другий закон: електрохімічні еквіваленти елементів прямо-пропорційні їх хімічним еквівалентам.

,

де A - атомна маса речовини,   - заряд її йона, F - число Фарадея. Частка A/ν називається хімічним еквівалентом.

45 Вода (оксид водню) - хімічна речовина у вигляді прозорої рідини, що не має кольору(у малому об'ємі), запаху і смаку(за стандартних умов). Хімічна формула: Н2O. У твердому стані називається льодом, снігом або інеєм, а в газоподібному - водяною парою. Близько 71 %% поверхні Землі покрита водою(океани, моря, озера, річки, льоди).

Є хорошим сильнополярным розчинником. У природних умовах завжди містить розчинені речовини(солі, гази).

Вода має ключове значення в створенні і підтримці життя на Землі, в хімічній будові живих організмів, у формуванні клімату і погоди. Є найважливішою речовиною для усіх живих істот на планеті Земля.