40

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Черкаський національний університет

імені Богдана Хмельницького

ННІ природничих наук

Кафедра хімії

Сухомудренко Юлія Віталіївна

Кінетика електрохімічного процесу відновлення ацетонітрилу на нікелевих електродах

Дипломна робота

зі спеціальності 7. 04010101–Хімія

Науковий керівник

кандидат хімічних наук

доц. Шевченко О.П.

Черкаси 2014

ЗМІСТ

ВСТУП	3
РОЗДІЛ 1
ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД	4
1.1.Електрохімічне відновлення азотовмісних органічних сполук	4
1.2.Електрохімічні методи дослідження	5
РОЗДІЛ 2
МЕТОДИЧНА ЧАСТИНА	17
2.1.Методика експерименту	17
2.2.Характеристика вихідних речовин та електродів	19
РОЗДІЛ 3
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА	22
3.1.Вольтамперометричні дослідження електрохімічного процесу відновлення ацетонітрилу на нікелевому електроді РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ ПРИ ВИКОНАННІ ДИПЛОМНОЇ РОБОТИ 4.1 Теоретична частина 4.2 Робота приладами та ПК 4.3 Електробезпека 4.4 Пожежобезпека 4.5 Розрахунок освітленості та повітрообміну в робочій лабораторії	22
ВИСНОВКИ	31
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ	32

ВСТУП

Електрохімія органічних сполук відноситься до галузей науки, що інтенсивно розвиваються. Цікавість до неї підвищується внаслідок того, що електрохімічний спосіб має цілий ряд переваг над іншими методами добування органічних сполук.

Актуальність теми. Електрохімічний метод синтезу дозволяє проводити процес з високою селективністю, з утворенням однієї основної речовини. Перевага електрохімічних методів синтезу полягає в можливості добування продуктів високої чистоти, вони дозволяють відмовитись від використання звичайних хімічних окисників і відновників. Це не лише підвищує якість продуктів реакції, але й приводить до значного економічного ефекту. З цієї точки зору вивчення кінетики електровідновлення органічних нітрилів є актуальним.

Мета роботи. Дослідити методами лінійної та циклічної вольтамперометрії електрохімічний процес відновлення ацетонітрилу на електродах із спеціально обробленою поверхнею.

Досягнення мети включає розв’язання таких задач:

1) Одержання лінійних та циклічних вольтамперограм із розчинів ацетонітрилу різної концентрації на фоні літій перхлорату;

2) Вивчення залежності електрохімічних параметрів (потенціали, струми відновлення) від концентрації деполяризатора в розчину, швидкості розгортки потенціалу;

3) Експериментально одержати кінетичні параметри процесу відновлення ацетонітрилу на електродах, із спеціально обробленою поверхнею.

4) Провести розрахунки основних термодинамічних констант для електрохімічного процесу відновлення ацетонітрилу.

Наукова новизна. На основі отриманих результатів показано, що у кислому середовищі електрохімічний процес відновлення ацетонітрилу відбувається необоротно, з адсорбованого стану, максимум катодного струму спостерігається в інтервалі -0,7 − -0,75 В. Встановлено що інтенсивність розряду на наноструктурованому електроді була вищою в 7 разів по відношенню до гладкого електроду.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлений взаємозв’язок між електрохімічними властивостями ацетонітрилу та їх будовою, та природою електродів може бути застосований для моделювання окисно-відновних процесів, які відбуваються за його участі. Визначені кінетичні параметри процесів електровідновлення, потенціали розряду можуть бути відповідною базою для проведення розрахункових експериментів методами квантової хімії.

Обсяг та структура роботи. Випускна робота складається із вступу, трьох розділів, висновків та списку використаної літератури (20 найменувань). Випускна робота викладена на 32 сторінках друкованого тексту, містить 1 таблицю та 6 рисунків.

Розділ 1

ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

Електрохімічне відновлення азотовмісних органічних сполук

Реакційна здатність нітросполук обумовлена наявністю нітрогрупи, яка має внаслідок зміщення електронів до кисневого атома, значний дипольний момент. Азот нітрогрупи несе частковий позитивний заряд, що і обумовлює легкість ії електровідновлення. В ароматичних і аліфатичних сполуках нітрогрупа відновлюється на металах як з високою так і з низькою перенапругою водню. Відновлення на металах з високою перенапругою проходить переважно по електронному механизму, а на металах з низькою перенапругою - під дією атомарного водню [2]. Відновлення нітросполук до відповідних амінів проходить за участю шести електронів; загальний процес можна розбити на окремі двухелектронні стадії з утворенням нітросполук і гідроксиламінів в якості проміжних сполук [3].

Аліфатичні первинні та вторинні нітросполуки відновлюються полярографічно в кислих розчинах з утворенням однієї хвилі, яка відповідає переходу чотирьох електронів [1]. Цей процес приводить до утворення алкілгідроксиламіна. При більш високих рН з'являється друга двухелектронна хвиля, яка відповідає відновленню алкілгідроксиламіна до алкіламіна, і нарешті, в сильно лужних розчинах утворюється ациформа яка відновлюється дуже важко.

Легкість з якою відновлюється активна група, що входить до складу органічної сполуки залежить від природи замісників, що вводяться в вихідну молекулу. При введенні в молекулу електронегативних замісників, процес відновлення проходить з меншою поляризацією, електропозитивних з більшою. На хід відновлення впливає не лише характер замісника, а і його положення в молекулі, що відновлюється. Так, найбільше зміщення потенціалу відновлення нітросполук в позитивну сторону спостерігається при введенні замісників в орто-положення [2].

На протікання процесу електровідновлення впливає також зміна потенціалу електрода при електролізі. При зміщенні потенціалу катода в негативну сторону досягається значення, при якому можливий процес відновлення електрохімічно активних речовин. Якщо значення потенціалу стає ще більш негативним то швидкість реакції збільшується до деякої межі. При достатньо негативних потенціалах швидкість процесу відновлення зменшується, і густина струму, що йому відповідає, - спадає .

Як аліфатичні так і ароматичні нітрили електрохімічно відновлюються до відповідних амінів. Даний процес можливо подати наступним загальним рівнянням: RC ≡ N + 4H⁺ + 4ē = RCH₂−NH₂

Аліфатичні насичені нітрили не відновлюються на металах із високою перенапругою. До ефективних електродних матеріалів можна віднести губчастий паладій, мідь, нікель. Про те активність губчастих електродів досить швидко знижується при проведенні електролізу. Ароматичні нітрили, окрім металів з низьким значенням перенапруги, відновлюються також на свинці, який володіє високою перенапругою. На свинці відновлюються лише ті нітрили в яких нітрильна група безпосередньо зв’язана з бензольним кільцем. На гладких катодах із міді та нікелю нітрили відновлюються з низьким виходом. Підвищення концентрації нітрилу в розчині позитивно впливає на підвищення швидкості електровідновлення. З цією метою рекомендують використовувати змішані водно-спиртові розчини.