Лабораторная работа
Тема: построение диаграммы Пурбе и анализ форм состояния элементов в воде
Цель работы: рассчитать величины Еок/восст полуреакций при различных значениях рН, построить и проанализировать диаграмму Пурбе.
Теоретическое введение
Величина окислительно – восстановительного потенциала в природных водах отражает равновесное состояние всех, находящихся в данной воде систем. содержащих элементы с переменной валентностью. Поэтому величина Еок/восст служит наиболее общим показателем окислительно – восстановительного режима вод и отражает условия их формирования (так, восходящие минеральные воды характеризуются обычно восстановительным состоянием, а в зоне выветривания происходят окислительные процессы).
Диаграммы Пурбе строятся в координатах E (ордината) — pH (абсцисса) на основании уравнения Нернста и стандартных окислительно-восстановительных потенциалов (прил. 3).
Она отражает формы, которые термодинамически устойчивы при данном значении рН и окислительно-восстановительного потенциала среды. При меньшем потенциале соответствующая форма может быть восстановлена до нижележащей (если таковая существует), при более высоком — окислена до вышележащей (если таковая существует). Границы между формами существования раствор - твёрдое или раствор - газ обычно зависят от концентрации растворенных форм; границы между формами существования растворённых форм от их концентрации, как правило, не зависят.
Часто на диаграмму Пурбе наносят границы области существования воды. Верхняя из них (E=1.23 - 0.059pH) соответствует выделению кислорода ; нижняя граница (E=-0.059pH) соответствует выделению водорода (см. табл.1, рис. 2). Для нейтральной среды любая частица – окислитель, потенциал которой больше, чем +0,81 В, подвергается восстановлению водой, любая частица – восстановитель, потенциал которой меньше, чем -0,42 В должна водой окисляться (в реальных процессах проявляется влияние кинетического фактора, поэтому окислители и восстановители у которых потенциалы несколько выходят за указанные границы в водных растворах могут существовать достаточно долго).При построении диаграммы Е – рН следует учитывать термодинамическую устойчивость частиц (молекул, ионов) к диспропорционированию и участию в кислотно – основных и других равновесиях.
При выполнении работы необходимо:
— используя табличные значения стандартных электрохимических потенциалов компонентов реакции (прил. 2) или таблицы стандартных термодинамических функций, рассчитать стандартные потенциалы выделенных полуреакций, используя уравнения: Go = nFEo, где n - число электронов, участвующих в окислительно - восстановительной реакции и уравнение баланса: rG = ifGоox - ifGоred , где i – количества веществ, участвующих в реакции; fGоox и fGоred – стандартные энергии Гиббса образования окисленных и восстановленных форм; Go = -RTlnK, где К – константа равновесия гомогенных или гетерогенных систем.
— рассчитать величины Еок/восст полуреакций при различных значениях рН, приняв концентрации компонентов в растворе постоянными;
— занести полученные данные в таблицу:
рН |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Е1ок/восст |
|
|
|
|
|
|
|
Е2ок/восст |
|
|
|
|
|
|
|
рН |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
Е1ок/восст |
|
|
|
|
|
|
|
Е2ок/восст |
|
|
|
|
|
|
|
— построить диаграмму Е – рН, разметить поля преобладания окисленных и восстановленных форм;
— сделать анализ полученных результатов.
Варианты заданий:
вариант |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
система |
Fe –H2O |
Mn –H2O |
Zn –H2O |
Cr –H2O |
Hg–H2O |
Se –H2O |
S - H2O |
Cl - H2O |
N - H2O |
Приложение 1
Диаграмма Пурбе для системы Fe – Н2О в природной воде
Диаграмма Пурбе для системы Mn – Н2О в природной воде
Варианты диаграмм состояния железа
Диаграмма Пурбе системы Cr – H2O
Диаграмма Пурбе системы Hg– H2O
Диаграмма Пурбе системы Se – H2O
Приложение 2