Repetitor_po_Khimii

Упражнения для самостоятельной работы

1.Какой металл в следующем ряду является наиболее активным: Fe, Zn, Mn, К, Au? Почему?

2.Ионы какого металла обладают наибольшими окислительными свойствами: Cr3+, Са2+, Mn2+, Ag+?

3.Какие из следующих реакций возможны: а) Zn + HCl ;

б) Hg + H2SO4 ;

разб.

в) Cu + NiSO4 ; г) Sn + CuСl2 ; д) Zn + NaCl ;

е) Ag + Н3РО4 ; ж) Аl + AuСl3 ; з) Cu + HgCl2 ?

Допишите уравнения реакций, возможных в водных растворах.

4.Какие продукты получатся в результате взаимодействия металлического алюминия:

а) с водным раствором CuSO4,

б) с водным раствором серной кислоты? Напишите уравнения реакций.

5.Какие продукты получатся в результате реакции металлического цинка с водным раствором сульфата никеля (II)? Является ли эта реакция окислительно-восстановительной? Почему?

§ 7.2. Электролиз

Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы электролита будут двигаться к электродам: катионык катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы к аноду (положительно заряженному электроду) (рис. 24).

290

Рис. 24. Схема движения ионов в растворе или расплаве электролита под действием электрического тока

На катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются. На аноде анионы отдают электроны и окисляются.

В теоретическом плане простейшим примером электролиза является электролиз расплавов.

Рассмотрим процесс электролиза расплава NaCl (рис. 25).

Рис. 25. Схема электролиза расплава хлорида натрия

В расплаве хлорид натрия диссоциирует на ионы:

t°

NaCl Na+ + Сl–.

Под действием электрического поля катионы Na+ движутся к катоду и принимают от него электроны:

Na+ + e# = Na0 — процесс восстановления. Анионы Сl– движутся к аноду и отдают электроны: 2Сl– – 2e# = Сl20 — процесс окисления.

291

Составим суммарное уравнение процесса электролиза:

2Na+ + e# = Na0

12Сl– – 2e# = Сl20

2Na+ + Сl– = 2Na0 + Сl20

или:

эл. ток

2NaСl ====2Na + Сl2 .

На катоде выделяется металлический натрий, на аноде — газообразный хлор.

Эта реакция является окислительно-восстановительной; на катоде всегда идет процесс восстановления, на аноде всегда идет процесс окисления.

• Электролизом называется окислительно-восстанови- тельный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита.

Сущность электролиза состоит в том, что за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая не может протекать самопроизвольно.

Электролиз расплавов и электролиз растворов отличаются друг от друга.

В растворе соли кроме ионов металла и кислотного остатка присутствуют молекулы воды и ионы Н+, ОН– — продукты диссоциации Н2О. Поэтому при рассмотрении реакций на электродах необходимо учитывать возможность участия молекул Н2О в электролизе.

Для определения результатов электролиза водных раство-

ров существуют следующие правила:

Процесс на катоде не зависит от материала катода, а зависит от положения металла в электрохимическом ряду напряжений:

1.Если катион электролита находится в начале ряда напря-

жений (по Аl включительно), то на катоде идет процесс восстановления воды (выделяется Н2 ):

2H2O + e# = H2 + 2OH–.

292

Катионы металла не восстанавливаются, остаются в растворе.

2.Если катион электролита находится в ряду напряжений между алюминием и водородом, то на катоде восстанавливаются одновременно и ионы металла, и молекулы воды.

3.Если катион электролита находится в ряду напряжений после водорода, то на катоде идет только процесс восстановления ионов металла.

4.Если в растворе находится смесь катионов разных металлов, то первыми восстанавливаются катионы того металла, который имеет наибольшее алгебраическое значение электродного потенциала.

Рассмотренные правила сведены в табл. 28.

Процесс на аноде зависит от материала анода и от природы аниона:

1.Если анод растворимый (железо, медь, цинк, серебро и все металлы, которые окисляются в процессе электролиза), то независимо от природы аниона всегда идет окисление металла анода.

2.Если анод нерастворимый, т. е. инертный (уголь, графит, платина, золото), то:

а) при электролизе растворов солей бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона;

б) при электролизе растворов солей оксокислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды (выделяется кислород); анион не окисляется, остается в растворе. При электролизе растворов щелочей идет окисление гидроксид-ионов.

293

Анионы по их способности окисляться располагаются в следующем порядке:

I–; Br–; S2–; Cl–; ОН–; SO42–; NO3–; F–

восстановительная активность уменьшается

Рассмотренные правила сведены в табл. 29.

Электролиз широко используют в промышленности для выделения и очистки металлов, получения щелочей, хлора, водорода. Алюминий, магний, натрий, кадмий подучают только электролизом. Очистку меди, никеля, свинца проводят целиком электрохимическим методом. Важной отраслью применения электролиза является защита металлов от коррозии; при этом электрохимическим методом на поверхность металлических изделий наносится тонкий слой другого металла (хрома, серебра, меди, никеля, золота), устойчивого к коррозии.

Типовая задача № 1.

Написать уравнения электролиза раствора КСl, если:

а) анод нерастворимый; б) анод растворимый (медный). Р е ш е н и е .

а) Анод нерастворимый

294

Суммарное ионное уравнение:

2Н2О + 2Сl– = Н2 + Cl2 + 2OН– Суммарное молекулярное уравнение:

эл. ток

2КСl + 2Н2О ===== Н2 + Cl2 + 2KOН

вторичный

продукт

электролиза (в катодном пространстве)

б) Анод растворимый (медный)

перенос ионов меди с анода на катод и выделение чистой меди

на катоде

Концентрация КСl в растворе не меняется.

Суммарное уравнение электролиза с растворимым анодом написать нельзя.

Типовая задача № 2.

Написать схему электролиза ZnCl2 с угольными электродами. Решение:

Суммарное уравнение реакции в данном примере написать нельзя, так как неизвестно, какая часть общего количества электричества идет на восстановление воды, а какая — на восстановление ионов цинка.

Типовая задача № 3.

Написать уравнение реакции электролиза водного раствора, содержащего смесь Cu(NO3)2 и AgNO3, с инертными электродами.

Решение:

Cu(NO3)2 Cu2+ + 2NO3–

AgNO3 Ag+ + NO3–

295

Суммарные уравнения процессов, проходящих в растворе: ионные:

4Ag+ + 2Н2О = 4Ag0 + O2 + 4H+

2Cu2+ + 2Н2О = 2Cu0 + O2 + 4H+

молекулярные:

4AgNO3 + 2Н2О = 4Ag + O2 + 4HNO3

2Cu(NO3)2 + 2H2O = 2Cu + O2 + 4HNO3

Типовая задача № 3.

Написать уравнение реакции электролиза раствора NaOH. Решение:

Вопросы для контроля

1.Что называется электролизом?

2.Какой электрод называют катодом, какой — анодом?

3.Какие процессы протекают на катоде, на аноде?

4.Чем отличается электролиз расплавов от электролиза водных растворов?

5.Какие металлы можно получить при электролизе расплавов и нельзя получить при электролизе водных растворов их солей?

296

6.Для каких металлов характер катодных процессов при электролизе растворов и расплавов их солей одинаков?

7.Окисляются ли на аноде анионы оксокислот при электролизе водных растворов соответствующих кислот и образуемых ими солей?

8.Может ли растворяться катод при электролизе?

9.Какие типы анодов вы знаете?

10.Будет ли растворяться при электролизе анод: из железа, графита, платины, меди?

Упражнения и задачи для самостоятельной работы

1.Напишите уравнения электролиза водных растворов йодида калия, сульфата кальция с инертными электродами.

2.Напишите уравнения электролиза расплава и водного раствора хлорида бария. Чем отличаются эти процессы?

3.Составьте уравнения электролиза водных растворов следующих солей (электроды графитовые):

а) К3РО4, б) Zn(NO3)2, в) MnI2, г) PtSO4, д) SnBr2.

4.Составьте уравнения электролиза водных растворов следующих веществ (анод нерастворимый):

а) Ва(ОН)2, б) SrCl2, в) НСl, г) ZnF2, д) HF, e) Cr(NО3)3, ж) AuСl3, з) CoSO4, и) H2SO4.

5.Составьте уравнения электролиза водного раствора AgNO3:

а) с медными электродами, б) с графитовыми электродами. Чем отличаются процессы? Почему?

6.В каких случаях при электролизе на катоде выделяется водород? Приведите примеры с уравнениями реакций.

7.В каких случаях при электролизе на аноде выделяется кислород? Приведите примеры с уравнениями реакций.

§ 7.3. Общая характеристика металлов

Как известно, все химические элементы и образуемые ими простые вещества делятся на металлы и неметаллы.

Так как в периодах и группах периодической системы Д. И. Менделеева существуют закономерности в изменении металлических и неметаллических свойств элементов, можно достаточно определенно указать положение элементов-ме- таллов и элементов-неметаллов в периодической системе. Если провести диагональ (табл. 30) от элемента бора В (по-

297

Слева направо:

а) радиус атомов уменьшается; б) заряд ядра увеличивается;

в) электроотрицательность увеличивается; г) число электронов на внешнем слое увеличивается;

д) прочность связи внешних электронов с ядром увеличивается;

е) способность атомов отдавать электроны уменьшается.

Атомы большинства металлов на внешнем электронном слое имеют от 1 до 3 электронов. Исключение: атомы германия Ge, олова Sn, свинца Рb на внешнем электронном слое имеют четыре электрона, атомы сурьмы Sb, висмута Bi — пять, атомы полония Ро — шесть. Атомы металлов имеют меньший заряд ядра и больший радиус (размер) по сравнению с атомами неметаллов данного периода. Поэтому прочность связи внешних электронов с ядром в атомах металлов небольшая. Атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы.

Простые вещества, которые образуют элементы-метал- лы, при обычных условиях являются твердыми кристаллическими веществами (кроме ртути). Кристаллическая решетка металлов образуется за счет металлической связи

299