- •Часть II
- •Раздел IV. Химическая кинетика и катализ
- •Двусторонние и односторонние (обратимые и необратимые) реакции
- •Кинетическая классификация реакций. Молекулярность и порядок реакций
- •Необратимые реакции первого порядка
- •Необратимые реакции второго порядка
- •Необратимые реакции n-го порядка
- •Реакции нулевого порядка
- •Сложные реакции: обратимые, параллельные, последовательные
- •Обратимые реакции первого порядка
- •В момент равновесия скорости прямой и обратной реакций одинаковы:
- •Обратимые реакции второго порядка
- •В общем виде
- •Параллельные реакции
- •Последовательные реакции
- •Методы определения порядка реакций
- •Влияние температуры на скорость реакции
- •Применение теории столкновений к бимолекулярным реакциям. Расчет константы скорости
- •Типы бимолекулярных реакций
- •Теория активного комплекса (переходного состояния)
- •Обрыв цепи
- •Длина цепи и ветви
- •Кинетика неразветвленных цепных реакций
- •Разветвленные цепные реакции
- •Тепловой взрыв
- •Сопряженные реакции
- •Основные законы фотохимии. Квантовый выход
- •Основные типы фотохимических процессов
- •Зависимость скорости фотохимических реакций от температуры
- •Мономолекулярные и тримолекулярные реакции. Реакции в растворах Мономолекулярные реакции в газовой фазе
- •Тримолекулярные реакции в газовой фазе
- •Реакции в растворах
- •Методы изучения кинетики сложных реакций
- •Общие сведения о катализе. Гомогенный катализ. Катализ кислотами и основаниями Общие сведения о катализе
- •Гомогенные каталитические реакции
- •Общая схема расчета кинетики гомогенных каталитических реакций
- •Катализ кислотами и основаниями
- •Активационный процесс в гетерогенных реакциях
- •Активированная адсорбция
- •Кинетика гетерогенных каталитических реакций
- •Истинная и кажущаяся энергия активации гетерогенных химических реакций
- •Теория активных центров в гетерогенном катализе Отравление катализатора
- •Роль поверхности и пористость катализатора
- •Связь между энергией активации и предэкспоненциальным множителем
- •Недостаточность модели однородной поверхности в катализе и адсорбции
- •Мультиплетная теория катализа
- •Теория активных ансамблей
- •Электронные представления в гетерогенном катализе
- •Раздел V. Электрохимия
- •Предмет электрохимии
- •Проводники первого и второго рода
- •Электрохимические реакции
- •Законы электролиза (законы Фарадея)
- •Теория электролитической диссоциации Аррениуса
- •Недостатки теории Аррениуса
- •Причины диссоциации. Сольватация и гидратация Теплоты сольватации (гидратации)
- •Экспериментальные теплоты гидратации ионов
- •Модельные методы расчета энергии гидратации ионов
- •Энтропия сольватации ионов
- •Состояние ионов в растворах. Число сольватации
- •Распределение ионов в растворе
- •Теория электролитов Дебая и Гюккеля
- •Сопоставление теории Дебая – Гюккеля с опытом
- •Дальнейшее развитие теории
- •Удельная и эквивалентная электропроводность
- •Влияние природы растворителя на электропроводность
- •Подвижность ионов
- •Подвижность ионов гидроксония и гидроксила
- •Связь между подвижностью ионов и их концентрацией
- •Зависимость подвижности ионов от температуры
- •Числа переноса ионов
- •Диссоциация воды. РН растворов
- •Диссоциация слабых электролитов
- •Гидролиз солей
- •Буферные растворы
- •Амфотерные электролиты
- •Произведение растворимости
- •Гальванические элементы. Эдс
- •Термодинамика гальванического элемента
- •Измерение эдс
- •Строение границы электрод-раствор. Двойной электрический слой
- •Теория конденсированного двойного слоя Гельмгольца
- •Теория диффузного двойного слоя Гуи – Чапмана
- •Адсорбционная теория Штерна
- •Дальнейшее развитие теории строения дэс
- •Электродный потенциал
- •Стандартный электродный потенциал
- •Классификация электродов
- •Электроды первого рода
- •Электроды второго рода
- •Газовые электроды
- •Амальгамные электроды
- •Окислительно-восстановительные, или редокси-электроды
- •Физические цепи
- •Концентрационные цепи
- •Химические цепи
- •Аккумуляторы
- •Определение коэффициентов активности электролитов
- •Определение рН раствора
- •Произведение растворимости
- •Потенциометрия
- •Ионоселективные электроды
- •Кинетика электрохимических процессов
- •Концентрационная поляризация
- •Электрохимическое перенапряжение
- •Напряжение разложения
- •Закономерности перенапряжения выделения водорода
- •1. Влияние плотности тока
- •2. Влияние природы металла
- •3. Влияние природы и состава раствора
- •4. Влияние температуры и некоторых других факторов
- •Теории водородного перенапряжения
- •Теория замедленной рекомбинации
- •Теория замедленного разряда
- •Электроосаждение металлов
- •Анодное растворение и пассивность металлов
- •Коррозия металлов. Борьба с коррозией
- •Кондуктометрия
- •Электроанализ и кулонометрия
- •Вольтамперометрические методы
- •Полярография. Нестационарная вольтамперометрия Классическая полярография
- •Следовательно, изменение приложенной извне разности потенциалов при выполнении измерений указанным образом равно изменению потенциала капельного электрода.
- •Теория метода
- •Твердые электроды в полярографии
- •Разновидности полярографических методов
- •Импульсная полярография
- •Осциллографическая полярография
- •Основные формулы и законы Формальная кинетика
- •Зависимость скорости реакции от температуры
- •Применение теории активных столкновений и теории активного комплекса к расчету констант скоростей реакций
- •Фотохимия
- •Ионное равновесие в растворах электролитов
- •Неравновесные явления в растворах электролитов: миграция и диффузия
- •Термодинамика гальванического элемента
- •Классификация электродов
- •Классификация электрохимических цепей
- •Аккумуляторы
- •Законы электролиза
- •Неравновесные электродные процессы
- •Оглавление
- •Физическая химия Курс лекций
- •Часть 2
- •Химическая кинетика, электрохимия
Кондуктометрия
Кондуктометрическое титрование, в отличие от обычного, не требует применения индикаторов и может быть проведено в окрашенных, мутных, а также в очень разбавленных растворах. В процессе титрования за ходом реакции следят, измеряя электропроводность титруемого раствора после каждого нового прибавления титрующего реагента. Конец титрования совпадает с перегибом на кривой электропроводность – объём добавленного раствора (см. рис. 30). Изменение электропроводности при кондуктометрическом титровании связано с заменой в растворе по мере протекания реакции одних ионов на другие с иной ионной проводимостью.
Кондуктометрическое титрование отличается от обычного также тем, что даёт не одну только точку (точку нейтрализации, связанную с изменением окраски раствора при обычном титровании и совпадающую с минимумом на кривой 1/R – V), а полную кривую всего процесса титрования. На её основе можно составить представление как о ходе реакции, так и о некоторых свойствах образующихся веществ. Например, резкий минимум или явный перегиб на кривой кондуктометрического титрования говорит об устойчивости или малой растворимости продуктов реакции. Размытость области перехода от одного участка кривой к другому указывает (в зависимости от природы основной реакции) или на гидролиз образовавшейся соли, или на повышенную растворимость осадка, или на недостаточную стойкость нового соединения. При соблюдении известных условий кондуктометрически можно определить содержание двух различных соединений, присутствующих одновременно в одном и том же растворе.
|
Рис. 39. Кривая кондуктометрического титрования раствора кислоты раствором щелочи |
Кондуктометрический метод анализа – один из наиболее точных способов определения растворимости труднорастворимых соединений. Он основан на измерении электропроводности жидкой фазы, находящейся в равновесии с соответствующим твёрдым соединением.
Кондуктометрия является неселективным методом анализа – все виды ионов, находящихся в растворе, вносят свой вклад в электропроводность. Методом кондуктометрии нельзя воспользоваться при определении какого-либо одного вида ионов на фоне других электролитов. Обладая собственной электропроводностью, они будут маскировать изменение проводимости, отвечающее изменению концентрации определяемого сорта ионов в ходе кондуктометрического титрования, что, естественно, должно снижать точность метода и ограничивать область его применения.
Кондуктометрический анализ проводят как в концентрированных, так и в разбавленных растворах. Точность зависит от характера системы – в бинарных растворах она доходит до 0,1%, а в многокомпонентных системах она значительно ниже.
Электроанализ и кулонометрия
Превращения веществ на электродах под действием электрического тока подчиняются законам Фарадея. Эта закономерность лежит в основе двух количественных электрохимических методов исследования, называемых электроанализ и кулонометрия.
Электроанализ
При электроанализе определяют массу осадка, образовавшегося на электроде в результате протекания количества электричества, достаточного для полного, или практически полного, выделения данного вещества. Образование осадка может происходить при этом на катоде (разряд металлических ионов с выделением металла) или на аноде (разряд анионов с образованием соответствующих солей или оксидов). Если химический состав осадка известен, нетрудно по его массе рассчитать содержание определяемого вещества в исходном растворе. При электроанализе выход по току определяемого вещества необязательно должен равняться 100%.
Электроанализ растворов, содержащих только один определяемый компонент, проводят при постоянной силе тока. При этом по мере его выделения и вызванного этим истощения раствора постепенно изменяется потенциал электрода. При заданной силе тока потенциал катода смещается в сторону более отрицательных значений. Наблюдая за изменением потенциала в ходе электроанализа, можно выбрать такое его значение, которое обеспечивает необходимую точность определения содержания растворённого вещества.
Метод электроанализа при постоянной силе тока не рекомендуется для анализа растворов, содержащих разные ионы. При изменении потенциала электрода может быть достигнуто такое его значение, при котором наряду с разрядом определяемых ионов начнётся разряд других ионов, присутствующих в том же растворе, и состав осадка будет неопределённым. В подобных случаях более надёжные результаты даёт метод электроанализа, при котором поддерживается постоянство не силы тока, а потенциал электрода, причём значение потенциала выбирают так, чтобы обеспечить разряд только одного сорта ионов. Это можно сделать, если известны качественный состав анализируемого раствора и электрохимические характеристики присутствующих в нём ионов. Конец осаждения каждого из них устанавливают по резкому падению силы тока. Электрическую энергию, необходимую для проведения электроанализа при постоянной силе тока и при постоянном потенциале электрода, получают от какого-либо внешнего источника постоянного тока.
Электроанализ применяют главным образом при определении содержания металлических ионов, способных выделяться на катоде в виде компактного осадка. В ряде случаев используют возможность образования осадков на аноде. Так, например, свинец можно количественно выделить, соблюдая известные условия, на аноде в виде диоксида свинца, а галогениды – на серебряном аноде как соответствующие соли серебра.
При определении большинства металлических ионов электроанализом применяют платиновые цилиндрические сетчатые катоды, которые заменяют на ртутные, когда нужно определить содержание ионов щелочных или щелочноземельных металлов. Аноды изготовляют обычно из платины; они имеют вид спирали, и их помещают внутри цилиндрических катодов. Для ускорения процесса определения раствор в ходе электроанализа, как правило, энергично перемешивают, часто спиральным анодом. С этой же целью анализ ведут при повышенной температуре.
Электроанализ широко применяют в лабораторной практике, особенно при анализе сплавов. Его также используют как метод разделения различных веществ, присутствующих в растворе, и как метод концентрирования и обогащения. В последнем случае электроанализ сочетается обычно с другими, более чувствительными методами анализа (рентгеновский, полярография, кулонометрия), заменяя химические методы концентрирования, связанные с трудоёмкими операциями осаждения, фильтрования и выпаривания.
Кулонометрия
Кулонометрический метод анализа позволяет по числу кулонов электричества (откуда и название метода), израсходованных на электрохимическое превращение вещества, судить о количестве вещества. Кулонометрия основана на законах Фарадея, и её применение возможно лишь в тех случаях, когда всё электричество расходуется на данную электродную реакцию, то есть когда её выход по току равен 100%. При соблюдении этого условия можно, измерив количество прошедшего электричества, найти количество вещества: m = kэq. В отличие от электровесового метода кулонометрически можно определять также те вещества, которые не осаждаются на электроде, а остаются в растворе или удаляются в окружающую атмосферу. Измерение даже ничтожно малых количеств электричества можно проводить с небольшой погрешностью, благодаря чему кулонометрия является очень чувствительным и точным методом анализа. Кулонометрически удаётся определять вещества, присутствующие в количествах 10–10 – 10–12 г-экв/л, с ошибкой, составляющей около 1%; при содержании анализируемого вещества, достигающем порядка 10–3 – 10–5 г-экв/л, ошибка составляет всего лишь 0,1–0,3%. Поэтому кулонометрический метод анализа особенно интересен в связи с проблемой получения сверхчистых материалов.
Подобно электровесовому анализу кулонометрия проводится (в зависимости от состава раствора и возможного числа электродных реакций) или при заданном потенциале, или при заданном токе. Второй вариант следует применять в тех случаях, когда на электроде в широком диапазоне потенциалов исключена возможность протекания каких-либо реакций, кроме основной. Этот вариант обеспечивает максимальную точность и чувствительность анализа. Количество прошедшего электричества при кулонометрии с заданным потенциалом измеряют при помощи кулонометра, при кулонометрии с заданной силой тока определяют умножением силы тока на время анализа. Это так называемая непосредственная кулонометрия.
За последние годы особое развитие получила непрямая кулонометрия, или кулонометрия с генерацией титрующего реагента. За счет пропускания через систему электрического тока на электроде генерируется вещество, способное количественно реагировать с определяемым компонентом. Конец титрования фиксируют по началу накопления в системе генерируемого вещества. Количество электричества, пропущенного через электрод к тому времени, характеризует содержание определяемого компонента. Для этого можно использовать многие реакции, применяемые в практике обычного объёмного анализа.
Кулонометрическое титрование в аппаратурном оформлении сложнее, чем титрование с индикаторами или потенциометрическое титрование. Поэтому кулонометрия не находит широкого применения в практике обычного химического анализа. Однако она используется в тех случаях, когда бывает необходимо определить микроколичества растворённых веществ, а также при проведении автоматического титрования. Приготовление и использование очень разбавленных титрованных растворов для объёмного определения малых количеств растворённых веществ связано со значительными ошибками и неудобствами в работе. При кулонометрическом титровании необходимость применения таких титрованных растворов отпадает, так как определяемое вещество либо подвергается превращению непосредственно на электроде, либо титруется реагентом, генерируемым на одном из электродов в самой анализируемой пробе. В каждом из этих двух случаев определение ведётся по израсходованному количеству электричества, измерение которого даже в малых дозах можно проводить с большой точностью.
Кулонометрия применяется также при проведении различных электрохимических исследований. Так, она используется при определении толщины металлических покрытий, количества оксидов или солей, образовавшихся на электродах, степени заполнения поверхности металлов адсорбированными водородом или кислородом и т. д.