Опыт 2. Влияние образования гальванических пар на течение химических процессов.

Выполнение опыта. В три пробирки поместить по кусочку цинка и добавить по 5 – 6 капель 2 н. раствора серной кислоты. Наблюдать медленное выделение водорода на поверхности цинка.

Первую пробирку оставить в качестве контрольной. Во вторую пробирку внести 2 – 3 капли 2 н. раствора CuSO₄. Как изменилось течение процесса? Учесть, что в процессе химической реакции на поверхности цинка осаждается медь. В третью пробирку внести медную проволоку и привести в контакт с кусочком цинка. Как изменилось течение процесса? Где выделяется водород? Объяснить, почему возросла скорость выделения водорода во второй и третьей пробирках по сравнению с первой? Написать схемы происходящих электродных процессов и схемы гальванических пар.

Опыт 3. Коррозия оцинкованного и луженого железа.

В случае контакта с менее активным металлом железо может выступать в качестве анода и при нарушении покрытия окисляться, посылая в раствор ионы Fe²⁺ (Fe -2ē = Fe^2+). В случае же контакта с более активным металлом железо может выступать в качестве катода и при нарушении покрытия на нем будет восстанавливаться водород из Н+ (в кислых средах) 2Н+ + 2ē = Н2 или из воды (в нейтральной среде) ) 2Н₂О + 2ē = Н₂ + 2ОН^- . Таким образом, в тех случаях, когда железо выступает в роли анода в растворе можно обнаружить присутствие ионов Fe^2+. Реактивом на ион Fe²⁺ является раствор гексациано-III-феррата калия K₃[Fe(CN)₆], образующий с ионами Fe²⁺ осадок комплексного соединения Fe ₃[Fe(CN)₆]₂ синего цвета:

3 Fe²⁺ + 2 [Fe(CN)₆]^3– = Fe₃[Fe(CN)₆]₂.

Выполнение опыта. В две пробирки налить на 1/3 их объема дистиллированную воду и добавить по 2 – 3 капли растворов 2 н. серной кислоты и гексациано-III-феррата калия K₃[Fe(CN)₆] (реактив на ионы Fe²⁺). В одну пробирку опустить пластину оцинкованного железа, в другую – луженого (покрытого оловом) железа. В какой пробирке наблюдается появление синей окраски раствора, указывающее на присутствие ионов Fe²⁺? Почему в другой пробирке отсутствует этот эффект?

Написать схемы образующихся гальванических пар и схемы протекающих электродных процессов в обоих случаях. Указать типы покрытий.

Электролиз водных растворов солей

Электролиз – это процесс, в котором химические реакции происходят под действием электрического тока. Для того чтобы осуществить этот процесс, необходим электролит, т.е. среда, проводящая электрический ток. Электролитами являются растворы солей, кислот и оснований, а также расплавы солей, щелочей (проводники второго рода).

Электролиз проводят в устройствах, которые называют электролизерами (электролитической ячейкой, или электролитической ванной). В электролит помещают два электрода, соединенных металлическими проводниками с полюсами внешнего источника тока. Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называется анодом, с отрицательным – катодом. У катода положительные ионы, принимая электроны от внешнего источника тока, восстанавливаются, например, Мg²⁺ + 2ē = Мg⁰. На аноде анионы отдают свои электроны, т.е. окисляются, например: 2С1^– – 2ē = С1₂. Такие процессы протекают при электролизе расплава МgС1₂.

При электролизе водных растворов на катоде могут происходить следующие процессы восстановления:

1) катионов металлов: Сu²⁺ + 2ē  Сu⁰, Fе³⁺ + 1ē  Fе²⁺;

2) ионов водорода:

а) в кислых растворах: 2Н⁺ + 2ē Н₂;

б) в нейтральных растворах: 2Н₂О + 2ē  Н₂ + 2ОН^–.

Очередность протекания определяется величиной электродного потенциала. В первую очередь протекают процессы с максимальным потенциалом (см. таблицу электродных потенциалов). Потенциал водородного электрода в соответствии с уравнением Нернста равен  _2H⁺_/ H2 = – 0,059 ^. рН. Следовательно, разряд водорода на катоде из воды (при рН = 7) должен происходить при потенциале  = (–0,059) ^. 7 = –0,413 В. В связи с этим если раствор содержит несколько различных положительных ионов, то при постепенном увеличении ЭДС на катоде в первую очередь будет выделяться металл с самым высоким положительным потенциалом. Например, если электролизу подвергают раствор, содержащий ионы Аg⁺ (⁰ = +0,80 В) и Сu²⁺ (⁰ = +0,34 В), то на катоде сначала выделяется серебро и лишь после того, как ионы Аg⁺ практически полностью исчезнут из раствора, катодный потенциал возрастет, и начинает выделяться медь.

При электролизе растворов солей металлов, стоящих в ряду напряжений левее Al, на катоде выделяется Н₂ из воды: 2Н₂О + 2ē  Н₂ + 2ОН^–; при электролизе растворов солей металлов, стоящих между Al и Н, происходит совместное выделение Н₂ и металла. Металлы, стоящие правее H, легко восстанавливаются из водных растворов:

Cs+…Na+…Al3+	Mn2+…Zn2+…Ni2+…Sn2+… H+	Cu2+…Ag+…Au3+
Выделяется Н2	Выделяется Н2 и Ме	Выделяется Ме

При электролизе водных растворов на аноде возможны следующие процессы окисления:

1. анионов кислотных остатков:

2С1^– – 2ē  С1₂, 2SO₄^2– – 2ē  S₂O₈^2–;

2) молекул воды (в нейтральном растворе):

2Н₂О ^– 4ē  O₂ + 4Н⁺;

3) гидроксильных ионов ОН^– (в щелочном растворе):

4OН^– – 4ē  O₂ + 2Н₂О;

4. металла (активный анод):

Аg⁰ – 1ē  Аg⁺(растворение),или 2Аl + 3Н₂О – 6ē А1₂O₃ + 6Н⁺ (пассивация)

Очередность протекания анодных процессов определяется величиной электродного потенциала. В первую очередь протекают процессы с минимальным потенциалом (см. таблицу электродных потенциалов). Потенциал выделения кислорода на аноде из воды составляет 0,82 В.

В связи с этим если раствор содержит несколько различных анионов, то при постепенном увеличении ЭДС на катоде в первую очередь будет разряжаться ион с самым низким потенциалом. Например, если электролизу подвергают раствор, содержащий ионы I^– ( ⁰ = +0,54 В) и Br^– ( ⁰ = +1,07 В), то на аноде сначала выделяется йод, и лишь после того, как все ионы I^– практически полностью исчезнут из раствора, начинает выделяться бром.

На аноде из водных растворов окисляются в первую очередь анионы бескислородных кислот в порядке возрастания их потенциалов (Se^2–, S^2–, I^–, Br^–, Cl^– и т.п.), затем вода (при рН  7) или ОН^– (при рН > 7) с выделением кислорода. Кислородсодержащие анионы NO₃^–, PO₄^3–, SO₄^2–, ClO₄^– и др. (остатки высших кислородсодержащих кислот) и F^– разряжаются только из расплавов.

При электролизе с активным анодом, если потенциал металлического анода имеет более отрицательное значение, чем потенциал разряда ионов ОН^– или других ионов, присутствующих в растворе, происходит растворение анода.