Лабораторный практикум по химии

Для этого налить в два стаканчика (рис.1) 1М растворы солей: в один - сульфата цинка, в другой - сульфата меди, опустить пластинки

Zn в ZnSO4 и Cu в CuSO4.

Рис.1. Гальванический элемент: 1 - стаканчики с растворами ZnSO4 и CuSO4; 2 - подставка под прибор; 3 - гальванический (электролитический) мостик;

4 - гальванометр

Растворы соединить электролитическим мостиком, наполненным раствором NaCl в агар-агаре. Обе пластинки соединить тонким проводником с гальванометром. Наблюдать отклонение стрелки гальванометра. Записать схемы протекающих процессов, данные гальванометра и нарисовать гальванический элемент. Что произойдет, если убрать электролитический мостик? Объяснить происходящие явления.

Рассчитать ЭДС гальванических элементов:

1) Zn|1М ZnSO4||0,01M АgNO3 | Ag; 2) Zn | 0,1M ZnSO4 || 1M CuSO4 | Cu; 3) Zn | 1M ZnSO4||0,01M ZnSO4 | Zn.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Коррозия металлов

Если в месте контакта двух металлов появляется электролит, возникает гальваническая пара, являющаяся причиной коррозии. Рассмотрим коррозию оцинкованного железа в кислой среде.

Схема возникающей пары: Fe / HCl /Zn. Цинк как более активный металл окисляется и является анодом, а железо - катодом. Следовательно, покрытие анодное.

Происходящие процессы:

на аноде: Zn – 2e = Zn2+ (окисление цинка);

на железном катоде: 2H+ + 2e = H2 (восстановление водорода из кислоты).

Если покрытие выполнено из менее активного металла, покрытие катодное, и при его нарушении происходит разрушение покрываемого металла.

Рассмотрим коррозию никеля в контакте с серебром в нейтральной среде. Возникает гальваническая пара Ni / H2O /Ag. Никель как более активный металл окисляется Ni – 2e = Ni2+ и является анодом. На серебряном катоде происходит процесс восстановления воды с выделением водорода: 2Н2О + 2e = Н2 + 2ОН–.

Суммарный процесс: Ni + 2Н2О = Ni(ОН)2 + Н2↑.

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.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

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 = Fe2+). 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 Fe2+. Реактивом на ион Fe2+ является раствор гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6], образующий с ионами Fe2+ осадок комплексного соединения

Fe3[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 гексацианоферрата (III) 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, указывающей 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 расплавы и растворы солей, кислот и оснований (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,

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

называется анодом, с отрицательным - катодом. На катоде 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 = Сl2. Такие процессы протекают при электролизе расплава МgСl2.

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

а) в кислых растворах: 2Н+ + 2ē→ Н2; б) в нейтральных растворах: 2Н2О + 2ē → Н2 + 2ОН–.

Последовательность протекания катодных процессов определяется величиной электродного потенциала. В первую очередь протекают процессы с максимальным потенциалом (см. табл.П3.7). Потенциал

воды (при рН = 7) должен происходить при потенциале ϕ = –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+ (ϕ0 = +0,80 В) и Сu2+ (ϕ0 = +0,34 В), то на катоде сначала выделяется серебро и лишь после того, как ионы Аg+ практически полностью исчезнут из раствора, катодный потенциал возрастает, и начинает выделяться медь.

При электролизе растворов солей металлов, стоящих в ряду

стоящих между Al и Н, происходит совместное выделение Н2 и металла. Металлы, стоящие правее H, легко восстанавливаются из водных растворов:

При электролизе водных растворов на аноде возможны следующие процессы окисления:

1) анионов кислотных остатков:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2С1– – 2ē → С12, 2SO42– – 2ē → S2O82–;

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);

2Аl + 3Н2О – 6ē →А12O3 + 6Н+ (пассивация). Последовательность протекания анодных процессов определяется

величиной электродного потенциала. В первую очередь протекают процессы с минимальным потенциалом (см. табл.П3.7). 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– (ϕ 0 = +0,54 В) и Br– (ϕ 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 в первую очередь окисляются анионы бескислородных кислот в порядке возрастания их потенциалов (Se2–, S2–, I–, Br–, Cl– и т.п.), затем вода (при рН ≤ 7) или ОН– (при рН > 7) с выделением кислорода. Нарушение последовательности выделения хлора и кислорода объясняется перенапряжением выделения кислорода из водных растворов.

Ион F– и кислородсодержащие анионы NO3–, PO43–, SO42–, ClO4– и др. (остатки высших кислородсодержащих кислот) разряжаются только из расплавов.

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

Опыт 4. Электролиз раствора сульфата натрия

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Выполнение опыта. U-образную трубку электролизера (рис.2), закрепленную на штативе, заполнить 2 н. раствором Na2SO4, добавить в оба отверстия электролизера по 3 - 4 капли нейтрального раствора лакмуса, опустить чистые графитовые электроды и подключить их через выпрямитель к сети. Установить напряжение 5 - 15 В. Электрический

поэтому сульфат-ионы из водных растворов не разряжаются. Таким образом процесс сводится к электролизу воды, ионы Na+ и SO42–, наряду с остальными ионами раствора, принимают участие только в переносе электрического тока. Количество Na2SO4 при электролизе остается неизменным.

Составить уравнения катодного и анодного процессов. Нарисовать установку для электролиза растворов.

Опыт 5. Электролиз раствора иодида калия

Выполнение опыта. Заполнить электролизер 2 н. раствором KI, вставить графитовые электроды и через выпрямитель подключить их к сети. Пропускать электрический ток при напряжении 5 - 15 В в течение нескольких минут. Отметить изменения на электродах. Затем отключить электроды и добавить в катодное пространство 2 - 3

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

капли фенолфталеина, а в анодное пространство - около 1 мл крахмального клейстера. Подключить электроды к сети и еще несколько минут пропускать электрический ток. Отметить изменения. Объяснить появление малиновой окраски раствора в катодном и синей - в анодном пространствах.

Составить уравнения катодного и анодного процессов.

Опыт 6. Электролиз раствора хлорида олова

Выполнение опыта. Электролизер заполнить 2 н. раствором хлорида олова, вставить графитовые электроды, через выпрямитель подключить их к сети и пропускать ток в течение 10 мин. На катоде наблюдать появление кристаллов олова, на аноде - выделение хлора. Отключить электроды от сети. Выделение хлора доказать следующим образом: смоченную водой йод-крахмальную бумажку поднести к отверстию анодного пространства электролизера и наблюдать появление синей окраски. Написать соответствующее уравнение реакции.

Записать уравнения катодного и анодного процессов.

Опыт 7. Электролиз раствора сульфата меди

Выполнение опыта. Электролизер заполнить 2 н. раствором сульфата меди, вставить графитовые электроды, через выпрямитель подключить их к сети и пропускать ток в течение 10 мин. На катоде наблюдать появление налета меди, на аноде - выделение кислорода. Отключить электроды от сети и в анодное пространство добавить несколько капель нейтрального лакмуса. Чем объяснить появление красного окрашивания?

Записать уравнения катодного и анодного процессов. Омедненный электрод оставить для опыта 8.

Опыт 8. Электролиз раствора сульфата меди с активным (медным) анодом

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Выполнение опыта. Электролизер заполнить 2 н. раствором сульфата меди. В одно отверстие электролизера опустить графитовый электрод, покрытый в предыдущем опыте медью, и подсоединить его к положительному полюсу - это анод, в другое отверстие электролизера опустить чистый графитовый электрод и подсоединить его к отрицательному полюсу - это катод. Пропускать электрический ток в течение нескольких минут. Наблюдать омеднение катода и растворение меди на аноде.

Составить уравнения катодного и анодного процессов.

Контрольные вопросы

1. Рассчитайте потенциал водородного электрода при [Н+] = = 10–10 моль/л.

Ответ: –0,59 В.

2. Рассчитайте потенциал серебряного электрода при [Ag+] = = 10–3 моль/л.

Ответ: 0,63 В.

3. Рассчитайте потенциал медного электрода при [Cu2+] = = 10–2 моль/л.

Ответ: 0,28 В.

4.Укажите типы покрытий в случаях, когда: а) хром покрыт серебром; б) кобальт - медью; в) цинк - никелем; г) магний - оловом; д) железо - цинком. Запишите схемы процессов, протекающих при их коррозии в кислой и нейтральной средах.

5.Составьте схемы процессов, протекающих на электродах, в следующих гальванических элементах:

Рассчитайте их ЭДС при н.у.

6.Составьте схемы процессов, протекающих на электродах, при электролизе водного раствора KNO3 с медными электродами.

7.Укажите, какие металлы нельзя получить электролизом растворов их соединений, а получают их электролизом расплавов солей или оксидов.

8.Запишите схемы процессов, протекающих на электродах (анод инертный), при электролизе водных растворов следующих солей:

а) Cr2(SO4)3; б) MgI2; в) Pb(NO3)2; г) NaNO3.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Укажите изменение реакции среды (рН) в анодном и катодном пространствах.

9.В какой последовательности выделяются металлы при электролизе раствора, содержащего в одинаковой концентрации ионы никеля, серебра, меди?

10.Запишите схемы процессов, протекающих на кремниевых электродах, при электролизе водных растворов следующих веществ:

а) Н3РO4; б) NaОН.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Работа № 10

Комплексные соединения

Комплексными соединениями называют соединения второго порядка, содержащие центральный атом - комплексообразователь, с которым в неионогенной связи находится определенное количество атомов или молекул, называемых лигандами и составляющих вместе с комплексообразователем внутреннюю сферу (комплексный ион).

В большинстве случаев кроме внутренней сферы имеется внешняя сфера, состоящая из отрицательных или положительных ионов.

Внутренняя сфера комплексного соединения (лиганды и комплексообразователь) заключается в квадратные скобки. Например:

Получены комплексные соединения, в которых вокруг центрального атома координируется до шести различных лигандов: [Pt+4(NH3)2(C6H5N)ClBrNO2]NO3.

Существуют комплексные соединения без внешней сферы. Они являются неэлектролитами, например [Ni(CO)4] и [Pt(NH3)2Cl2].

Вкачестве комплексообразователей чаще всего выступают атомы или ионы d-элементов и р-элементов: Zn2+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Ni2+, Co2+, Ag+, Au+, Au3+, Si+4, Ge2+, Ge4+, Al3+, B+3 и др.

Вкачестве лигандов чаще всего выступают следующие частицы:

• отрицательно заряженные кислотные остатки и гидроксогруппа:

• дипольные молекулы H2O - аква; NH3 - аммин; NO - нитрозил; CO - карбонил и др.;

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com