Окислительно-восстановительные реакции и общие свойства металлов Выполнил студент группы ___________ __________________________

Фамилия Имя Отчество

Отметка о выполнении ________________ _____________________

Выполнено Зачтено

Цель работы. Изучение свойств окислителей, восстановителей, условий проведения окислительно-восстановительных процессов и составов продуктов. Изучение химических (восстановительных) свойств металлов в реакциях с растворами электролитов.

Задачи работы. Рассчитать ЭДС окислительно-восстановительных реакций в растворах. Составить молекулярные и молекулярно-ионные уравнения соответствующих реакций, используя метод полуреакций (электронно-ионный метод). Использовать стандартные электродные потенциалы для оценки восстановительной активности металлов при взаимодействии с водой, щелочами, растворами кислот и солей.

Общие положения. ЭДС окислительно-восстановительной реакции находится как разность электродных потенциалов окислителя и восстановителя:

. (1)

Реакция протекает самопроизвольно, если

или . (2)

На границе поверхность металла – водный раствор его соли устанавливается равновесие между атомами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки, и катионами металла в растворе:

. (3)

Активность разных металлов в равновесии (3) оценивают с помощью стандартных потенциалов . Если металлический электрод покрыт пленкой газа, то уравнение (3) может быть записано для равновесия газ – водный раствор, содержащий катионы или анионы, в которые переходят атомы газа.

В справочниках приводятся значения стандартных электродных потенциалов металлов (стандартные условия 298 К; 101,3 кПа; 1 моль/л). Стандартный электродный потенциал водородного электрода условно принят равным нулю ( В). Если активная концентрация катионов металла отличается от стандартной ( моль/л), электродный потенциал может быть рассчитан по формуле Нернста:

. (4)

Дома: Пользуясь справочными данными, запишите в табл. 1 возможные продукты и значения электродных потенциалов для перманганат- и сульфит-ионов в кислом, нейтральном и щелочном растворах. Рассчитайте ЭДС возможных окислительно-восстановительных реакций в каждом случае.

Таблица 1

Реагенты		рН = 0		рН = 7		рН = 14
		, В	Продукт	, В	Продукт	, В	Продукт
Окислитель
Восстановитель
ЭДС, В

Пользуясь формулой (4), рассчитайте значения электродного потенциала водородного электрода в кислом, нейтральном и щелочном растворах:

рН = 0		=
рН = 7		=
рН = 14		=

Результаты запишите в табл. 2 и укажите 1—3 металла, которые могут вытеснять водород из кислот и из воды в нейтральном и щелочном растворах.

Таблица 2

Среда	Окислитель	, В	Металлы - восстановители
Кислая	Н+
Нейтральная	Н2О
Щелочная	Н2О

Опыт 1. Окислительные свойства перманганата калия.

В три пробирки поместите примерно по 5 мл разбавленного раствора перманганата калия KMnO₄. Добавьте в первую пробирку 1-2 мл серной кислоты (2 н.), во вторую — дистиллированной воды, в третью — гидроксида натрия (2 н.). В каждую пробирку засыпьте микрошпателем кристаллический сульфита натрия.

Отметьте наблюдаемые явления и установите продукты реакций в кислой, нейтральной и щелочной средах, принимая во внимание, что разбавленные растворы солей марганца(II) практически бесцветны, оксид марганца(IV) выпадает в осадок в виде бурых хлопьев, а раствор с манганат-ионом имеет зеленую окраску:

• кислая среда (рН<7):

• нейтральная среда (рН7):

• щелочная среда (рН<7):

Ионно-электронным методом (методом полуреакций) составьте уравнения проведенных реакций:

Кислая среда:

Нейтральная среда:

Шелочная среда:

В выводе сравните результаты опытов с данными табл. 1. Укажите, в каком случае окисление Na₂SO₃ протекает более легко.

Вывод:

Опыт 2. Взаимодействие алюминия с кислотой, водой и щелочью³

В первую пробирку налейте 5 мл раствора HCl (1 М), во вторую – 2 мл 40%-ного раствора NaOH, в третью – 2 мл дистиллированной воды.

Опустите алюминиевую гранулу или проволоку на 1 минуту в первую пробирку. Далее осторожно слейте кислоту и, вынув алюминий из пробирки, быстро погрузите его в щелочь. Через минуту, вынув алюминий из щелочи, быстро опустите его в дистиллированную воду.

Отметьте, в каком случае газ выделяется более интенсивно:

Пользуясь справочными значениями и данными табл. 1, вычислите ЭДС и составьте ионно-электронные и молекулярные уравнения проведенных реакций.

Кислая среда:

Щелочная среда:

Нейтральная среда:

Опыт 3. Взаимодействие металлов с раствором серной кислоты

с низкой концентрацией

В первую пробирку поместите порошок или кусочек магния а во вторую - кусочек меди. Налейте в каждую пробирку примерно по 2 мл 2 н. раствора серной кислоты.

Отметьте, в какой пробирке происходит выделение газа; что это за газ?

Пользуясь ионно-электронным методом, составьте соответствующее уравнение реакции:

В выводе укажите, какие металлы реагируют с разбавленной серной кислотой. Используя данные табл. 1, укажите значение стандартного электродного потенциала окислителя в данной реакции.

Вывод:

Опыт 4. Взаимодействие металлов с концентрированной азотной

кислотой (опыт проводить в вытяжном шкафу!)

В пробирку поместите кусочек меди и осторожно(!) налейте примерно 2 мл концентрированной азотной кислоты.

Отметьте окраску раствора и выделяющегося газа:

Укажите ион-окислитель и продукт его восстановления:

Методом полуреакций составьте соответствующее уравнение реакции:

Пользуясь справочными данными, в выводе укажите примерные значения электродных потенциалов окислителя и восстановителя данной реакции.

Вывод:

Опыт 5. Взаимодействие металла с раствором соли другого металла

Плату, покрытую медной пленкой и подготовленную для травления, опустите в кювету с раствором хлорида железа(III). Через некоторое время наблюдайте растворение меди на участке с рисунком и изменение цвета раствора.

Наблюдайте восстановление меди (восстановление меди из водных растворов при взаимодействии с более активными металлами называется «цементацией»).

Укажите окислитель и восстановитель и примерные значения их электродных потенциалов в реакции «травления» меди железом(III):

окислитель –

восстановитель –

Запишите ионно-электронное и молекулярное уравнение протекающей реакции «травления»:

В выводе сформулируйте общее правило для реакций взаимодействия металлов с растворами солей.

Вывод:

Общий вывод из оп. 3-5: Выберите оптимальный реагент для использовании в травлении печатных плат.

1 При расчетах обычно объемы берут в мл.

2 Опыты с растворами сульфидов металлов проводить только в вытяжном шкафу при включенной вентиляции!

3 Взаимодействию алюминия с водой препятствует защитная оксидная пленка на поверхности металла. После удаления оксидной пленки реакции могут протекать энергично.

3