ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ МЕТАЛЛОВ




 

Цель работы: Знакомство с окислительно-восстановительными процессами с участием металлов

Реактивы и приборы: металлы – цинк, железо, натрий, калий, кальций, магний, медь, алюминий; концентрированные кислоты – серная, азотная; концентрированный раствор щелочи, растворы солей – ацетата свинца, хлорида олова (II), сульфата меди (II), фенолфталеин; кристаллизатор, спиртовка.

Сравнение окислительно-восстановительных свойств металлов

Опыт 1. В две пробирки положите по кусочку металлического цинка и прилейте в одну 1-2 мл раствора ацетата свинца Pb(CH3COO)2, а в другую - хлорида олова (II). Что происходит? Напишите уравнения реакций.

Опыт 2. В пробирку с 1-2 мл раствора сульфата меди (II) поместите железную пластинку, предварительно очистив ее нижний конец от ржавчины. Что происходит? Напишите уравнение реакции.

Вытеснение водорода из воды активными металлами

Внимание! Щелочные и щелочноземельные металлы брать только пинцетом.

Опыт 3. В кристаллизатор объемом 0,5-1 л налейте воды до половины объема и поставьте перед ним прозрачный защитный экран. Из склянки с керосином вытащите кусочек натрия, положите на фильтр, промочите и отрежьте скальпелем небольшой кусочек. Обратите внимание, что блестящая поверхность среза быстро тускнеет вследствие окисления натрия. Оставшийся кусочек натрия положите в склянку с керосином, а взятый для опыта перенесите в кристаллизатор с водой. Наблюдайте процесс взаимодействия натрия с водой. После окончания реакции добавьте в кристаллизатор фенолфталеин. Напишите уравнение реакции.

Опыт 4. Повторите опыт, заменив натрий калием.

Опыт 5. Извлеките из склянки с керосином кусочек кальция, положите на фильтр, промокните, и, придерживая пинцетом, с помощью скальпеля зачистите часть поверхности. Опустите кальций в воду, добавьте фенолфталеин, наблюдайте взаимодействие кальция с водой. Напишите уравнение реакции.

Окислительные свойства ионов водорода

Опыт 6. В четыре пробирки налейте по 1-2 мл 2 н. раствора соляной кислоты и опустите в них кусочки металлов: магния, цинка, железа, меди. Выделяющийся газ испытайте горящей лучиной. Составьте уравнения реакций. Повторите опыт, заменив соляную кислоту 2 н. раствором H2SO4.

Действие концентрированной серной кислоты на металлы (тяга!).

Опыт 7. В три пробирки налейте по 1 мл концентрированной H2SO4. Опустите в одну пробирку кусочек цинка, в другую – железа, в третью – меди. При необходимости осторожно подогрейте. Какие газы выделяются? Напишите уравнения реакций.

Взаимодействие алюминия с раствором щелочи и водой

Опыт 8. Возьмите кусочек алюминиевой проволоки. Зачистите один ее конец (~ 1 см) наждачной бумагой и опустите в концентрированный раствор щелочи. Какой газ выделяется? Напишите уравнение реакции.

Через минуту, вынув проволоку из раствора щелочи, быстро перенесите ее в пробирку с дистиллированной водой. Почему идет реакция? Напишите ее уравнение.

Действие азотной кислоты на медь (тяга!)

Опыт 9. Опустите в две пробирки по кусочку меди и добавьте в одну раствор разбавленной азотной кислоты, в другую – концентрированной. Пробирку с разбавленной кислотой осторожно подогрейте. Какие газы выделяются? Напишите уравнения реакций.

 

**************************************

Примеры решения задач

Пример 1

Определите величину электродного потенциала хромового электрода,
погруженного в раствор соли CrCl3 с молярной концентрацией: а) 0,1 моль/л;
б) 0,01 моль/л; в) 0,001 моль/л. Сделайте вывод о величине электродного потенциала в зависимости от молярной концентрации раствора.

Дано: СМ = 0,001 моль/л Е0Cr3+|Cr = – 0,74 В Решение Для определения значения электродного потенциала воспользуемся уравнением Нернста: 0,059 E = E0 + ——–– lg [Men+] n
Е1 (Cr3+|Cr)? Е2 (Cr3+|Cr)? Е3 (Cr3+|Cr)?

 

В данном случае [Men+] = [Cr 3+]:

а) [Cr 3+] = 0,1 моль/л, отсюда:

 

0,059 0,059

Е1 (Cr3+|Cr) = Е0Cr3+|Cr + —–– lg [Cr 3+] = – 0,74 + —–– lg 10–1 =

n 3

0,059

= – 0,74 + —–– (–1) = – 0,74 + (– 0,02) = – 0, 759 (В);

 

б) [Cr 3+] = 0,01 моль/л:

0,059 0,059

Е2 (Cr3+|Cr) = Е0Cr3+|Cr + ——–– lg[Cr3+] = – 0,74 +—–– lg10–2 = – 0, 779 (В);

n 3

 

в) [Cr 3+] = 0,001 моль/л:

0,059 0,059

Е3 (Cr3+|Cr) = Е0Cr3+|Cr +—–– lg[Cr3+] = – 0,74 + ——– lg10–3 = – 0, 799 (В).

n 3

Сравнив значения вычисленных электродных потенциалов, делаем вывод, что с разбавлением раствора, в который погружен хромовый электрод, электродный потенциал последнего уменьшается.

Ответ: Е1 (Cr3+|Cr) = – 0, 759 В; Е2 (Cr3+|Cr) = – 0, 779 В; Е3 (Cr3+|Cr) = – 0, 799 В.

Пример 2

Определите ЭДС гальванического элемента Fe|0,1М FeSO4 || 0,1М Н+| Pt, Н2(степень электролитической диссоциации FeSO4 – 60 %).

Дано: α(FeSO4) = 60 % = 0,6 СМ = [FeSO4] = 0,1М Решение 1. Найдем концентрацию ионов Fe2+ в 0,1М растворе FeSO4: [Fe2+] = α (FeSO4) [FeSO4] = 0,6 0,1 = 0,06 моль/л.
ЕГЭ=?   2. Найдем электродный потенциал железного электрода:

 

0,059 0,059

Е Fe2+| Fe = Е0 Fe2+| Fe + ——–– lg[Fe2+] = – 0,44 + ——–– lg 6 10–2 = – 0, 476 (В).

n 2

 

3. Вычислим электродный потенциал водородного электрода:

0,059 0,059

Е2Н+2 = Е0Н2| 2Н+ + ——–– lg [Н+] = 0,00 + ——–– lg 10–1 = – 0, 059 (В).

n 1

 

4. В соответствии со значениями электродных потенциалов работает следующая гальваническая цепь:

ē

|

(–) Fe | FeSO4 || 2Н+ | Pt, Н2 (+)

 

На электродах происходят следующие процессы:

 

(–) анод (Fe) (+) катод (Pt, Н2)

Fe – 2ē = Fe2++ + 2ē = Н2

 

5. Электродвижущая сила данного гальванического элемента:

ЕГЭ = Екатода – Еанода = Е2Н+2 – ЕFe2+|Fe = – 0,059 – (–0,476) = 0,417 (В).

Ответ: Е ГЭ = 0,417 В

Пример 3

Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых свинцовый электрод являлся бы катодом, а в другом – анодом. Напишите уравнения реакций, происходящих при работе этих элементов, и вычислите значения их стандартных ЭДС (ΔЕ0).

Дано: Е0 Pb|Pb2+ = – 0,13 В Решение 1. Если катодом является свинцовый электрод, то в качестве материала анода следует использовать более активный металл, то есть металл с меньшим (более отрицательным) значением электродного потенциала.
Е01? Δ02?

Такую функцию может, например, выполнить стандартный кобальтовый электрод, у которого Е0 Со|Со2+ = – 0,28 В. Электроны будут перемещаться от кобальтового электрода к свинцовому, а гальваническая цепь данного элемента будет следующая: ē

|

(–) Со | Со2+ || Pb2+ | Pb (+)

 

На электродах происходят следующие процессы:

 

(–) анод (Со) (+) катод (Pb)

Co – 2ē = Co2+ Pb2+ + 2ē = Pb

 

Рассчитаем ЭДС такого гальванического элемента:

Е01 = Е катода – Е анода = Е0Pb2+|Pb – Е0Со2+|Со = – 0,13 – (–0,28) = 0,15 В.

2. В гальваническом элементе, со свинцовым анодом, в качестве материала катода следует использовать менее активный металл, то есть металл с большим значением электродного потенциала, например, стандартный серебряный электрод (Е0 Ag|Ag+ = + 0,80 В). Гальваническая цепь данного элемента:

ē

|

(–) Pb | Pb2+ || Ag+ | Ag (+)

 

Электроны перемещаются от свинцового электрода к серебряному, а на электродах происходят следующие процессы:

 

(–) анод (Pb) (+) катод (Ag)

Pb – 2ē = Pb2+ Ag+ + 2ē = Ag

 

ЭДС такого гальванического элемента будет следующей:

ΔЕ02 = Екатода – Еанода = Е0Ag+|Ag – Е0Pb2+|Pb = + 0,80 – (–0,13) = 0,93 (В).

Ответ: ΔЕ01 = 0,15 В, Е02 = 0,93 В.

Пример 4

Составьте уравнения процессов, происходящих при электролизе следующих растворов (электроды инертные):

1) раствора KNO3

Решение

Соль диссоциирует по реакции: KNO3(р–р) Û K+ + NO3¯

Стандартный электродный потенциал системы К+ + ē = К (-2,92 В) значительно меньше – 0,41 В. В связи с этим на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды (рН раствора KNO3 равен 7), сопровождающееся выделением газообразного водорода, а на аноде – электрохимическое окисление воды, так как ионы NO3¯ – кислородсодержащие ионы. Схема электролиза будет следующей:

 

Катод (–): K+, Н+, H2O Анод (+): NO3¯, ОН, H2O

х 2 │ 2H2O + 2ē = H2 + 2OH¯ 2H2O – 4ē = O2 + 4H+

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

6H2O = 2H2 + O2 + 4OH¯ + 4H+ или 2H2O = 2H2↑ + O2↑.

2) раствора CoCl2

Решение

CoCl2 (р–р) Û Co2+ + 2ClЗначение стандартного электродного потенциала системы Co2+ + 2ē = Co (– 0,28 В) близко к значению – 0,41 В.

В связи с этим на катоде происходит электрохимическое восстановление как катионов Co2+, так и воды, с выделением и металла и газообразного
водорода.

На аноде происходит электрохимическое окисление ионов хлора (бескислородные ионы).

Схема электролиза будет следующей:

 

Катод (–): Co2+, Н+, H2O Анод (+): 2Cl¯, ОН¯, H2O

Co2+ + 2ē = Co

2H2O + 2ē = H2 + 2OH¯ 2Cl¯ – 2ē = Cl2

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Co2+ + 2H2O = Co + H2↑+ Cl2↑ + 2H+

 

CoCl2 + 2H2O = Co + H2↑ + Cl2↑ + H2SO4.

Пример 5

Какая масса серебра выделится на катоде, если ток силой 6 А пропускать через электролизер с раствором нитрата серебра в течение 1 часа (выход по току – 90%). Составьте уравнения процессов, происходящих при электролизе.

Дано: I = 6 А τ = 1 час = 3600 с ω = 90% Решение 1. Е0 Ag|Ag+ = + 0,80 В >> 0,41 В, следовательно, на катоде идет восстановление катионов Ag+, а на аноде – электрохимическое окисление воды (так как анионы NO3 – кислородсодержащие анионы).
mпрактич.(Ag)=?

 

Схема электролиза:

AgNO3 (р–р) Û Ag+ + NO3¯

 

Катод (–): Ag+, Н+, H2O Анод (+): NO3¯, ОН¯, H2O

Ag+ + ē = Ag 2H2O – 4ē = O2 + 4H+

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

4Ag+ + 2H2O = 4Ag + O2 + 2H+

 

2. Согласно закону Фарадея:

 

Мэ(Ag) 108 г/моль

m (Ag)= ––––––– I•τ = –––––––––––––– • 6А • 3600с = 24,2 г

F 96500 Кл/моль

 

3. Вследствие побочных продуктов только 90% прошедшего через раствор электричества принимало участие в восстановлении ионов серебра. Поэтому масса серебра, выделившегося на катоде, будет равна:

mпрактич.(Ag) = mтеор. (Ag) • ω = 24,2 г • 0,9 = 21,8 г

 

Ответ: mпрактич. (Ag) = 21,8 г

Пример 6.

Алюминий склепан с медью. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если эти металлы попадут в кислую среду? Составьте схему гальванического элемента, образующегося при этом.

Решение.

Исходя из положения металлов в ряду стандартных электродных потенциалов, определяем, что алюминий более активный металл:

E0Al3+|Al = – 1,66 В, Е0Cu2+| Cu = + 0,34 В.

В образующейся гальванической паре алюминий будет анодом и будет подвергаться коррозии, а медь – катодом, на котором выделяется водород:

Al – 3 ē = Al3+; (Cu) 2H+ + 2 ē = H2

 

Образуется гальванический элемент:

ē ē

|–––––––––– |–––––––––––––––––

Al | Н+ | Cu, или более подробно: (–)Al | Al3+ | Н+ | Cu, H2

Пример 7.

Железо покрыто никелем. Какой металл будет корродировать в случае разрушения поверхности покрытия? Коррозия происходит: а) в щелочной среде в присутствии кислорода; б) в щелочной среде в отсутствии кислорода. Составьте схемы микрогальванических элементов, образующихся при этом.

 

Решение

1. При нарушении поверхностного слоя никеля на железе корродировать будет более активный металл – железо (E0Fe2+|Fe = – 0,44 В < Е0Ni2+| Ni = – 0,25 В), то есть железо будет окисляться и в виде ионов переходить в раствор по реакции
Fe – 2ē = Fe2+.

На никеле будут происходить следующие процессы:

а) в щелочной среде в присутствии кислорода восстанавливается
кислород:

O2 + 4ē + 2H2O = 4OH¯;

 

ē ē

|––––––––––––––––– |–––––––––––––––––––––––––

Fe | ОН¯, О2 | Ni, или более подробно: (–)Fe / Fe2+ | ОН¯, О2 | Ni;

 

б) в щелочной среде в отсутствии кислорода восстанавливается вода:

2H2O + 2ē = H2­+ 2OH¯.

В образующейся гальванической паре железо – анод, а никель – катод, то есть образуется гальванический элемент:

ē ē

|––––––––––––––– |–––––––––––––––––––––––––––

Fe | ОН¯ | Ni, или более подробно: (–)Fe | Fe2+ | ОН¯ | Ni, Н2

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-03-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: