Процессы, протекающие на аноде

Аноды бывают нерастворимые (уголь, платина, графит) и растворимые (Zn, Cu, Ni, Ag и др.).

Запомните! При электролизе водных растворов бескислородных (простых) кислот и их солей (кроме HF и фторидов) с нерастворимым анодом на нем происходит окисление анионов кислот:

2Cl – 2ē = Cl₂^o

Фтор нельзя получить электролизом водных растворов, так как он реагирует с водой (F₂ + H₂O = 2HF + ½O₂).

При электролизе водных растворов щелочей, солей кислородосодержащих кислот (HNO₃, Н₂SO₄, Н₃PO₄ и др.), а также HF и фторидов, у нерастворимого анода выделяется кислород. В зависимости от рН раствора этот процесс протекает по разному:

1) в кислой или нейтральной средах:

2Н₂О – 4ē = О₂ + 4Н⁺

2) в щелочной среде:

4ОН^-– 4ē = О₂+ 2Н₂О

Также источником кислорода может служить окисление атомных частиц кислорода, входящего в сложный анион (SO₄^2- - 2e^- = SO₃ + 1/2O₂). Образовавшийся ангидрид кислоты тут же прореагирует с водой (SO₃ + H₂O = H₂SO₄).

Анионы, содержащие неметалл (не кислород) в промежуточной степени окисления (SO₃^2-, NO₂^- и др.), сами окисляются на аноде:

SO₃^2-+ 2Н₂О -2ē = SO₄^2-+ 2Н⁺, NO₂^-+ 2Н₂О -2ē = NO₃^-+2Н⁺,

ClO₃^- + H₂O -2ē = ClO₄^- + 2H⁺, BrO₃^- + H₂O -2ē = BrO₄^- + 2H⁺,

IO₃^-+ 4ОН^--2ē = H₂IO₆^3- + H₂O, IO₃^-+ H₂O-2ē = IO₄^- + 2H⁺.

Однако эти процессы можно представить еще так, например:

SO₃^2- - 2e^- = SO₃,

далее образовавшийся серный ангидрид SO₃ тут же реагирует с водой

SO₃+ Н₂О = Н₂SO₄

Суммарный процесс отвечает вышеприведенной реакции

SO₃^2-+ 2Н₂О -2ē = SO₄^2-+ 2Н⁺

Анионы карбоновых кислот в результате электролиза декарбоксилируются, образуя углеводороды:

2R-COO^-- 2e^-= R-R + 2CO₂ ,

2СН₃СОО^-- 2e^-= СН₃- СН₃+ 2CO₂,

2СН₃СН₂СОО^-- 2e^-= СН₃- СН₂ -СН₂ - СН₃+ 2CO₂.

При электролизе водных растворов солей с растворимым анодом последний сам окисляется, если металл, из которого сделан анод, расположен в ряду Е° раньше других электрохимических систем.

Ионы Меⁿ⁺ при этом переходят в раствор (анод растворяется) и восстанавливаются на катоде. Например, при электролизе водного раствора CuSO₄ с медным анодом последний сам растворяется и на катоде выделяется чистая медь.

Запомните, что на аноде будут окисляться прежде всего те ионы, Е° которых ниже, чем Е° воды или ОН^-- ионов. Ионы, расположенные правее ОН^-, окисляться не будут. Вместо них будут окисляться ионы ОН^- или молекулы Н₂О.

При электролизе расплавов на катоде восстанавливаются ионы металлов до чистого металла. На аноде простые анионы окисляются до простого вещества (2Cl^-+ 2e^- = Cl₂, S^2-+ 2e^-= S). Если анион имеет сложное строение, то в этом случае протекает процесс, требующий наименьших затрат энергии. Если соль, устойчива к нагреванию и элемент находится в наивысшей степени окисления, то обычно окисляется кислород до простого вещества (SO₄^2- -2e^- = SO₃ + ½O₂). Если элемент находится в промежуточной степени окисления, то наиболее вероятно, что в этих условиях будет окисляться не кислород, а элемент, например (NO₂^-- e^- = NO₂)_.

Экспериментальная часть

Взаимодействие металлов с солями. 1. Налить в две пробирки
небольшое количество раствора сульфата меди. В одну из них
опустить железную пластинку или гвоздь, а в другую — кусочек
свинца.

2. В пробирку с раствором ацетата свинца погрузить железную пластинку.

Отметить наблюдаемые явления. Написать в молекулярной, ионной и электронной формах уравнения реакций, происходящих между металлами и солями. Расположить металлы в ряд по их активности, выписав значения их нормальных электродных потенциалов.

Электролиз растворов солей

1. Электролиз раствора хлорида олова (П) SnCl₂. В электролизер (U-образную трубку) налить раствор SnCl₂, добавить 3-4 капли нейтрального раствора лакмуса и перемешать, опустить электроды в раствор и соединить последние с источником постоянного тока.

Учесть, что соль подвергается гидролизу- среда кислая. Что наблюдается на электродах? Напишите суммарное уравнение окислительно-восстановительных реакций, протекающих на электродах.

После окончания электролиза в раствор с анодом внести по 5-6 капель растворов KI и крахмала. Что наблюдается? Объясните наблюдаемые явления. Напишите уравнение окислительно - восстановительной реакции.

2. Электролиз раствора йодида калия KI. В стакан налить раствора KI и добавить 5-6 капель фенолфталеина и столько же раствора крахмала. Раствор перемешать и перелить в электролизер. Опустить в раствор электроды. При необходимости в электролизер долить раствор KI. Соединив электроды с источником тока, наблюдать происходящие явления на электродах. Чем объясняется изменение цвета раствора в катодном и анодном пространствах? Написать уравнение реакции электролиза.

3. Электролиз раствора сульфата натрия Na₂ SO₄. В стакан налить раствор сульфата натрия (в соответствии с объемом U-образной трубки). Добавить 5-6 капель нейтрального раствора лакмуса и перемешать. Влить раствор в электролизер и провести электролиз. Отметить наблюдаемые на электродах явления. Учесть, что соль гидролизу не подвергается – среда нейтральная.

Какие газы выделяются и как изменяется цвет раствора в анодном и катодном пространствах и почему? Написать уравнения полуреакций восстановления и окисления, протекающих на электродах, а также суммарный процесс электролиза.

4. Электролиз раствора хлорида меди CuCl₂. В электролизер налить раствор CuCl₂ и провести электролиз. В колено с анодом опустить фильтровальную бумажку, смоченную растворами KI и крахмала. Что наблюдается и какой газ выделяется?

Через 2-3 минуты отключить электролизер, вынуть катод и отметить выделение на нем красной металлической меди. Составить полуреакции окисления и восстановления, протекающие на электродах, а также суммарный процесс электролиза.

Электролитическое рафинирование меди. В качестве анода берут полоску металлической меди, а катодом является угольный стержень. В электролизер налить 20% раствор серной кислоты, опустить туда электроды и провести электролиз. Объяснить процессы, идущие на электродах.

Лабораторная работа № 13

Коррозия металлов [13]

Теоретическая часть

Коррозия – процесс разрушения металлов под действием окружающей среды. Различают химическую и электрохимическую коррозии. Химическая -это непосредственное взаимодействие металла с токонепроводящей средой (O₂, СО, SO₂, H₂S) при высокой температуре:

М_е^о – 2ē = М_е²⁺2

O₂^о + 4ē = 2О^-2 1

2М_е^о + O₂^о = 2М_еО

Электрохимическая коррозия – процесс разрушения металла в растворе электролита (атмосферная, почвенная, в растворе электролита, контактная). Она аналогична работе гальванического элемента.

В воде обычно содержится растворенный кислород –окислитель, также ионы водорода – окислители – результат растворения в воде газообразных веществ.

В нейтральной среде атомы железа под действием кислорода и воды окисляются (полное окисление):

Fe^o+ nH₂O – 3ē = Fe³⁺ ^.nH₂O 4 анодный процесс

O₂^о + 2H₂O + 4ē = 4ОН^- 3 катодный процесс

4Fe^o+ (4n + 6)H₂O + 3O₂^о = 4Fe³⁺ ^.nH₂O + 12ОН^-

4Fe^o+ 6H₂O + 3O₂^о = 4Fe(OH)₃

В кислой среде атомы железа под действием ионов водорода окисляются (полное окисление):

Fe^o+ nH₂O – 3ē = Fe³⁺ ^.nH₂O 2 анодный процесс

2H⁺ + 2ē = H₂ 3 катодный процесс

2Fe^o+ 2nH₂O + 6H⁺ = 2Fe³⁺ ^.nH₂O + 3H₂

Кислород, растворенный в воде или нейтральном водном растворе, может окислить металлы от начала ряда стандартных электродных потенциалов до серебра (РСЭП).

Ионы водорода, находящиеся в воде, могут окислить металлы от начала РСЭП до кадмия.

Коррозия оцинкованного железа (Zn = анод, Fe = катод):

Zn^o – 2ē = Zn²⁺ 1 анодный процесс

2H⁺ + 2ē = H₂ 1 катодный процесс

Коррозия луженного железа (полное окисление, Fe = анод, Sn = катод):

Fe^o – 3ē = Fe³⁺ 1 анодный процесс

2H⁺ + 2ē = H₂ 1 катодный процесс

Экспериментальная часть

1. Коррозия оцинкованного и луженого железа. В пробирку внести 1 мл дистиллированной воды, добавить 5-6 капель раствора концентрирован-ной H₂SO₄ и столько же раствора гексациано-феррата (Ш) калия K₃[Fe(CN)₆]. Полученный раствор размешать и разделить на две части, перелив в две пробирки. В первую пробирку опустить цинковую пластинку, обвитую железной проволокой. Во вторую пробирку опустить пластинку из олова, обвитую железной проволокой. Что наблюдается в пробирках через 5 минут после погружения? Написать уравнения полуреакций окисления и восстановления в каждом случае. Почему в первой пробирке изменение цвета не наблюдается, а во второй пробирке раствор окрашивается в синий цвет? Написать уравнения соответствующих реакций:

Fe + H₂SO₄ →; FeSO₄ + K₃[ Fe(CN)₆] →,

Zu + H₂SO₄→; ZuSO₄ + K₃[Fe(CH)₆] →

В последнем случае образуется малорастворимое комплексное соединение бледно-желтого цвета.

2. Коррозия металлов в нейтральной среде. 1. В U- образную трубку внести раствор NaCl и в оба колена добавить 2-3 капли фенолфталеина. Приготовить цинковую, медную пластинки и медную проволоку. Одним концом медной проволоки обмотать цинковую пластинку, другим концом - медную пластинку. Пластинки опустить в колена U-образной трубки и оставить на несколько минут. Наблюдать появление малиновой окраски в растворе возле медной пластинки. Написать уравнения полуреакций окисления и восстановления, протекающих на электродах:

Zn + nH₂O - 2e^- = Zn^{2+ .} nH₂O

O₂ + 2H₂O + 4e^- = 4OH^-

2. В три пробирки внести разбавленный раствор NaCl и добавить по 3-4 капли раствора фенолфталеина. В первую пробирку опустить медную проволоку, обвитую цинковой проволокой. Во вторую - железный гвоздь с плотно накрученной цинковой проволокой. В третью - медный стержень, обвитый железной проволокой. Через 5 минут отметить изменение цвета растворов с медной проволокой, железным гвоздем и медным стержнем. Чем это объясняется? Написать полуреакций окисления и восстановления.

Затем в каждую пробирку добавить по 5-6 капель раствора K₃[Fe(CN)₆]. Что наблюдается? Написать уравнения реакций:

Zn²⁺ + K₃[Fe(CN)₆] →,

Fe²⁺ + K₃[Fe(CN)₆] →.

Щелочная среда на катоде создается за счет восстановления кислорода:

O₂ + 2H₂O + 4e^- = 4OH^-

3. Ингибирование процесса коррозии металла. В две пробирки внести по 1 мл раствора HCl. В одну добавить 5-6 капель уротропина. Затем обе пробирки нагреть и опустить в каждую железный гвоздь. Наблюдать происходящие явления через 3-4 мин.

Часть II. Неорганическая химия

Лабораторная работа № 14

Получение и свойства кислорода [14]

1. Получение кислорода при разложении перманганата калия. Поместить в пробирку около 0,5 г перманганата калия и укрепить в штативе вертикально. Нагреть пробирку с перманганатом калия на спиртовке. Внести в пробирку тлеющую лучинку и убедиться в выделении кислорода. После окончания опыта и охлаждения пробирки налить в нее несколько мл. воды и взболтать. Наблюдать цвет образовавшихся веществ( K₂MnO₄ – раствор зеленого цвета, MnO₂ – темно-бурый осадок.

Написать уравнение реакции разложения перманганата калия. В каких условиях может быть получен кислород из перекиси бария и бертолетовой соли? Напишите уравнения реакций.

2. Получение кислорода при каталитическом разложении хлората калия (бертолетовой соли- KClO₃). Поместить в пробирку около 0,5 г хлората калия и укрепить в штативе вертикально. Нагреть пробирку с хлоратом калия на спиртовке до плавления соли. Как только соль начнет плавиться, прекратить нагревание и тотчас же всыпать в пробирку с кончика микрошпателя немного диоксида марганца. Внести в пробирку тлеющую лучинку и убедиться в выделении кислорода.

Написать уравнение реакции разложения хлората калия.

Свойства кислорода

Взаимодействие кислорода с неметаллами (под тягой). Положить в ложечку для сжигания кусочек серы величиной с горошину, поджечь ее на пламени горелки. Обратить внимание на цвет и размер пламени горящей серы. Внести горящую серу в банку с кислородом. Какие изменения в горении серы наблюдаются?

Положить в ложечку для сжигания небольшой кусочек древесного угля, накалить и внести в банку с кислородом. Как меняется интенсивность горения угля в кислороде?

Взаимодействие кислорода с металлами. Свернуть спиралью отрезок стальной проволоки и прищепить его к концу ложечки для сжигания. Присоединить к проволоке кусочек корковой пробки. Поджечь пробку и быстро внести проволоку в банку с кислородом. Что происходит? Написать уравнение реакции.

Какой вывод о свойствах кислорода можно сделать на основании проведенных опытов? Как влияет на интенсивность горения веществ замена воздуха кислородом? Чем это объясняется?

Контрольные вопросы

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 443; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!