Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


ѕравила процесса восстановлени€ на катоде и окислени€ на аноде




¬ общем случае из нескольких возможных полуреакций на катоде будет протекать та, электродный потенциал которой больше. ѕрактически при электролизе водных растворов солей следует руководствоватьс€ следующими правилами дл€ определени€ протекающего на катоде процесса восстановлени€:

1) если металл, образующий соль, стоит в р€ду напр€жений до Al включительно, то восстанавливаютс€ молекулы воды и выдел€етс€ водород;

2) если металл, образующий соль, стоит в р€ду напр€жений после Al, но до водорода, то восстанавливаютс€ и катионы металла, и молекулы воды;

3) если металл, образующий соль, стоит в р€ду напр€жений после водорода, то восстанавливаютс€ катионы металла.

ћеталлы в электрохимическом р€ду напр€жений располагаютс€ в пор€дке возрастани€ стандартных электродных потенциалов полуреакций:

–€д начинаетс€ с активных металлов (первым стоит Li) и заканчиваетс€ неактивными (благородными металлами, Pt, Au). Ёлектрохимический р€д напр€жений металлов дл€ некоторых металлов представлен ниже:

 атодные процессы в водных растворах солей

LiЕЕЕЕAl ZnЕЕЕЕЕPb H BiЕЕЕ..Pt
2H2O + 2eЦ = H2 + 2OHЦ ћеn+ + neЦ = ћео 2H2O + 2eЦ = H2 + 2OHЦ   ћеn+ + neЦ = ћео

ѕри электролизе растворов кислот на катоде восстанавливаютс€ катионы водорода до молекул€рного водорода:

¬ общем случае из нескольких возможных полуреакций на аноде будет протекать та, электродный потенциал которой меньше. ѕроцессы, протекающие на аноде, завис€т от материала анода. ѕрактически при электролизе водных растворов солей следует руководствоватьс€ следующими правилами дл€ определени€ протекающего на аноде процесса окислени€:

1) если анод растворимый, то окисл€етс€ металл, из которого состоит анод, до катионов металла;

2) если анод нерастворимый, а анион бескислородный (ClЦ, BrЦ, IЦ, S, кроме FЦ), то окисл€етс€ анион до соответствующего простого вещества (Cl2, Br2, I2, S);

3) если анод нерастворимый, а анион кислородсодержащий, то окисл€ютс€ молекулы воды:

ѕри электролизе растворов щелочей на аноде окисл€ютс€ гидроксид-ионы до молекул€рного кислорода:

јнодные процессы в водных растворах

Ќерастворимый анод   –астворимый анод
 ислотные остатки   ќЌЦ
бескислородных кислот кислородсодержащих кислот, FЦ
2ClЦ Ц 2eЦ = Cl2 S2- Ц 2eЦ = S 2H2O - Ц 4eЦ = O2 + 4H+ 4OHЦ Ц 4eЦ = O2 + 2H2O ћео Ц neЦ = ћеn+

 

ѕри составлении схемы электролиза следует записать уравнени€ полуреакций на катоде, на аноде и суммарное уравнение электролиза. ¬ случае, если на катоде протекают оба процесса восстановлени€ воды и катионов металла, суммарное уравнение электролиза на записывают.

ѕример 1. —оставьте схему электролиза расплава хлорида кали€ на графитовых электродах.

–ешение. √рафитовые электроды нерастворимы и не участвуют в электродных процессах. ¬ расплаве хлорид кали€ распадаетс€ на ионы:

ѕри электролизе расплава соли на катоде восстанавливаютс€ катионы металла до свободного металла, а на аноде окисл€ютс€ анионы бескислородных кислот. —оставл€ем схему электролиза:

 -:    
ј+:    
     

—уммарное уравнение электролиза в молекул€рной форме имеет вид:

.

ѕример 2. —оставьте схему электролиза водного раствора: а) хлорида натри€ на графитовых электродах; б) сульфата цинка на нерастворимых электродах; в) сульфата меди на медных электродах.

–ешение. ѕри составлении схемы электролиза водных растворов солей будем руководствоватьс€ приведенными выше правилами восстановлени€ на катоде и окислени€ на аноде.

а) ’лорид натри€ в растворе диссоциирует на ионы:

.

Ќа катоде будут восстанавливатьс€ молекулы воды, так как Na стоит в р€ду напр€жений до Al. Ќа нерастворимом аноде будет окисл€тьс€ бескислородный анион ClЦ:

 -:    
ј+:    
     

¬ молекул€рном виде:

.

б) —ульфат цинка диссоциирует на ионы в растворе:

.

Ќа катоде будут восстанавливатьс€ молекулы воды и катионы цинка, поскольку Zn стоит в р€ду напр€жений между Al и H2. Ќа нерастворимом аноде будут окисл€тьс€ молекулы воды, так как анион кислородсодержащий:

 -:
ј+:
   

ѕоскольку на катоде идет два процесса, суммарное уравнение электролиза не составл€етс€.

в) —ульфат меди диссоциирует в растворе на ионы:

Ќа катоде будут восстанавливатьс€ катионы меди, так как Cu стоит в р€ду напр€жений после H2. Ќа растворимом медном аноде будет идти окисление металла анода, т. е. меди до катионов меди:

 -:    
ј+:    
     

¬ данном случае при электролизе в системе никаких новых продуктов не образуетс€. ѕроцесс электролиза сводитс€ к растворению меди на аноде и осаждению ее на катоде. Ётот процесс называетс€ электролитическим рафинированием и используетс€ дл€ получени€ чистых металлов.

 

ћинимальное напр€жение, которое необходимо приложить от внешнего источника тока дл€ протекани€ процесса электролиза называетс€ напр€жением разложени€. ≈го можно рассчитать как разность электродных потенциалов с учетом перенапр€жений:

,

где E разл Ц напр€жение разложени€, ¬; E а, E к Ц электродные потенциалы полуреакций, протекающих на аноде и катоде соответственно, ¬; hа, hк Ц перенапр€жени€ анодной и катодной полуреакций соответственно, ¬.

ѕеренапр€жение Ц разность потенциала электрода под током и в отсутствие тока. ќно зависит от природы веществ, участвующих в полуреакции, материала электрода, состава раствора или расплава, силы тока, температуры и многих других факторов.

—амые большие значени€ перенапр€жени€ наблюдаютс€ в случае образовани€ на электродах водорода и кислорода. ѕри этом величина перенапр€жени€ в наибольшей степени зависит от материала электрода. ѕриближенные значени€ перенапр€жений выделени€ водорода и кислорода в зависимости от материала электрода приведены в справочниках. ѕри этом выделение водорода в нейтральной и щелочной среде идет в соответствии с полуреакцией

а выделение кислорода в нейтральной и кислой среде Ц согласно полуреакции

«аконы ‘араде€

 оличественные закономерности электролиза определ€ютс€ законами ‘араде€, которым можно дать следующую общую формулировку: массы (объемы дл€ газов) исходных веществ и продуктов окис-лительно-восстановительной реакции, протекающей при электролизе, пр€мо пропорциональны количеству электричества, пропущенного через раствор или расплав электролита, и мол€рным массам эквивалентов (мол€рным объемам эквивалентов дл€ газов) соответствующих веществ. «акон ‘араде€ выражаетс€ следующим уравнением:

,

где m (A) Ц масса вещества ј, г; Ц мол€рна€ масса эквивалента вещества ј, г/моль; I Ц сила тока, ј; t Ц врем€ электролиза, с; F Ц посто€нна€ ‘араде€, равна€ 96 484  л/моль; M (A) Ц мол€рна€ масса вещества ј, г/моль; z Ц число эквивалентности.

„исло эквивалентности z в окислительно-восстановительной реакции определ€етс€ числом электронов, эквивалентных одной молекуле вещества. ѕроизведение силы тока на врем€ электролиза представл€ет собой количество пропущенного электричества.

¬ случае газообразного вещества A закон ‘араде€ можно также выразить следующим уравнением:

,

где V (A) Ц объем вещества ј, л; Ц мол€рный объем эквивалента вещества ј, л/моль; Vm Ц мол€рный объем газа, равный 22,4 л/моль при н. у.

ѕример. ќпределите объем (н. у.) выделившегос€ на нерастворимом аноде кислорода при электролизе раствора гидроксида натри€, если через раствор пропускали ток силой 300 мј в течение 1 ч.

–ешение. —оставл€ем схему электролиза (чтобы найти z):

.

Ќа катоде восстанавливаетс€ вода (Na стоит до Al), на аноде окисл€ютс€ гидроксид-ионы:

 -:    
ј+:    
     

Ёлектролиз сводитс€ к разложению воды.

ќбъем выделившегос€ кислорода находим по формуле.

ѕереводим врем€ из часов в секунды: t = 1 × 60 × 60 = 3600 c.

—илу тока представл€ем в амперах: I = 0,3 ј.

„исло эквивалентности z можно определить по уравнению окислени€ воды на аноде (см. выше): на получение одной молекулы кислорода приходитс€ 4 электрона, значит, z = 4.

¬ычисл€ем объем выделившегос€ кислорода:

л.

—“–ќ≈Ќ»≈ ј“ќћј

 

јтомы и составл€ющие их частицы относ€тс€ к микроскопическим телам. —войства таких частиц определ€ютс€ их движением и взаимодействием. явлени€, св€занные с поведением частиц микромира, удаетс€ пон€ть и описать только на основании законов и представлений квантовой механики.

 вантова€ механика представл€ет собой теорию, устанавливающую способ описани€ и законы движени€ микрочастиц в заданных внешних пол€х. ќна позвол€ет описать структуру атомов, расшифровать их спектры, установить природу химической св€зи. ¬ отличие от представлений классической физики все частицы в квантовой механике рассматриваютс€ как носители корпускул€рных и волновых свойств, которые не исключают, а дополн€ют друг друга. ѕредставлени€ о дуализме (двойственной природе) материи потребовали нового подхода к описанию состо€ни€ физических систем и их изменени€ во времени. »з квантовой механики вытекает, что не все физические величины могут одновременно иметь точные значени€.

ќтличительна€ черта квантовой теории Ц дискретность. ƒискретность в переводе с латинского €зыка означает Ђразделенный, прерывистый, изменение, происход€щее скачкамиї. ¬ начале прошлого века немецкий физик ћ. ѕланк в процессе изучени€ распределени€ теплового излучени€, испускаемого нагретыми телами, установил, что энерги€ излучаетс€ не непрерывно, а квантами, равными величинам h :

= h , (1)

где ≈ Ц энерги€ кванта; Ц частота колебани€; h Ц квант действи€, позже названный посто€нной ѕланка.

ѕостулат ѕланка положен в основу квантовой механики. ¬ыражение (1) стало количественной основой гипотезы, согласно которой атомы принимают и излучают энергию квантами, мельчайшими, далее неделимыми порци€ми. ѕосто€нна€ ѕланка h разграничивает области €влений, которые можно описывать с применением законов классической физики, в этих случа€х ее можно считать равной нулю, и области, дл€ правильного истолковани€ которых необходима квантова€ теори€.

 о времени по€влени€ квантовой механики уже было известно, что электромагнитное излучение способно обнаруживать как волновые, так и корпускул€рные свойства. Ёти представлени€ Ћуи де Ѕройль перенес на электроны. »з совместного решени€ уравнений (1) ѕланка и уравнени€ (2) Ёйнштейна

= mc 2 (2)

следует, что h = 2.

¬ыразим через с и , дл€ фотона получим . ќсобенностью фотонов €вл€етс€ то, что они не имеют массы поко€ и существуют лишь при движении со скоростью света.

или .

ƒл€ материальной точки с массой m и скоростью движени€ уравнение принимает вид, предложенный де Ѕройлем:

= , (3)

где - длина волны электрона; h - посто€нна€ ѕланка; m - масса электрона; - его скорость; с - скорость света.

Ёлектроны движутс€ со скорост€ми существенно меньшими, чем скорость света. —корость света в пустоте равна 2,997 925 Ј 108 м/с, скорость движени€ электрона на первой, самой близкой к €дру орбите равна 2 185 000 м/с.

»з уравнени€ де Ѕройл€ следует, что движение микрочастиц св€зано с распространением волн. ”равнение (3) св€зывает количество движени€ m характеристику вещественной формы существовани€ материи с характеристикой материального пол€, длиной волны через фундаментальную константу природы h.

—ледующим шагом на пути создани€ волновой механики была иде€, сформулированна€ ¬. √ейзенбергом. Ёта иде€ объ€сн€ла двойственную природу электрона, она по€вилась почти одновременно с идеей де Ѕройл€.

ѕринцип неопределенности √ейзенберга: дл€ тел атомного масштаба нельз€ указать одновременно их точное положение в пространстве и направление движени€.

ћожно указать только веро€тность нахождени€ электрона в определенном положении в любой момент времени. ћатематическое выражение принципа неопределенности:

, (4)

где и обозначают неопределенности в измерении координаты и импульса частицы.

»з этого принципа следует, что траекторию частицы атомного масштаба нельз€ рассматривать с математической точностью. —уществует полоса неопределенности, в которой частица может двигатьс€ по всей области возможных положений.

ѕредставлени€ о волновой природе электронов получили экспериментальное подтверждение. Ѕыло установлено, что пучок электронов может давать дифракционный эффект, характерный только дл€ волн. ƒлины волн, полученные экспериментально, совпали с рассчитанными по уравнению де Ѕройл€.

 вантова€ механика описывает атом как систему сто€чих волн вокруг €дра. —истему сто€чих волн можно представить как струны, концы которых закреплены, и они могут колебатьс€ с определенными частотами. Ќа определенном очень малом рассто€нии от €дра атома амплитуды этих волн станов€тс€ незначительными, как бы ограничива€ тем самым размер атома.

¬ качестве модели дл€ описани€ поведени€ электрона в атоме ¬. Ўредингер предложил использовать волновое уравнение классической механики:

, (5)

где ј - амплитуда волны; с - скорость перемещени€ волны; t - врем€ перемещени€ волны.

ƒл€ описани€ модели атома, движение которого подобно сто€чей волне, Ўредингер предложил уравнение, не содержащее скорости и времени:

, (6)

где - трехмерный аналог величины ј в уравнении (5), а x, y, z - координаты трехмерного пространства.

≈сли в уравнение (5) подставить значение длины волны (3), то оно будет иметь вид

. (7)

»звестно, что полна€ энерги€ системы равна сумме потенциальной U икинетической m 0 /2 энергий:

≈ = U + m 0 /2. (8)

¬ыразив из уравнени€ (8) и подставив его в уравнение (7), получим

. (9)

”равнение (9) позвол€ет определить значение волновой функции .  вадрат ее модул€ | 2| определ€ет веро€тность данного состо€ни€ и, следовательно, веро€тности дл€ значений физических величин, характеризующих данное состо€ние.

¬олнова€ функци€ - это характеристика электрона, она имеет определенное значение в любой точке пространства и формально €вл€етс€ трехмерным аналогом амплитуды плоской волны.  вадрат волновой функции 2 пропорционален веро€тности нахождени€ частицы (электрона) в данной области пространства с координатами x, y, z. ≈сли электрон рассматривать как размытое распределение отрицательного зар€да в пространстве, то 2 - веро€тность нахождени€ электрона в данной единице объема пространства. “очное положение электрона в пространстве в любой момент времени определить нельз€, но с помощью квадрата волновой функции можно указать веро€тность его нахождени€ в определенном положении в любой момент времени. –ешение уравнени€ Ўредингера позвол€ет найти вид волновой функции и энергию электрона.

¬ приложении к атомам волнова€ механика дает те же результаты, что и боровска€ модель дл€ уровней энергии электрона в атоме водорода, но в то же врем€ с ее помощью можно правильно описать свойства более сложных атомов, чем атом водорода.

–ешени€ волнового уравнени€ Ўредингера могут быть получены только при определенных услови€х. Ќа орбите, по которой движетс€ электрон, должно укладыватьс€ целое число длин волн. „исло раз, которое длина волны укладываетс€ на орбите, соответствует квантовому числу электрона n.

ќбласть пространства, в которой веро€тность обнаружени€ электрона составл€ет 95%, называетс€ орбиталью. ќрбиталь Ц не одно и то же, что орбита в теории Ѕора, в которой под орбитой понимают путь электрона вокруг €дра. — позиций квантовой механики можно говорить только о веро€тности пребывани€ электрона в данной фиксированной точке пространства, локализованной траектории движени€ у электрона нет.

ƒл€ одноэлектронной системы электрон как бы размазан вокруг €дра по сфере, удаленной от €дра на некотором рассто€нии, образу€ электронное облако неравномерной плотности. ћаксимальна€ электронна€ плотность отвечает наибольшей веро€тности нахождени€ электрона и определ€етс€ квадратом волновой функции.

√рафик функции радиального распределени€ электронной плотности дл€ самой стабильной орбитали атома водорода представлен на рис. 1. 4p r 2 R (r)2

0 r 0 r, нм

 

‘ункци€ радиального распределени€ электронной плотности
дл€ 1 s -атомной орбитали

 

Ќа графике показано, как мен€етс€ дол€ электронной плотности, наход€ща€с€ в каждом тонком сферическом слое, по мере удалени€ от €дра. Ќа €дре функци€ 4 равна нулю, а затем проходит через максимум. ѕоложение максимума совпадает с первым радиусом Ѕора r 0 = 0,0529 нм.

–ешение уравнени€ Ўредингера всегда содержит некоторые безразмерные параметры, представл€ющие собой квантовые числа n, l, ml. —обственные функции называют орбитал€ми, дл€ их описани€ используют набор квантовых чисел. ќрбитали могут быть представлены трехмерными ограничивающими их поверхност€ми, кажда€ имеет свою определенную форму.

 вантовые числа

 

Ёнергетическое состо€ние электрона в атоме характеризуетс€ четырьм€ квантовыми числами. — их помощью можно описать строение его электронной оболочки.

n - главное квантовое число. ќно может принимать целочисленные значени€ 1, 2, 3, ×××, . √лавное квантовое число характеризует рассто€ние электрона от €дра или размер электронного облака, номер электронного уровн€, общую энергию электрона на данном уровне. ≈го значение соответствует числу подуровней.

l - орбитальное (побочное) квантовое число. ќно определ€ет форму электронного облака, принимает значени€ 0, 1, 2, ×××, (n Ц 1). „исло значений l определ€ет число возможных дл€ данного электронного уровн€ подуровней. Ёлектроны могут занимать орбитали четырех разных типов в зависимости от значени€ l, которые называют s-, p-, d- и f- орбитал€ми. Ѕуквенные обозначени€ соотнос€тс€ с численными следующим образом:

0, 1, 2, 3

s p d f.

ml - магнитное квантовое число. ќно св€зано с пространственной ориентацией движени€ электрона во внешнем магнитном поле, учитывает вли€ние на энергию электрона пересечени€ электроном магнитных полей в атоме. ≈сли электрон вращаетс€ по орбитали, пересекающей линии магнитного пол€ в перпендикул€рном направлении, магнитное взаимодействие полей атома и электрона оказываетс€ максимальным. ≈сли электрон вращаетс€ в плоскости распространени€ магнитных силовых линий, то вклад магнитного взаимодействи€ в общий запас энергии электрона минимален. ƒл€ данных n и l квантовое число ml может иметь значени€ 0, ±1, ±2, ×××, ± l. „исло значений ml соответствует числу орбиталей в подуровне.

ms Ц спиновое квантовое число. ќно характеризует спиновый момент количества движени€, так как электрон обладает еще одним видом движени€, движением вокруг собственной оси. ѕоскольку такое вращение может иметь только два направлени€ (по часовой стрелке и против нее), спиновое квантовое число имеет только два значени€: +1/2 и Ц1/2.

¬озможные значени€ четырех квантовых чисел дл€ всех электронов, которые могут располагатьс€ на первых четырех энергетических уровн€х, приведены в табл. 1.  аждый электрон имеет свой набор квантовых чисел.

“аблица 1

Ёнерге-тический уровень n ѕодуровень l ќрбиталь   ml —пин   ms ћаксимальное число электронов
  s 0   +1/2 Ц1/2  
  s 0   +1/2 Ц1/2  
  p 1 Ц1, 0, +1 +1/2 Ц1/2  
  s 0   +1/2 Ц1/2  
  p 1 Ц1, 0, +1 +1/2 Ц1/2  
  d 2 Ц2, Ц1, 0, +1, +2 +1/2 Ц1/2  
  s 0 +1/2 Ц1/2 +1/2 Ц1/2  
  p 1 Ц1, 0, +1 +1/2 Ц1/2  
  d 2 Ц2, Ц1, 0, +1, +2 +1/2 Ц1/2  
  f 3 Ц3, Ц2, Ц1, 0, +1, +2, +3 +1/2 Ц1/2  




ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2016-11-24; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 8741 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

¬аше врем€ ограничено, не тратьте его, жив€ чужой жизнью © —тив ƒжобс
==> читать все изречени€...

1131 - | 1145 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.064 с.