Ионное произведение воды (вывод правила, определение, применение на практике). Вывод понятия о рН растворов

В воде концентрация ионов водорода определяется электролитической диссоциацией воды по уравнению

H2O ↔ H+ + OH−; ; Kw= =10-14. ; ; .

Водородный показатель (рН) величина, характеризующая активность или концентрацию ионов водорода в растворах: рН=0 кислая среда; рН=7 нейтральная среда; рН=14 щелочная среда.

31. Закон Фарадея. Вывод уравнения, определение закона, физический смысл электрохимического эквивалента, выход по току, причины кажущегося отклонения от закона Фарадея. Фарадея законы, основные законы электролиза, отражающие общий закон сохранения вещества в условиях протекания электрохимической реакции. Установлены M. Фарадеем в 1833-34. Согласно 1-му закону, масса вещества г, прореагировавшего в процессе электролиза, прямо пропорциональна силе тока I и времени электролиза t, то есть количеству пропущенного электричества Q=It

(предполагается, что I не зависит от t; в противном случае масса г пропорциональна, где t ₁ и t ₂ - моменты включения и выключения тока).

Согласно 2-му закону, для разных электродных процессов при одинаковом количестве пропущенного электричества Q массы прореагировавших веществ относятся друг к другу так же, как эквиваленты химические этих веществ. Оба закона Фарадея объединяются одним уравнением:

где M - молярная масса вещества, участвующего в электролизе, z - число элементарных зарядов, соответствующее превращению одной молекулы этого вещества, 1/ F- коэффициент пропорциональности, общий для всех веществ, F - постоянная Фарадея, равная 96484,56 Кл/моль.

Законы Фарадея законы относятся к числу строгих законов, но в ряде случаев могут наблюдаться кажущиеся отклонения от них, вызываемые следующими причинами:

1) в нестационарных условиях электролиза часть электричества затрачивается на заряжение двойного электрического слоя.

2) если электролит обладает электронной проводимостью (например, раствор металлического Na в жидком аммиаке), то часть тока через электролит переносят электроны, а не ионы, и соответствующее количество электричества не участвует в процессе электролиза;

3) наряду с основным процессом электролиза, например образованием металлического Zn по реакции Zn²⁺ + 2е Zn, часть тока может затрачиваться на протекание параллельных электрохим. реакций, например: 2H₃O⁺ + 2е = H₂ + 2H₂O; O₂ + 4е + 4H₃O⁺ = 6H₂O.

Системы, в которых полностью исключены указанные причины кажущихся отклонений от законов Фарадея, получили название кулонометров; их использование позволяет по количеству образовавшихся продуктов электролиза точно определить кол-во пропущенного электричества. В кулонометрах обычно применяют электрохимические реакции Ag⁺+ е = Ag или 3I^- = I₃^- + 2е.

Законы Фарадея законы сыграли важную роль в понимании природы химической связи и развития атомно-молекулярной теории. Их используют при выводе всех уравнений, описывающих электрохимические превращения веществ на границах раздела проводников 1-го и 2-го рода. Практическое применение законы Фарадея законы находят в кулонометрии, а также при определении выхода реакции по току, то есть отношения теоретического количества электричества, рассчитанного на основе законов Фарадея законы, к количеству электричества, реально затраченному на получение данного вещества в процессе электролиза.

32. Применение электрохимических процессов в практике машиностроения, приборостроения, микроэлектронике, полупроводниковой технике, создании и эксплуатации роботосистем, электрических машин. В наш век электричества и химии особое место занимает электрохимия, объединяющая “электрические” и “химические” науки и технологии. Электрохимия, электрохимические процессы и технологии используются настолько широко во всех отраслях промышленности, что без них невозможно ни существование, ни дальнейшее развитие цивилизации. Среди многообразных направлений прикладной электрохимии особое место занимают гальванические процессы и производства. Электроосаждение покрытий металлами и сплавами, которые, защищая самые разные изделия от коррозии, позволяют в десятки и сотни раз увеличить срок их службы в машиностроении, авиа-, ракето- и судостроении, в энергетике и приборостроении, в радиотехнике, электронике и микроэлектронике, в сантехнике, медицинской, мебельной, ювелирной, пищевой и других отраслях промышленности. Такие, осажденные из электролитов, металлические (электролитические, гальванические) покрытия могут одновременно выполнять и другие, самые разнообразные функции: например, придать изделиям красивый декоративный вид, магнитные свойства, повысить твердость, износостойкость, жаростойкость, электропроводность, (в том числе сделать электропроводными неэлектропроводные детали из полимеров, керамики), придать паяемость изделиям из металлов, которые не паяются (алюминий, титан и сплавы на их основе), восстановить изношенные детали машин и механизмов, придать поверхности изделий из металлов и неметаллов свойства абсолютно черного тела или зеркала. Сердцевина изделий в приборостроении, электронике и микроэлектронике электрические схемы, которые создаются методом электроосаждения металлов и сплавов. Выпуск всей современной радиотехнической и электронной аппаратуры, начиная с бытовой техники и кончая сложнейшими приборами современной техники, не может быть осуществлен без специальных методов – функциональной гальванотехники и электрохимии полупроводников. На их использовании основано современное производство интегральных микросхем, чипов и микрочипов, печатных плат и магнитных накопителей информации ЭВМ. Гальванические покрытия сегодня везде: от сантехники в кухне и ванной комнаты до искусственных спутников земли и космических станций, от запонок до блоков памяти электронной техники. Будущее за электрохимическими нанотехнологиями, за покрытиями металлами и сплавами, в том числе содержащими нанодисперсные частицы второй фазы, за покрытиями, состоящими из слоев различных металлов толщиной в тысячные доли микрона, за нанокомпозиционными электрохимическими покрытиями. Все эти покрытия позволяют придать покрываемым изделиям совершенно новые уникальные свойства, которые другими методами получить невозможно. Современный человек на каждом шагу сталкивается со свидетельствами могущества электрохимии: 1) она лежит в основе науки о коррозии и технологий борьбы с коррозионными потерями; широчайшее применение получили электрохимические методы защиты от коррозии различных видов аппаратуры, сооружений и машин, работающих в агрессивных средах, подземных газо- и нефтепроводов, химической аппаратуры, корпусов судов, автомобилей и т.д. Для этого используются методы катодной, анодной и протекторной защиты;2) химические источники тока – обширный раздел электрохимии, посвященный вопросам разработки различных систем гальванических элементов, батареек, аккумуляторов, топливных элементов, электрохимических генераторов, а также технологии их изготовления. Назначение их крайне разнообразно – от жизнеобеспечения космических станций, питания двигателей подводных лодок и радиоаппаратуры, до питания наручных часов, фотоаппаратов, мобильных телефонов, видеотехники и т.д. и вживления в тело человека для стимулирования его сердечной деятельности. Исследование и разработка топливных элементов для автомобильной промышленности, для космических объектов и других объектов современной и будущей техники – важнейшие задачи электрохимической науки и технологии;3) практически все цветные металлы, ежегодное производство которых составляет около 30 млн. тонн, получаются, а затем очищаются до высокой степени чистоты электрохимическим путем. Можно назвать такие металлы, как алюминий, медь, никель, свинец, цинк, кадмий, магний, натрий, калий и другие редкие металлы и сплавы. Здесь же получение фольги и порошков цветных и черных металлов;4) хемотроника – новая область применения электрохимии, связанная с созданием электрохимических преобразователей информации.5) большие перспективы у метода так называемой электрохимической размерной обработки деталей (ЭРХО). Интенсивно внедряется в практику электрохимическое фрезерование и сверление, полирование и травление, изготовление деталей сложной формы. Такими способами производства (в первую очередь авиационной и космической технике) будет изготавливаться от 50 до 80% деталей;6) научно обоснованные электрохимические технологии широко применяются для решения экологических проблем, в частности, очистки сточных вод самых различных производств (химических, гальванических, лакокрасочных, нефтяных, биотехнологических), регенерации электролитов, извлечения металлов из промывных вод и отходов производства;7) электрохимический метод лежит в основе технологии обессоливания воды, значительная часть физико-химических методов исследований и анализов зиждется на электрохимических принципах;8) электрохимический синтез простых и сложных неорганических соединений хорошо известен и широко применяется в химической промышленности. Без электролиза невозможно получать водород и кислород высокой степени чистоты, производить хлор, фтор, щелочи различные окислители и восстановители (хлораты, перхлораты, перманганат калия, диоксид марганца, дитионит натрия). Электрохимически синтезируют и многие органические и элементоорганические соединения, которые используют в дальнейшем для получения различных полимерных материалов, витаминов, лекарственных препаратов, косметических средств;9) тончайшие, деликатнейшие процессы в живых организмах – в клетках, мембранах, нервных волокнах и нейронах – это тоже электрохимия. Имплантированные топливные элементы, в которых используются составляющие ультрафильтрата крови, представляют собой постоянные источники энергии для вспомогательных приборов, контролирующих состояние здоровья пациента. Перспективным является биологический топливный элемент, обеспечивающий работу протеза сердца. В будущем приобретет особое значение электролизный способ удаления из организма человека мочевины путем ее окисления в почечной диализной системе. Такой проект приблизит создание действительно портативного аппарата искусственной почки. Несмотря на солидный возраст, электрохимия относится к числу наук, переживающих бурное развитие с огромными перспективами на будущее. По прогнозам ряда ведущих ученых роль электрохимии в мировой промышленности будет стремительно возрастать. Считают, что по мере истощения запасов природного топлива человечество вступит в атомно-электрохимическую эру. Электроэнергия, вырабатываемая атомными электростанциями, будет использоваться для генерации водорода электролизом воды, водород заменит природный газ и будет применяться в водородно-кислородных электрохимических генераторах – сегодня эти технологии будущего определяют общим понятием «водородная энергетика». Будут реализованы на практике процессы электролиза воды в фотоэлектрохимических системах, преобразующих солнечную энергию в электрическую. Такой широкий круг использования электрохимических методов в практике значительно облегчает трудоустройство инженеров-электрохимиков, которые могут найти работу практически на любом заводе, частном или государственном предприятии, научно-исследовательских и проектных институтах любого города России и за рубежом.

33. Понятие о металлах. Положение в таблице Д.И. Менделеева. Физические свойства. Характер связи в металлах. Типы кристаллических структур. Из всех известных в настоящее время элементов более половины являются металлами. Металлы — непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью. По последнему свойству металлы легко отличить от других веществ (дерево, стекло и т.д.). Всё металлы и образованные из них сплавы делят на черные, к которым относят железо и сплавы на его основе (на их долю приходится около95 % производимой в мире металлопродукции), и цветные. В технике принята условная классификация, по которой цветные металлы делят на группы: легкие (Al, Mg), тяжелые(Си, РЬ), тугоплавкие (W, Мо), благородные (Au, Pt), рассеянные (Gd, In), редкоземельные(Sc, Y), радиоактивные (Ra, U). Понятие «чистый металл» условно, любой чистый металл содержит примеси. Под этим термином понимается металл, содержащий 0,010…0,001 % примесей. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,999%). Однако примеси, даже в малых количествах, могут оказывать влияние на свойства металла. Чистые металлы обладают низкой прочностью, поэтому их применение в технике в качестве конструкционных материалов ограниченно. Наиболее широко применяют сплавы, которые по сравнению с чистыми металлами обладают более высокой прочностью и твердостью.

Металлы составляют большую часть химических элементов. Каждый период периодической системы (кроме 1-го) химических элементов начинается с металлов, причем с увеличением номера периода их становится все больше. Если во 2-м периоде металлов всего 2 (литий и бериллий), в 3-м — 3 (натрий, магний, алюминий), то уже в 4-м — 13, а в 7-м — 29. Атомы металлов имеют сходство в строении внешнего электронного слоя, который образован небольшим числом электронов (в основном не больше трех). Это утверждение можно проиллюстрировать на примерах Na, алюминия А1 и цинка Zn. Составляя схемы строения атомов, по желанию можно составлять электронные формулы и приводить примеры строения элементов больших периодов, например цинка.



В связи с тем что электроны внешнего слоя атомов металлов слабо связаны с ядром, они могут быть «отданы» другим частицам, что и происходит при химических реакциях:



Свойство атомов металлов отдавать электроны является их характерным химическим свойством и свидетельствует о том, что металлы проявляют восстановительные свойства. При характеристике физических свойств металлов следует отметить их общие свойства: электрическую проводимость, теплопроводность, металлический блеск, пластичность, которые обусловлены единым видом химической связи — металлической, и металлической кристаллической решетки. Их особенностью является наличие свободноперемещающихся обобществленных электронов между ион-атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки. При характеристике химических свойств важно подтвердить вывод о том, что во всех реакциях металлы проявляют свойства восстановителей, и проиллюстрировать это записью уравнений реакции. Особое внимание следует обратить на взаимодействие металлов с кислотами и растворами солей, при этом необходимо обратиться к ряду напряжений металлов (ряд стандартных электродных потенциалов). Металлическая связь. Характер связи в металлах и тип кристаллической решётки обусловлен особенностями строения атомов. Металлическая связь-это связь между свободными электронами и положительно заряженными ион-атомами металла. Различное расположение ион-атомов в кристаллической решётке обусловливает различие видов металлических кристаллических решёток: кубическая, объёмноцентрированная, кубическая гранецентрированная гексагональная плотной упаковки. Полиморфизм кристаллических решёток зависит от условий.

34. Химические свойства металлов. Взаимодействие с простыми окислителями. Оценка термодинамической вероятности взаимодействия. Возможные оксиды металлов, их кислотно – основные свойства. Характерным химическим свойством металлов является их восстановительная активность, т.е. способность переходить в состояние положительно заряженного иона, теряя при этом электроны:

У атомов металлов на внешнем электронном слое имеется по несколько электрона, которые они легко отдают атомам неметаллов и переходят в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются восстановителями. Большинство металлов довольно хорошо реагирует с кислородом (за исключением золота, платины и серебра), образуя соответствующие оксиды; взаимодействуют с серой, образуя сульфиды. Активные металлы реагируют с водой. Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов до водорода, реагируют с разбавленными растворами кислот с выделением водорода: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2. Металлы реагируют с растворами солей менее активных металлов, происходит реакция обмена: Ni + CuSO4 = NiSO4 + Cu. Металлы реагируют с кислотами-окислителями: Cu + 2H2SO4(конц) = CuSO4 + SO2 + 2H2O. Металлы подвергаются коррозии. Коррозией называется процесс разрушения металлов в результате воздействия окружающей среды. Различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия - это взаимодействие металла. С химическими реагентами, при котором не возникает электрохимических процессов.
Электрохимическая коррозия - это взаимодействие металлов с растворами электролитов.
Металлы получают различными способами. Различают пиро-, гидро- и электрометаллургию. Пирометаллургия - это получение металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах. Гидрометаллургия - это получение металлов из растворов их солей. Электрометаллургия - получения металлов из их расплавленных оксидов или солей с помощью электролиза.

K Ca Na \ Mg AI Zn Fe Ni Sn Pb \ (H) Cu Hg Ag Au Pt

_{активные мет средней активности малоактивные и неактивные}

Это электрохимический ряд напряжений. В этом ряду металлы расположены по

восстановительной способности. Самые активные восстановители(легко отдающие свои

электроны) – щелочные и щелочноземельные металлы (K Ca Na). Труднее всех

отдают электроны – Ag Au Pt.

1. Взаимодействие металлов с простыми веществами:

а. взаимодействие металлов с галогенами (галогены самые сильные окислители)

 

^{0 0 +3 -1}

2 AI + 3CI₂ = 2 AI CI₃

б. Взаимодействие с кислородом:

4 Li + O₂ = 2 Li₂ O

2Сa + O₂ = 2 CaO

щелочные и щелочноземельные металлы взаимодействуют с кислородом без нагревания очень быстро

_t

2Zn + O _{2 t}= 2 ZnO

2Cu + O₂ = 2 CaO

остальные металлы реагируют с кислородом только при нагревании

Au и Pt не реагируют с кислородом

 

в. Металлы взаимодействуют с S, P, C и т.д., образуя сульфиды, фосфиды, карбиды и т.д.

_{0 0 t +2 -2}

Hg + S = HgS

(неметаллы проявляют в таких соединениях отрицательную степень окисления)

2.Взаимодействие металлов со сложными веществами:

г. Взаимодействие металлов с водой:

С водой реагируют металлы, стоящие до водорода в электрохимическом ряду напряжений

2Na + 2 HOH = 2 NaOH + H₂
Сa + 2 HOH = Ca(OH)₂ + H₂

щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой без нагревания_, образуя гидроксиды(щелочи)

Остальные металлы реагируют с водой только при нагревании, образуя оксиды

_t

3Fe + 4 HOH = Fe₃ O ₄ + 4H₂

 

Д.Взаимодействие металлов с кислотами:

Металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, вытесняют его из растворов кислот, а стоящие правее – не вытесняют водород из растворов кислот:

₀ +! ₊₂ 0

Zn + 2HCI = ZnCI₂ + H₂

 

Cu + HCI = реакция не идет

Это правило соблюдается если:

а. если в результате реакции образуется растворимая соль

б.концентрированная серная кислота(H₂SO₄ ) и кислота (HNO₃) любой концентрации реагирует с металлами по-особому, при этом водород не образуется

в.на щелочные металлы правило не распространяется, т.к. они легко реагируют с

водой (а указанное правило относится к реакциям водных растворов кислот с металлами)

е. Каждый металл вытесняет из растворов солей другие металлы, находящиеся правее

него в ряду напряжений(соблюдается при этом правило а. и в.)

_{0 +2 +2 0}

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

_{0 +2 +2 0}

Сu + HgCI₂ = CuCI₂ + Hg

 

Оксиды металлов обычно получают термическим разложением гидроксидов, карбонатов, нитратов и других солей кислородсодержащих кислот (напр., СаСО₃ СаО + СО₂), анодным окислением металлов, оксиды неметаллов - окислением кислородом водородсодержащих соединений неметаллов (напр., 2H₂S 4+ 3О₂ 2SO₂ + 2H₂O). В промышленности в больших количествах получают СаО, Аl₂О₃, MgO, SO₃, CO, CO₂, NO и другие оксиды. Используют оксиды как огнеупоры (SiO₂, MgO, Al₂O₃ и др.), адсорбенты (SiO₂-силикагель, Аl₂О₃ и др.), катализаторы (V₂O₅, Al₂O₃ и др.), в производстве строительных материалов, стекол, фарфора, фаянса, магнитных материалов, пьезоэлектриков и других. Оксиды металлов (Fe, Ni, Al, Sn и др.) - сырье в производстве металлов, оксиды неметаллов (напр., S, Р, N)- в производстве соответствующих кислот.