Вопрос 7. Электролиз как окислительно-восстановительный процесс. Электролиз расплавов и растворов на примере хлорида натрия. Практическое применение электролиза.

Совокупность ОВР, которые протекают на электродах в растворах или расплавах электролитов при пропускании через них электрического тока, называют электролизом.

На катоде источника тока происходит процесс передачи электронов катионам из раствора или расплава, поэтому катод является «восстановителем». На аноде происходит отдача электронов анионами, поэтому анод является «окислителем».

При электролизе как на аноде,так и на катоде могут происходить конкурирующие процессы. При проведении электролиза с использованием инертного (нерасходуемого) анода (например, графита или платины), как правило, конкурирующими являются два окислительных и восстановительных процесса: на аноде — окисление анионов и гидроксид-ионов, на катоде — восстановление катионов и ионов водорода.

При проведении электролиза с использованием активногоанода процесс усложняется и конкурирующими реакциями на электродах являются следующие:

на аноде — окисление анионов и гидроксид-ионов, анодное растворение металла — материала анода;

на катоде — восстановление катиона соли и ионов водорода,восстановление катионов металла, полученных при растворении анода.

При выборе наиболее вероятного процесса на аноде и катоде исходят из положения, что протекает та реакция, которая требует наименьшей затраты энергии. При электролизе растворов солей с инертным электродом используют следующие правила.

1. На аноде могут образовываться следующие продукты:

а) при электролизе растворов, содержащих анионы F^-, SО₄^2-, NO₃^-, РO₄^3-, ОН^-выделяется кислород;

б) при окислении галогенид-ионов выделяются свободные галогены;

в) при окислении анионов органических кислот происходит процесс:

2RCOO^- - 2е → R-R + 2СО₂.

2. При электролизе растворов солей, содержащих ионы, расположенные в ряду напряжений левее Аl³⁺, на катоде выделяется водород; если ион расположен правее водорода, то выделяется металл.

3. При электролизе растворов солей, содержащих ионы, расположенные между Аl³⁺ и Н⁺ на катоде могут протекать конкурирующие процессы как восстановления катионов, так и выделения водорода.

Рассмотрим в качестве примера электролиз водного раствора хлорида меди на инертных электродах. В растворе находятся ионы Cu²⁺ и Cl^-, которые под действием электрического тока направляются к соответствующим электрода:

	CuCl₂
	↓
(-) Катод ← Cu²⁺	+	2Cl^- → Анод (+)
Cu²⁺ + 2e = Cu⁰	<>	2Cl^-- 2e = Cl₂

На катоде выделяется металлическая медь, на аноде — газообразный хлор.

Если в рассмотренном примере электролиза раствора СuCl₂ в качестве анода взять медную пластинку, то на катоде выделяется медь, а на аноде, где происходят процессы окисления, вместо разрядки ионов Сl и выделения хлора протекает окисление анода (меди). В этом случае происходит растворение самого анода, и в виде ионов Сu²⁺ он переходит в раствор. Электролиз СuCl₂ с растворимым анодом можно записать так:

	CuCl₂
	↓
(-) Катод ← Cu²⁺	+	2Cl^- → Анод (+)
Cu²⁺ + 2e = Cu⁰		2Cu^-- 2e = Cu²⁺

Таким образом, электролиз растворов солей с растворимым анодом сводится к окислению материала анода (его растворению) и сопровождается переносом металла с анода на катод. Это свойство широко используется при рафинировании (очистке) металлов от загрязнений.

Для получения высокоактивных металлов (калия, алюминия и др.), легко вступающих во взаимодействие с водой, применяют электролиз расплава солей или оксидов, например

	Al₂O₃
	↓	расплав
(-) катод ← 2Al³⁺	+	2Cl^- → анод (+) (С – графит)
2Al³⁺ + 6e = 2Al⁰<>		3O^2-- 6e = 3/2O₂
		2C + O₂ = 2CO
		2CO + O₂ = 2CO₂

При электролизе водного раствора соли активного металла кислородсодержащей кислоты (например, КNО₃) ни катионы металла, ни ионы кислотного остатка не разряжаются. На катоде выделяется водород, а на аноде — кислород, и электролиз раствора нитрата калия сводится к электролитическому разложению воды.

Отметим, что электролиз растворов электролитов проводить энергетически выгоднее, чем расплавов, так как электролиты плавятся при очень высоких температурах.

Зависимость количества вещества, образовавшегося при электролизе, от времени и силы тока описывается обобщенным законом Фарадея:

m = (Э / F) • I • t = (М / (n • F)) • I • t,

где m — масса образовавшегося при электролизе вещества (г); Э — эквивалентная масса вещества (г/моль); М — молярная масса вещества (г/моль); n — количество отдаваемых или принимаем электронов; I — сила тока (А); t — продолжительность процесса (с); F — константа Фарадея, характеризующая количество электричества, необходимое для выделения 1 эквивалентной массы вещества (F= 96500 Кл/ моль = 26,8 А• ч / моль).

Вопрос 8. Оксиды: классификация, характеристика химических свойств. Возможное применение оксидов в вашей профессии.

Оксиды

Оксидами называются бинарные соединения, содержащие кислород в степени окисления -2.

По химическим свойствам оксиды делятся на солеобразующие и несолеобразующие. Солеобразующие, в свою очередь, делятся на основные, кислотные и амфотерные.

Основные оксиды взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды, например:

CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O

MnO + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₂O

В состав основных оксидов входят металлы главных подргрупп I и II групп Периодической системы (кроме бериллия), а также переходные металлы в низших степенях окисления, например СаО, К₂О, MnO, FeO, CrO.

Основные оксиды, образованные щелочными и щелочноземельными металлами взаимодействуют с водой с образованием щелочей:

Na₂O + H₂O = 2NaOH

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Кислотными оксидами называются оксиды, взаимодействующие со щелочами с образованием соли и воды, например:

SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O

CO2 + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

В состав кислотных оксидов входят неметаллы или переходные металлы в высших степенях окисления, например: P₂O₅, SiO₂, CrO₃, Mn₂O₇.

Кислотные оксиды (кроме SiO₂) взаимодействуют с водой:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄

Амфотерные оксиды в зависимости от условий проявляют свойства основных или кислотных оксидов, т.е. образуют соли как с кислотами, так и с основаниями, например:

Cr₂O₃ + 6HCl = 2CrCl₃ + 3H₂O

Cr₂O₃ + 2NaOH = 2NaCrO₂ + H₂O

В состав амфотерных оксидов входят переходные металлы в промежуточных степенях окисления, металлы главной подгруппы III группы, например Cr₂O₃, Al₂O₃, MnO₂. К амфотерным оксидам относятся также BeO, ZnO и PbO₂. Амфотерные оксиды с водой не взаимодействуют.

Несолеобразующие оксиды не дают реакций, характерных для солеобразующих оксидов. К ним относятся: NO, N₂O, SiO, CO. Несолеобразующие оксиды могут реагировать с кислотами или щелочами, но при этом не образуются продукты, характерные для солеобразующих оксидов, например при 150^oС и 1,5 Мпа СО реагирует с гидроксидом натрия с образованием соли – формиата натрия:

СО + NaOH = HCOONa

Однако вода в этой реакции никогда не образуется, поэтому СО относят к несолеобразующим оксидам.

Оксиды можно получить следующими основными способами:

1. из простых веществ:

2Cu + O₂ = CuO

S + O₂ = SO₂

2. окислением сложных веществ:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

6MnO + O₂ = 2Mn₃O₄

термическим разложением оксидов, гидроксидов, кислородсодержащих солей и кислот:

3MnO₂ = Mn₃O₄ + O₂

2Fe(OH)₃ = Fe_2O3 + 3H₂O

2Cu(NO₃)₂ = 2CuO + 4NO₂ + O₂

H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O

Вопрос 9. Металлы: положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, строение атома, химические свойства, применение в вашей профессии.

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 явтяется 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 свободноперемещаю-щихся 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).
Примеры взаимодействия металлов с простыми веществами (неметаллами):

с солями (Zn в ряду напряжений стоит левее Сu): Zn + СuС12 = ZnCl2 + Сu!
Таким образом, несмотря на большое многообразие металлов, все они обладают общими физическими и химическими свойствами, что объясняется сходством в строении атомов и строении простых веществ.

Вопрос 10. Неметаллы: положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, химические свойства.

Если провести воображаемую диагональ от бериллия Be к астату At, то неметаллы расположатся в главных подгруппах выше диагонали (т. е. в верхнем правом углу). К неметаллам относятся также водород Н и инертные газы.

Можно привести строение атомов углерода С, азота N, кислорода О, фтора F. Это позволит сделать вывод о том, что по мере увеличения порядковых номеров атомов элементов и накопления электронов на внешнем слое у неметаллов одного периода усиливается способность принимать электроны от других атомов на свой внешний слой, т. е. неметаллические свойства элементов в периодах увеличиваются.

Свойства неметаллов при движении по группе, ослабевают. Это связано с увеличением расстояния от ядра до внешнего слоя, а следовательно, уменьшением способности ядра притягивать к себе электроны от других атомов. Для подтверждения этого вывода рассмотрим VI группу. В начале ее расположен кислород О — типичный неметалл, а заканчивается группа полонием Ро, обладающим свойствами металла.

физические свойства неметаллов.

Простые вещества — неметаллы могут иметь как атомное (Si, В), так и молекулярное (Н2, N2, Br2) строение. Поэтому среди неметаллов есть газы (О2, С12), жидкости (Вг2), твердые вещества (С, 12). Большинство неметаллов не электропроводны, имеют низкую теплопроводность, а твердые вещества непластичны.

Химические свойства:

более типичным для неметаллов является процесс принятия электронов. В этом отличие химических свойств неметаллов от химических свойств металлов. Это положение можно подтвердить взаимодействием неметаллов с простыми веществами.. Неметаллы могут проявлять свойства как окислителей, так и восстановителей.

Некоторые неметаллы могут реагировать и со сложными веществами (оксидами, кислотами, солями). Следующие уравнения учащийся приводит по желанию: