растворения металла в кислоте

В пробирку налейте раствор разбавленной соляной кислоты и бросьте в него кусочек цинка. В этот раствор поместите медную проволоку, не дотрагиваясь до кусочка цинка. Выделение водорода на меди не происходит (почему?). Введите медную проволоку глубже, до соприкосновения с цинком. На поверхности меди появляются пузырьки водорода.

Требование к результату опыта:

1. Напишите уравнение реакции взаимодействия цинка с соляной кислотой.

2. Составьте схему гальванической пары, возникающей при контакте цинка с медью. Напишите уравнения электродных реакций.

3. Сделайте вывод, как влияет образование гальванопары на процесс растворения цинка в кислоте.

 

Опыт 2. Роль защитной пленки в ослаблении коррозии

Тщательно очистите кусочек алюминия от оксидной пленки и опустите в раствор нитрата ртути Hg(NO₃)₂. Алюминий как более активный металл вытесняет ртуть и образует с ней амальгаму (сплав алюминия с ртутью), препятствующую возникновению защитной пленки на поверхности алюминия.

Амальгамированный алюминий промойте водой и оставьте на воздухе. Через некоторое время наблюдайте образование продукта коррозии – рыхлых хлопьев гидроксида алюминия.

Требование к результату опыта:

1. Напишите уравнение реакции взаимодействия алюминия с Hg(NO₃)₂.

2. Составьте схему гальванопары (металлы – Al, Hg, электролит – Н₂О + О₂), напишите уравнения анодного и катодного процессов и токообразующей реакции. Укажите продукт коррозии алюминия.

3. Сделайте вывод о роли защитной пленки в ослаблении коррозии.

Опыт 3. Защитные свойства металлических покрытий

Налейте в пробирку 2-3 мл раствора сульфата железа (II) FeSO₄ и прибавьте несколько капель гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆], который является реактивом на катион Fe²⁺. Наблюдайте образование синего осадка KFe[Fe(CN)₆].

В две пробирки налейте по 2-3 мл раствора серной кислоты и по две капли раствора K₃[Fe(CN)₆]. В одну из пробирок опустите полоску оцинкованного железа, в другую – луженого железа. Через несколько минут в одной из пробирок (какой?) наблюдается интенсивное синее окрашивание.

Требование к результату опыта:

1. Составьте уравнение качественной реакции на ион Fe²⁺:

FeSO₄ + Fe₃[Fe(CN)₆]₂ =

2. Составьте схемы образующихся гальванопар (Fe – Zn; Fe – Sn) в кислой среде и уравнения реакций, происходящих на электродах.

3. Сделайте вывод о коррозии металлов в случае нарушения анодного и катодного покрытия.

 

Лабораторная работа 10

ЭЛЕКТРОЛИЗ

 

Теоретическое введение

Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита.

Если в раствор электролита погрузить электроды и подключить их к внешнему источнику постоянного тока, то ионы в растворе получают направленное движение. К аноду (положительному электроду) движутся анионы (кислотные остатки, OH^‾). К катоду (отрицательному электроду) движутся катионы (Мⁿ⁺, H⁺). Молекулы воды сильно полярны и поэтому могут притягиваться и к катоду и к аноду.

У анода восстановитель отдает электроны (в сеть) и окисляется. У катода окислитель присоединяет электроны (из сети) и восстанавливается.

На катоде в первую очередь восстанавливаются катионы, имеющие наибольшее значение электродного потенциала. Металлы, стоящие в начале ряда напряжения по алюминий включительно, на катоде из водных растворов не выделяются. В этом случае на катоде разряжается вода:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^‾

В случае, когда катионы металлов расположены в ряду напряжений между алюминием и водородом, они могут восстанавливаться на катоде одновременно с молекулами воды.

Катионы металлов, которые в ряду напряжений находятся за водородом, при электролизе практически полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.

На аноде в первую очередь окисляются анионы с наименьшим значением электродного потенциала. Различают электролиз с нерастворимым (инертным) и растворимым (активным) анодами. Инертным называется анод, материал которого в ходе электролиза не окисляется (графит, платиновые металлы, титан). Активным называется анод, материал которого может окисляться в ходе электролиза.

На инертном аноде при электролизе растворов электролитов с кислородсодержащими анионами (SO₄^2-, PO₄^3-, NO₃^‾), а также фторид-ионами F‾ на аноде происходит электрохимическое окисление воды:

2H₂O - 4e → 4H⁺ + O₂

Если анионы электролита бескислородны (Cl^‾, Br^‾, I^‾, S^2-), то они и разряжаются на аноде в ходе электролиза. Активный (растворимый) анод при электролизе окисляется - переходит в раствор в виде ионов.

Рассмотрим несколько случаев электролиза водных растворов солей.

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а CuCl₂ c и н е р т н ы м а н о д о м

Медь в ряду напряжений расположена после водорода, поэтому у катода будет происходить разряд ионов Cu²⁺ и выделение металлической меди. У анода будут окисляться хлорид-ионы.

Схема электролиза раствора хлорида меди (II)

CuCl₂ = Cu²⁺ + 2Cl^‾

Катод ← Cu²⁺, H₂O Анод ← Cl^‾, H₂O

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰ 2Cl^‾ - 2e → Cl₂

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а KNO₃ с и н е р т н ы м а н о д о м

Поскольку калий в ряду напряжений стоит значительно раньше водорода, то катионы K⁺ не будут восстанавливаться на катоде. Кислородсодержащие анионы NO₃^‾ не будут окисляться на аноде. В этом случае на катоде и аноде восстанавливаются и окисляются молекулы воды. При этом в катодном пространстве будут накапливаться ионы OH^‾, образующие с ионами K⁺ щелочь KOH, а в анодном пространстве накапливаются ионы H⁺, образующие с ионами NO₃^‾ кислоту HNO₃.

Схема электролиза нитрата калия

KNO₃ = K⁺ + NO₃^‾

Катод ← K⁺, H₂O Анод ← NO₃^‾, H₂O

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^‾ 2H₂O - 4e → O₂ + 4H⁺

K⁺ + OH^‾ → KOH H⁺ + NO₃^- → HNO₃

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а NiSO₄ с н и к е л е в ы м а н о д о м

В этом случае сам анод окисляется, а на катоде процесс протекает так же, как и при электролизе растворов с инертным анодом.

 

Схема электролиза сульфата никеля

Катод ← Ni²⁺, H₂O Анод никелевый ← SO₄^2-, H₂O

Ni²⁺ + 2e → Ni⁰ Ni⁰ – 2e → Ni²⁺

Выполнение работы

Опыт 1. Электролиз раствора иодида калия

В U-образную трубку налейте приблизительно до половины раствора иодида калия KI, прибавьте 2-3 капли раствора фенолфталеина. Вставьте в оба колена трубки угольные электроды и подключите прибор к источнику постоянного электрического тока. Наблюдайте окрашивание раствора у катода и анода.

Требования к результатам опыта:

1. Составьте схему электролиза водного растворов иодида калия. Напишите уравнения электродных реакций.

2. Укажите вещества, которые обусловливают окраску растворов у катода и анода.

 

Опыт 2. Электролиз раствора сульфата натрия

В U-образную трубку налейте раствор сульфата натрия Na₂SO₄, добавьте несколько капель раствора лакмуса. Включите ток и наблюдайте изменение (через 1-2 мин.) окраски раствора у электродов.

Требования к результатам опыта:

1. Составьте схему электролиза водного раствора сульфата натрия. Напишите уравнения электродных реакций.

2. Укажите вещества, которые образуются у катода и анода и изменяют окраску индикатора.

 

Опыт 3. Электролиз раствора сульфата меди

Налейте в U-образную трубку раствор сульфата меди CuSO₄. Пользуясь угольными электродами, пропускайте ток в течение 4-5 мин. Что выделяется на электродах?

Требования к результатам опыта:

1. Составьте схему электролиза водного раствора сульфата меди. Напишите уравнения электродных реакций.

2. Назовите вещество, которое образуется у анода (в анодном пространстве).

 

Опыт 4. Электролиз с растворимым анодом

Присоедините электрод с отложившейся в предыдущем опыте медью к положительному полюсу источника тока, а другой электрод – к отрицательному полюсу, пропускайте электрический ток. Наблюдайте растворение меди с анода.

Требование к результатам опыта:

Составьте схему электролиза раствора сульфата меди с медным анодом. Напишите уравнения электродных реакций.

 

Библиографический список

1. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Интеграл - Пресс, 2002. – 728 с.

2. Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высш. шк., 2000. – 558 с.

3. Коровин Н.В., Мингулина Э.И., Рыжова Н.Г. Лабораторные работы по химии. – М.: Высш. шк., 2001. – 256 с.

4. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии - М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 240 с.