Мета роботи: ознайомитися на досвіді з залежністю окисно-відновних властивостей металів від їх положення в електрохімічному ряду напружень.
Устаткування і реактиви: пробірки, тримачі для пробірок, спиртівка, фільтрувальна папір, піпетки, 2н. розчини HCl і H2 SO4. концентрована H2 SO4. розбавлена і концентрована HNO3. 0,5 М розчини CuSO4. Pb (NO3) 2 або Pb (CH3 COO) 2; шматочки металевих алюмінію, цинку, заліза, міді, олова, залізні канцелярські скріпки, дистильована вода.
Хімічний характер будь-якого металу в значній мірі обумовлений тим, наскільки він легко окислюється, тобто наскільки легко його атоми здатні переходити в стан позитивних іонів.
Метали, які виявляють легку здатність окислюватися, називаються неблагородними. Метали, які окислюються з великими труднощами, називаються благородними.
Кожен метал характеризується певним значенням стандартного електродного потенціалу. За стандартний потенціал j 0 даного металевого електрода приймається ЕРС гальванічного елемента, складеного з стандартного водневого електрода, розташованого ліворуч, і пластинки металу, вміщеній в розчин солі цього металу, причому активність (в розведених розчинах можна використовувати концентрацію) катіонів металу в розчині повинна бать дорівнює 1 моль / л; Т = 298 К; р = 1 атм. (Стандартні умови). Якщо умови реакції відмінні від стандартних, потрібно враховувати залежність електроднихпотенціалів від концентрацій (точніше активностей) іонів металів в розчині і температури.
Залежність електроднихпотенціалів від концентрації виражається рівнянням Нернста, яке стосовно до системи:
Можна записати в наступному вигляді:
,
де - стандартний електродний потенціал, В;
R - газова постійна,;
F - постійна Фарадея ( »96500 Кл / моль);
n - число електронів, що беруть участь в процесі;
Амі n + - активність іонів металу в розчині, моль / л.
Беручи значення Т = 298К, отримаємо
причому активність в розведених розчинах можна замінити концентрацією іонів, вираженої в моль / л.
Маючи в своєму розпорядженні метали в порядку зростання величини їх стандартних електродних потенціалів j 0, що відповідають полуреакции відновлення, отримують ряд напруг металів (ряд стандартних електродних потенціалів). В цей же ряд поміщають електродний потенціал водню, який приймає за нуль, для системи, в якій протікає процес:
При цьому, стандартні електродні потенціали неблагородних металів мають негативне значення, а благородних - позитивне.
Електрохімічний ряд напруг металів
Цей ряд характеризує окислювально-відновну здатність системи «метал - іон металу» в водних розчинах при стандартних умовах. Чим лівіше в ряду напруг варто метал (чим менше його j 0), тим сильнішим відновником він є, і тим легше атоми металу віддають електрони, перетворюючись в катіони, але катіони цього металу важче приєднують електрони, перетворюючись в нейтральні атоми.
Окислювально-відновні реакції за участю металів і їх катіонів йдуть в тому напрямі, при якому метал з меншим електродним потенціалом є відновником (тобто окислюється), а катіони металу з великим електродним потенціалом - окислювачами (тобто відновлюються). У зв'язку з цим для електрохімічного ряду напруг металів характерні наступні закономірності:
1. кожен метал витісняє з розчину солей всі інші метали, що стоять правіше його в електрохімічному ряді напруг металів.
2. всі метали, які в електрохімічному ряді напруг стоять лівіше водню, витісняють водень з розбавлених кислот.
Методика проведення дослідів
Досвід 1: Взаємодія металів з соляною кислотою.
О четвертій пробірки налити по 2 - 3 мл соляної кислоти і помістити в них по шматочку алюмінію, цинку, заліза і міді порізно. Які з узятих металів витісняють водень з кислоти? Написати рівняння реакцій.
Досвід 2: Взаємодія металів з сірчаною кислотою.
В пробірку опустити шматочок заліза і додати 1 мл 2н. сірчаної кислоти. Що спостерігається? Повторити досвід з шматочком міді. Протікає реакція?
Перевірити дію концентрованої сірчаної кислоти на залізо і мідь. Пояснити спостереження. Написати все рівняння реакцій.
Досвід 3: Взаємодія міді з азотною кислотою.
Покласти в дві пробірки по шматочку міді. В одну з них налити 2 мл розведеної азотної кислоти, в другу - концентрованої. При необхідності вміст пробірок підігріти на спиртівці. Який газ утворюється в першій пробірці, а який у другій? Записати рівняння реакцій.
Досвід 4: Взаємодія металів з солями.
Налити в пробірку 2 - 3 мл розчину сульфату міді (II) і опустити шматочок залізного дроту. Що відбувається? Повторити досвід, замінивши залізну дріт шматочком цинку. Написати рівняння реакцій. Налити в пробірку 2 мл розчину ацетату або нітрату свинцю (II) і опустити шматочок цинку. Що відбувається? Написати рівняння реакції. Вказати окислювач і відновник. Чи буде протікати реакція, якщо цинк замінити міддю? Дати пояснення.
11.3 Необхідний рівень підготовки студентів
1. Знати поняття стандартного електродного потенціалу, мати уявлення про його вимірі.
2. Вміти використовувати рівняння Нернста для визначення електродного потенціалу в умовах, відмінних від стандартних.
3. Знати, що таке ряд напруг металів, що він характеризує.
4. Вміти використовувати ряд напруг металів для визначення напрямку окисно-відновних реакцій за участю металів і їх катіонів, а також металів і кислот.
Завдання для самоконтролю
1. Яка маса технічного заліза, що містить 18% домішок, потрібно для витіснення з розчину сульфату нікелю (II) 7,42 г нікелю?
2. У розчин нітрату срібла опущена мідна пластинка масою 28 г. по закінченні реакції платівка була вийнята, обмита, висушена і виважена. Маса її виявилася 32,52 м Яка маса нітрату срібла була в розчині?
3. Визначте значення електродного потенціалу міді, зануреної в 0,0005 М розчин нітрату міді (II).
4. Електродний потенціал цинку, зануреного в 0,2 М розчин ZnSO4. дорівнює 0,8 В. визначте гадану ступінь дисоціації ZnSO4 в розчині зазначеної концентрації.
5. Розрахуйте потенціал водневого електрода, якщо концентрація іонів водню в розчині (Н +) становить 3,8 • 10 -3 моль / л.
6. Обчисліть потенціал залізного електрода, опущеного в розчин, що містить 0,0699 г FeCI2 в 0,5 л.
7. Що називають стандартним електродним потенціалом металу? Яким рівнянням виражається залежність електроднихпотенціалів від концентрації?
Лабораторна робота № 12
Мета роботи: ознайомлення на досвіді з принципами роботи гальванічного елемента, оволодіння методикою розрахунку ЕРС гальванічних елементів.
Устаткування і реактиви: мідна та цинкова пластини, приєднані до провідників, мідна та цинкова пластини, з'єднані провідниками з мідними пластинами, наждачний папір, вольтметр, 3 хімічних склянки на 200-250 мл. мірний циліндр, штатив із закріпленою в ньому U - подібною трубкою, сольовий міст, 0,1 М розчини сульфату міді, сульфату цинку, сульфату натрію, 0,1% розчин фенолфталеїну в 50% етиловому спирті.
Гальванічний елемент - це хімічне джерело струму, тобто пристрій, що виробляє електричну енергію в результаті прямого перетворення хімічної енергії окисно-відновної реакції.
Електричний струм (направлений рух заряджених частинок) передається по провідникам струму, які поділяються на провідники першого і другого роду.
Провідники першого роду проводять електричний струм своїми електронами (електронні провідники). До них відносяться всі метали і їх сплави, графіт, вугілля, а також деякі тверді оксиди. Питома електропровідність цих провідників знаходиться в межах від 10 2 до 10 6 Ом -1 • см -1 (наприклад, вугілля - 200 Ом -1 • см -1. Срібло 6 • 10 5 Ом -1 • см -1).
Провідники другого роду проводять електричний струм своїми іонами (іонні провідники). Вони характеризуються низькою електропровідністю (наприклад, Н2 О - 4 • 10 -8 Ом -1 • см -1).
При поєднанні провідників першого і другого роду утворюється електрод. Це найчастіше метал, опущений в розчин власної солі.
При зануренні металевої пластинки в воду атоми металу, що знаходяться в його поверхневому шарі, під дією полярних молекул води гидратируются. В результаті гідратації і теплового руху зв'язок їх з кристалічною решіткою послаблюється і деяку кількість атомів, переходить у вигляді гідратованих іонів в шар рідини, що прилягає до поверхні металу. Металева пластинка заряджається при цьому негативно:
Де Ме - атом металу; Ме n + • n Н2 О - гідратований іон металу; e - - електрон, n - заряд іона металу.
Стан рівноваги залежить від активності металу і від концентрації його іонів в розчині. У разі активних металів (Zn, Fe, Cd, Ni) взаємодія з полярними молекулами води закінчується відривом від поверхні позитивних іонів металу і переходом гідратованих іонів в розчин (рис. 1а). Цей процес є окислювальним. У міру збільшення концентрації катіонів у поверхні зростає швидкість зворотного процесу - відновлення іонів металу. В кінцевому підсумку швидкості обох процесів вирівнюються, встановлюється рівновага, при якому на кордоні розчин-метал виникає подвійний електричний шар з певним значенням потенціалу металу.
Мал. 1. Схема виникнення електродного потенціалу
При зануренні металу не в воду, а в розчин солі цього металу рівновагу зміщується вліво, тобто в сторону переходу іонів з розчину на поверхню металу. При цьому встановлюється нова рівновага вже при іншому значенні потенціалу металу.
Для неактивних металів рівноважна концентрація іонів металу в чистій воді дуже мала. Якщо такий метал занурити в розчин його солі, то катіони металу будуть виділятися з розчину з більшою швидкістю, ніж швидкість переходу іонів з металу в розчин. В цьому випадку поверхню металу отримає позитивний заряд, а розчин - негативний через надлишок аніонів солі (рис. 1. б).
Таким чином, при зануренні металу в воду або в розчин, що містить іони даного металу, на поверхні розділу фаз метал-розчин утворюється подвійний електричний шар, що володіє певною різницею потенціалів. Потенціал електрода залежить від природи металу, концентрації його іонів в розчині і температури.
Абсолютне значення електродного потенціалу j окремого електрода експериментально визначити не можна. Однак можна виміряти різницю потенціалів двох хімічно різних електродів.
Домовилися приймати потенціал стандартного водневого електрода дорівнює нулю. Стандартний водневий електрод являє собою платинову пластинку, покриту губчастої платиною, занурену в розчин кислоти з активністю іонів водню, що дорівнює 1 моль / л. Електрод омивається газоподібним воднем при тиску 1 атм. і температурі 298 К. При цьому встановлюється рівновага:
За стандартний потенціал j 0 даного металевого електрода приймається ЕРС гальванічного елемента, складеного з стандартного водневого електрода і пластинки металу, вміщеній в розчин солі цього металу, причому активність (в розведених розчинах можна використовувати концентрацію) катіонів металу в розчині повинна бути дорівнює 1 моль / л ; Т = 298 К; р = 1 атм. (Стандартні умови). Значення стандартного електродного потенціалу завжди відносять до полуреакции відновлення:
Me n + + n e - → Me
Маючи в своєму розпорядженні метали в порядку зростання величини їх стандартних електродних потенціалів j 0, що відповідають полуреакции відновлення, отримують ряд напруг металів (ряд стандартних електродних потенціалів). В цей же ряд поміщають електродний потенціал системи, що приймається за нуль:
Залежність електродного потенціалу металу j від температури і концентрації (активності) визначається рівнянням Нернста, яке стосовно до системи:
Можна записати в наступному вигляді:
,
де - стандартний електродний потенціал, В;
R - газова постійна,;
F - постійна Фарадея ( »96500 Кл / моль);
n - число електронів, що беруть участь в процесі;
Амі n + - активність іонів металу в розчині, моль / л.
Беручи значення Т = 298К, отримаємо
причому активність в розведених розчинах можна замінити концентрацією іонів, вираженої в моль / л.
ЕРС будь-якого гальванічного елемента можна визначити як різницю електродних потенціалів катода і анода:
Негативний полюс елемента називають анодом, на ньому йде процес окислення:
Ме - ne - → Me n +
Позитивний полюс називають катодом, на ньому йде процес відновлення:
Гальванічний елемент можна записати схематично, при цьому дотримуються певних правил:
1. Електрод зліва повинен бути записаний в послідовності метал - іон. Електрод праворуч записується в послідовності іон - метал. (-) Zn / Zn 2+ // Cu 2+ / Cu (+)
2. Реакція, що протікає на лівому електроді, записується як окислювальна, а реакція на правому електроді - як відновна.
3. Якщо ЕРС елемента> 0, то робота гальванічного елемента буде мимовільно. якщо ЕРС <0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.
Методика проведення досвіду
Досвід 1. Складання мідно-цинкового гальванічного елемента
Отримайте у лаборанта необхідне обладнання і реактиви. В хімічний стакан об'ємом 200 мл налийте 100 мл 0,1 М розчину сульфату міді (II) і опустіть в нього мідну пластинку, поєднану з провідником. У другій склянку налийте такий же обсяг 0,1 М розчину сульфату цинку і опустіть в нього цинкову пластину, з'єднану з провідником. Пластини повинні бути попередньо зачищені наждачним папером. Отримайте у лаборанта сольовий міст і з'єднайте їм два електроліту. Сольовий міст являє собою наповнену гелем (агар-агаром) скляну трубку, обидва кінці якої закриті ватним тампоном. Міст витримують в насиченому водному розчині сульфату натрію, в результаті чого відбувається набухання гелю, у нього проявляється іонна провідність.
За допомогою викладача приєднаєте вольтметр до полюсів утворився гальванічного елемента і виміряйте напругу (якщо вимір проводити вольтметром з невеликим опором, то різниця між величиною ЕРС і напруги невелика). Використовуючи рівняння Нернста, розрахуйте теоретичне значення ЕРС гальванічного елемента. Напруга менше ЕРС гальванічного елемента через поляризації електродів і омічних втрат.
Дослід 2. Електроліз розчину сульфату натрію
Під час експерименту за рахунок електричної енергії, що виробляється гальванічним елементом, пропонується провести електроліз сульфату натрію. Для цього в U - образну трубку налийте розчин сульфату натрію і в обидва коліна її помістіть мідні пластини, зачищені наждачним папером і з'єднані з мідним і цинковим електродами гальванічного елемента, як це показано на рис. 2. У кожне коліно U-подібної трубки додайте по 2-3 краплі фенолфталеїну. Через деякий час в катодного просторі електролізера спостерігається забарвлення розчину в рожевий колір за рахунок утворення лугу при катодному відновленні води. Це свідчить про те, що гальванічний елемент працює як джерело струму.
Складіть рівняння процесів, що протікають на катоді і на аноді при електролізі водного розчину сульфату натрію.