Законы Фарадея

Катод – это электрод, на котором происходит процесс восстановления катионов электролита.

Отрицательно заряженные ионы электролита (анионы) подходят к положительному электроду и окисляются на его поверхности, отдавая избыточные электроны.

Анод – это электрод, на котором происходит процесс окисления анионов электролита.

Таким образом, в процессе электролиза катод выполняет функцию восстановителя, а анод – окислителя.

В отличие от гальванических элементов при электролизе отрицательным полюсом является катод (К), а положительным полюсом – анод (А).

Количественно электролиз можно описать законом электролиза.

Первый закон Фарадея: массы веществ, выделяющихся на электродах прямо пропорциональны количеству электричества (q), протекающего через расплав или раствор электролита.

Математическое выражение:

,

где: т (х) – масса выделенного на электроде вещества, г; q – количество электричества, Кл, А×ч; I – сила тока, А; t – время прохождения тока.

Второй закон Фарадея: при пропускании через растворы различных электролитов равного количества электричества массы вещества, выделенных на электродах, пропорциональны молярным массам их эквивалентов.

m(х) = .

Литература:

1. Кубасов В.Л., Зарецкий С.А. Основы электрохимии.- М.: Химия, 1988.

2. Новиков Г.И. Основы общей химии. -М.: Высшая школа, 1988.

Лекция №14. Химия элементов

План лекции

1. Свойства р -металлов и их соединений.

2. Свойства переходных металлов. d-элементы IV-VIII групп.

3. Углерод и его аллотропные формы.

К р - металлам относятся алюминий Al и элементы подгруппы галлия – галлий Ga, индий In, таллий Tl, их атомы имеют ns²np¹-конфигурацию валентных электронов.

По сравнению с бором атомы этих элементов имеют больший радиус и меньшее значение энергии ионизации. В группе IIIА при переходе к таллию возрастают металлические свойства.

Алюминий химически активен, уже в обычных условиях на воздухе покрывается оксидной пленкой. О высокой восстановительной активности алюминия свидетельствуют значения его стандартного электродного потенциала в кислой и щелочной средах:

Al – 3 = Al³⁺, E⁰ = –1,66B;

Al + 6OH^– –3 = [Al(OH)₆]^3–, E⁰ = –2,35B.

Алюминий легко взаимодействует с водой после удаления с него оксидной пленки, выделяет водород из соляной и разбавленной серной кислот, устойчив в очень разбавленной азотной кислоте и концентрированных растворах азотной и серной кислот при комнатной температуре, легко растворяется в растворах щелочей с образованием анионного комплекса [Al(OH)₆]^3–. В своих соединениях алюминий проявляет степень окисления +3.

Оксид и гидроксид алюминия амфотерны с преобладанием основных свойств.

Соли алюминия, образованные сильными кислотами, сильно гидролизованы в водных растворах и имеют кислую реакцию. Соли слабых кислот (Al₂S₃, Al₂(CO₃)₃ и др.) необратимо гидролизуются до Al(OH)₃.

В комплексных соединениях, образованных ионом Al³⁺ в степени окисления +3 основано на малой растворимости в воде ортофосфата алюминия, а также на адсорбционной способности гидроксида алюминия.

Соединения алюминия находят разнообразное применение: в текстильной промышленности используются его хлорид, сульфат, нитрат. Алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂×12H₂O, применяются как протрава при крашении. Сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ ×18H₂O используется для очистки воды.

К р - металлам относятся олово Sn и свинец Pb IVA-группы. Олово и свинец образуют два типа оксидов: МеО и МеО₂. Они практически нерастворимы в воде, их гидроксиды получаются при действии щелочей на соли соответствующих металлов. SnO и PbO и соответствующие им гидроксиды Sn(OH)₂ и Pb(OH)₂ – амфотерны. Они образуют два ряда солей (катионного и анионного типа): SnCl₂ – хлорид олова (II); Pb(NO₃)₂ – нитрат свинца (II); Na₂[Sn(OH)₄] – тетрагидроксостаннат натрия (II); Na₂[Pb(OH)₄] – тетрагидроксоплюмбат натрия (II).

Комплексные соединения анионного типа дегидратируются (обезвоживаются) и переходят в мета-форму: Na₂SnO₂ и Na₂PbO₂. Высшие оксиды SnO₂ и PbO₂ также являются амфотерными.

Для качественного определения соединений олова используется их способность быть восстановителями:

Sn²⁺ – 2 ® Sn⁴⁺, E⁰ = –0,15B.

Для определения ионов свинца (II) используются различные реакции образования нерастворимых соединений свинца (II), а для обнаружения ионов свинца (IV) – окислительная способность соединений свинца (IV), имеющих высокий окислительный потенциал:

PbO₂ + 4H⁺ + 2 ® Pb²⁺ + 2H₂O, E⁰ = 1,46B.

Некоторые соединения олова и свинца очень неустойчивы и чрезвычайно ядовиты.

Металлы d-элемента VIII групп – это железо, кобальт, никель. Для Fe, Co, Ni характерны степени окисления +2 и +3; при переходе от Fe к Ni устойчивость состояния в степени окисления +2 увеличивается, а в степени окисления +3 уменьшается. Степень окисления +6 известна только для Fe.

Железо – металл средней активности, в ряду Fe – Co – Ni химическая активность постепенно снижается, что можно объяснить заполнением d-подуровня и увеличением его устойчивости

; ; .

Углерод находится в IVA-группе периодической системы. В свободном состоянии углерод химически пассивен. Как простое вещество он может существовать в виде четырех модификаций: алмаза, графита, аморфного углерода и полимерного углерода – карбина. Наиболее устойчивой модификацией является графит. В своих соединениях углерод проявляет степени окисления –4 (в углеводородах типа СН₄), –2 (в спиртах типа СН₃ОН), 0 (в альдегидах типа Н₂СО), +2 (в карбоновых кислотах типа НСООН и в СО) и +4 (в СО₂ и его производных).

Молекула СО за счет неподеленной пары электронов углерода проявляет способность к реакциям присоединения, в частности, с d-металлами, образуя при этом комплексы, называемые карбонилами: [Cr(CO)₆], [Fe(CO)₅], [Ni(CO)₄] и др.

Диоксид углерода СО₂ является кислотным, ему соответствует слабая двухосновная угольная кислота, имеющая следующие константы диссоциации: К₁ = 4,3×10^–7, К₂ = 4,7×10^–11.

Литература:

1. Новиков Г.И. Основы общей химии. -М.: Высшая школа, 1988.

2. Глинка П.Л Общая химия.– Л.: Химия, 1984.

Лекция №15

Химия и охрана окружающей среды. Коррозия металлов

План лекции

1. Роль химии в охране окружающей среды.

2. Сущность коррозии металлов в различных средах.

В настоящее время объем выбросов загрязняющих веществ антропогенного действия соизмерим с масштабами природных процессов миграции и аккумуляции различных соединений органического и неорганического происхождения. Влияние загрязняющих веществ на воду, атмосферу и почву испытывает не только население крупных городов, но и жители сельских местностей. В настоящее время во многих странах мира особое внимание уделяют чистоте атмосферного воздуха, питьевой воды, продуктов питания, кормов. За нарушение установленных нормативов применяются жесткие санкции, особенно в развитых странах Евросоюза. Но экологические проблемы всегда будут актуальными при любом уровне экономического развития. Поэтому, требования к снижению опасных уровней содержания поллютантов и борьбе с токсикологическими ситуациями со временем будут возрастать.

Основными причинами загрязнения природных вод в Южно - Казахстанской области (ЮКО) являются следующие источники:

– загрязнение промышленными стоками, которые образуются при деятельности нефтяной и газовой промышленности, химического и металлургического производства, целлюлозно-бумажного производства, причем нормативно-чистые промышленные стоки сбрасываются в нагретом состоянии, что ведет к термическому загрязнению природных вод;

– загрязнение коммунальными стоками, хотя эти воды и подвергаются очистке в отстойниках, биологических прудах, на полях орошения, где накапливаются осадки сточных вод, в которых содержатся ионы тяжелых металлов, другие токсические компоненты, нефтепродукты в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК);

– загрязнение нефтью и нефтепродуктами, которые образуются при добыче и переработке, при авариях, после взрывов и пожаров и при их транспортировке;

– загрязнение поверхностными водами, образующимися в процессе таяния снега, дождевыми водами, которые выносят в реки все характерные загрязняющие вещества с территории промышленных предприятий, городов, с сельскохозяйственных угодий – остатки навоза, патогенные микроорганизмы, ядохимикаты, пестициды, фунгециды и т.п.;

– загрязнение сточными водами шахт и рудников, минерализованными дренажными водами с орошаемых земель.

В настоящее время особую опасность для природных вод приобретает загрязнение разнообразными моющими средствами, которые применяются в железнодорожных, автомобильных и речных видах транспорта, а также в быту.

Кроме вышеприведенных источников загрязнения природных вод загрязнителями являются также токсические вещества, содержащиеся в атмосферных выпадениях, в виде «кислых дождей». На наземные биогеоценозы оказывает влияние отвалы-терриконы теплоэлектростанций, нефтедобычи, газодобычи, сбросы солевых растворов, концентрированных кислот и другие.

Определенная часть этих загрязняющих веществ тем или иным путем попадают в природные воды.

На территории Южно-Казахстанского региона насчитывается 118 малых и больших рек протяженностью от 6 до 200 км. Санитарно- эпидемиологическое состояние этих рек на самом низком уровне, особенно в районах населенных пунктов и промышленных объектов. По данным санитарно-эпидемиологической службы состояние и качество природной питьевой воды, потребляемой населением области, не отвечает установленным нормативам. Особенно проблема чистой воды остро ощущается в Арысском, Отрарском и Сузакском районах и в г. Шардаре, где наиболее часто наблюдаются случаи вспышек кишечно-желудочных заболеваний и гепатита.

Коррозия металлов – это необратимое разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического воздействия окружающей среды. Коррозия является неконтролируемым окислительно - восстановительным процессом, при котором металл, теряя электроны окисляется:

Me – n ® Мп^п+

По механизму протекания различают химическую и электрохимическую коррозию. Разновидностью химической коррозии является высокотемпературная газовая коррозия.

Сущность химической коррозии сводится к прямому взаимодействию металла с окислителями (сухие газы О₂; Cl₂, N₂, органические вещества и др.) в отсутствии электролита или влаги. При этом окисление металла идет по механическому механизму: адсорбирующийся на поверхности металла окислитель (например, О₂ или С1₂) оттягивает электроны от металла, образуя поверхностные соединения в виде оксидов, хлоридов и т.д.:

2Ме + О₂ = 2МеО; 2Ме + ЗС1₂ = 2МеС1

Электрохимическая коррозия совершается по электрохимическому механизму в условиях наличия на поверхности металла слоя электролита (растворы солей, кислот или щелочей, атмосферная влага, почва, морская вода и т.п.)

Сущность электрохимической коррозии заключается в том, что процесс окисления (коррозии) металла сопровождается полным удалением валентных электронов атома металла и передачей их другой частице - деполяризатору. В качестве деполяризатора служат ионы водорода (коррозия с водородной деполяризацией), молекулярный кислород (коррозия с кислородной деполяризацией), или другие окислители.

При электрохимической коррозии на металле идут одновременно два процесса:

1. Окисление метала (анодный процесс)

Me – n ® Мп^п+

2. Восстановление окислителя (катодный процесс)

а) 2Н + 2 ® Н₂ (в случае коррозии с водородной деполяризации);

б) О₂ + 2Н₂О + 4 ® 4ОН^– (в случае коррозии с кислородной деполяризацией).

Коррозия с водородной деполяризацией протекает в тех случаях, когда потенциал водородного электрода положительнее потенциала металла (среда раствора электролита кислая). Коррозия с кислородной деполяризацией возможна, если потенциал кислородного электрода положительнее потенциала металла (среда раствора электролита нейтральная или щелочная).

Одним из наиболее надежных и распространенных методов предохранения металлов от коррозионного разрушения является нанесение защитных покрытий: металлических (анодное, катодное покрытие), лакокрасочных, оксидных и других. В последние годы широкое применение нашли ингибиторы коррозии – вещества которые, находясь к небольших количествах в агрессивной среде, обеспечивают эффективную защиту металла.

Важнейшим условием надежности защитного действия любого вида покрытия или ингибитора является равномерность распределения последних по всей поверхности, высокая адгезия покрытия к поверхности защищаемого металла. Эти условия достигаются тщательной очисткой и подготовкой поверхности изделия, правильным выбором метода и строгим соблюдением технологического режима нанесения покрытия или применения ингибитора.

Пример. Как происходит коррозия железа, находящегося в контакте с оловом в нейтральной среде? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

Решение. 1. Найдем стандартные электродные потенциалы железа и олова:

; .

2. Так как , то олово является катодом, а железо – анодом.

3. На аноде идет процесс окисления:

Fe – 2 ® Fe²⁺

На катоде (олово) идет процесс восстановления:

O₂ + 2H₂O + 2 = 2OH^–

Так как ионы Fe²⁺ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии будет Fe(OH)₂, который под воздействием кислорода воздуха окисляется до Fe(OH)₃.

Литература:

1. Глинка П.Л Общая химия.– Л.: Химия, 1984.

Валентина Федоровна Мясникова

Эльмира Нуриддиновна Абдулова

Дата добавления: 2014-11-09