Тема: закони Фарадея та їх застосування.

План:

1. Електроліз.

2. Перший закон Фарадея.

3. Другий закон Фарадея.

Теоретичні відомості

Електролізом називається окисно-відновний процес, що відбувається на електродах під час проходження електричного струму крізь розплав або розчин електроліту.

Суть електролізу полягає у здійсненні за рахунок електричної енергії хімічних реакцій – відновлення на катоді й окислення на аноді. При цьому катод віддає електрони катіонам, а анод приєднує електрони від аніонів.

Відновна й окисна дія електричного струму в багато разів сильніша, ніж дія хімічних відновників і окисників. Так, жоден хімічний окисник неспроможний відняти у фтори-іона його електрон. Тому протягом довгого часу Фтор не могли добути у вільному стані, хоча його сполуки значно поширені у природі. Відняти електрон у фтори-іона вдалося лише при електролізі розчину фториду Калію у фтороводневій кислоті. У цьому випадку на аноді виділяється Флуор (2F^- - 2е = F₂),

А на катоді – Гідроген (2Н⁺ + 2е = Н₂).

Суть електролізу зручно зображати за допомогою схеми, яка показує дисоціацію електроліту, напрямок руху іонів, процеси на електродах і речовини, що виділяються. Схема електролізу розплаву хлориду Натрію має такий вигляд: NаCl

Катод ← Nа⁺ + Cl^- → Анод

Nа⁺ + е = Nа 2Cl^- -2е = Cl₂

Для проведення електролізу занурюють у розплав або розчин електроліту і з’єднують їх з джерелом постійного струму. Приклад, у якому проводять електроліз, називають електролізером, або електролітичною ванною.

Електроліти є провідниками другого роду. Електролізом водних розчинів отримують Цинк, Кадмій, Кобальт, Фтор, Хлор, гідроксид Калію та інші речовини. Кількість речовин,які отримуються чи використовуються залежить від кількості електрики,яка пройшла крізь розчин чи розплав.

Перший закон Фарадея. Маса речовини, що утворюється під час електролізу, пропорційна кількості електрики, яка пройшла крізь розчин чи розплав: ᶆ = E ԛ,

де Е – електрохімічний еквівалент;

ԛ - кількість кулонів електрики (ԛ = І τ);

τ – час (с); І – сила струму (А).

Якщо кількість пропущеної електрики рівно одному кулону (ԛ=1Кл), то ᶆ = E. Відповідно, електрохімічний еквівалент (E) чисельно дорівнює масі речовин, які виділяються при проходженні одного кулона електрики.

Закони Фарадея – основні закони електролізу. Встановлюють взаємозв’язок між кількістю електрики, яка проходить через електропровідний розчин (електроліт), і кількістю речовини, яка виділяється на електродах.

, де k – електрохімічний еквівалент речовини, m - маса речовини, q - заряд.

Другий закон Фарадея: Маси речовин, що утворюються під час електролізу внаслідок проходження однакової кількості електрики, пропорційні їхнім еквівалентам ( електрохімічні еквіваленти елементів прямопропорційні їх хімічним еквівалентам).

де A - атомна маса речовини, ν - заряд її йона, F - число Фарадея. Частка A/ν називається

хімічним еквівалентом.

Рівні кількості електрики, які виділяються в результаті електролізу еквівалентні кількості різних речовин. Відповідно, для виділення одного грам-еквіваленту будь-якої речовини необхідно затратити однакову кількість електрики. Таке число називають числом Фарадея.

Число Фарадея (F) дорівнює добутку числа Авогадро на заряд електрона:

F = N·е = 6,022·10²³·1,6022·10¹⁹Кл = 96485 Кл,

F = 96485 Кл.

де N – число Авогадро, е – заряд електрону.

Для одного грам- еквіваленту речовини необхідно пропустити через розчин 96485 Кл електрики. Отже, електрохімічний еквівалент дорівнює грам-еквіваленту речовини, поділеному на число Фарадея:

𝐤 = ℈ / F,

де 𝐤 – коефіцієнт пропорційності, або електрохімічний еквівалент;

℈ - грам-еквіваленту речовини; F - число Фарадея.Наприклад, електрохімічний еквівалент для Аргентуму:

E_Аg = 107,868/ 96485 = 0,0011281 г/Кл;

електрохімічний еквівалент для Цинку:

Е_Zn = 65,38 / 2 · 96485 =0,0003281 г/Кл.

Закони Фарадея мають велике значення для проведення різних розрахунків, пов’язаних з електролізом.

Завдання для самоконтролю:

1.Електроліз. Суть електролізу.

2. Перший закон Фарадея.

3. Другий закон Фарадея.

4. Число Фарадея.

5. Визначити електрохімічний еквівалент для Аргентуму.

Рекомендована література:

1. Г.П. Хомченко.Посібник з хімії.-К.:Видавництво АСК.,2003р.-ст. 198-205.

2. Н.М.Буринська. Основи загальної хімії, 11клас:Підручник з поглибл. Вивченням хімії.-Київ;Ірпінь:ВТФ «Перун»,1997.- ст.130-135.

3.В.В.Сухан.Хімія:Посібник для вступників до вузів.-К.Либідь,1993.-ст.105-107.

4.І.А.Гройсман.Хімія.Закони, схеми, формули, рівняння.Київ: «Логос»,1998р.- 39.

5. Матеріали з Інтернету.

 

Самостійне вивчення.

Тема: Комплексні сполуки.

План:

1.Характеристика комплексних сполук.

2.Відмінність між бінарними та комплексними сполуками.

3.Виконання завдань по даній темі.

Теоретичні відомості

Особливе місце серед різноманітніх сполук посідають комплексні сполуки.

Вони утворюють при з`єднуванні молекул двох речовин: СuSO₄ + 4 NH_{3 =} [Cu(NH₃₎₄]SO_4,

або HgI₂ + KI = K₂[HgI₄].

Комплексні сполуки - це сполуки, до складу яких входять комплексні частинки (комплекси), що вміщують центральний атом (комплексоутворювач) оточений лігандами. Утворення комплексів можна представити як результат взаємодії за донорно-акцепторним механізмом стабільних при звичайних умовах частинок: атомів, іонів або молекул.

1. У комплексних сполуках розрізняють внутрішню і зовнішню сфери.Групу атомів внутрішньої сфери беруть у квадратні дужки.

П р и к л а д 1. У комплексній сполуці [Cu(NH₃)₄]Cl₂ внутрішньою сферою є комплексний іон [Cu(NH₃)₄]²⁺ ,а зовнішньою сферою-два аніони Cl^-.

2. Комплексні сполуки,що є електролітами, у розчині дисоціюють на комплексний іон і зовнішньосферні іони:

[Cu(NH₃)₄]=[Cu(NH₃)₄²⁺ + 2Cl^-. Центральний атом (іон) комплексу називається комплексоутворювачем. Так,у комплексі[Cu(NH₃)₄]Cl₂ комплексоутворювачем є іон міді Cu²⁺.Іони або полярні молекули,що зв`язані з комплексоутворювачем,називають лігандами. У комплексі [Cu(NH<sub>3</sub>)<sub>4</sub>]Cl<sub>2</sub> лігандами є полярні молекули аміаку NH<sub>3.</sub> Лігандами можуть бути полярні молекули NH<sub>3</sub> , H<sub>2</sub>O, CO та інші,іони Cl<sup>-</sup> , OH<sup>-</sup>, CN<sup>-</sup> тощо.Кількість лігандів,що оточують комплексоутворювач, називається координаційним числом. Ліганди пов`язані з комплексоутворювачем донорно-акцепторними зв`язками. При цьому комплексоутворювач-акцептор електронних пар, а ліганд-донор. Кожний комплексоутворювач характеризується певним координаційним числом відповідно до електронної будови. Так,координаційне число 2 мають комплексоутворювачі Ag⁺ iAu⁺; координаційне число 4: Cu^2+,Hg²⁺,Au³⁺,Bi³⁺; координаційне число 6: CO³⁺, Fe³⁺, Fe^2+, Pt⁴⁺, Zn²⁺, Cr³⁺.

Часто комплексоутворювачами є катіони d-елементів.

3. Заряд комплексного іона дорівнює алгебраїчній сумі зарядів комплексоутворювача і лігандів. Заряди внутрішньої і зовнішньої сфер рівні між собою,але протилежні за знаком.Через це комплексна сполука в цілому є електронейтральною.

4. Розрізняють катіонні,аніонні і нейтральні комплекси. Катіонні комплекси містять нейтральні ліганди. Це амінокомплекси й аквакомплекси.

П р и к л а д 2. Комплексна сполука [Zn(NH₃)₄]Cl₂ за своєю природою є амінокомплексом, а [Cu(NH₃)₄]Cl₂ –аквакомплексом.

Аніонні комплекси містять ліганди,що складаються з аніонів.Так K₃[Co(NO₃)₆], K[Al(OH)₄], K₂[SiF₆].Неметалеві комплексоутворювачі часто утворюють аніонні комплекси. Нейтральні сполуки не мають зовнішньої сфери [Ni(CO)₄], [Pt(NH₃)₂(CO)₂].

5. Для комплексних сполук характерні реакції обміни у яких комплексний іон не руйнується.

П р и к л а д 3. 2K₃[Fe(CN)₆] + 3FeSО₄ = Fe₃(Fe(CN)₆]₂ +3K₂SO_4, іонний вигляд: 6K⁺+2[Fe(CN)₆I^3-+3Fe²⁺+3SO₄^2- = Fe3[Fe(CN)₆]₂+6K⁺+3SO₄^2- або в скороченій формі: 2[Fe(CN)₆]³_- + 3Fe²⁺ = Fe₃[Fe(CN)₆]₂.

6. Принаписанні формул комплексних сполук на першому місці пишеться символ центрального атома,за ним записують іонні і нейтральні ліганди, а внутрішню сферу беруть у квадратні дужки.

П р и к л а д 4.

Комплексний аміакат платини [Pt(NH₃)₄]Cl_2.

Утворення комплексів не пов`язане з виникненням нових електронних пар.

7. Комплексні сполуки широко застосовуються в промисловому виробництві, аналітичній практиці,медицині тощо.Комплексні сполуки виконують важливу роль у життєдіяльності живих організмів.Наприклад,такі важливі фізіологічні речовини,як хлорофіл(комплексоутворювач Mg²⁺⁾і гемоглобін(комплексоутворювач Fe²⁺) є комплексними сполуками.

Головною відмінністю між простими бінарними і комплексними сполу­ками є наявність у комплексних сполуках донорно-акцепторних зв’язків. У результаті реакції комплексоутворення кількість хімічних зв’язків у молекулах комплексних сполук, порівняно із звичайними бінарними сполуками, збіль­шується. Наприклад, кількість хімічних зв’язків у молекулах вихідних речовин для реакції

BF₃ + KF = K[BF₄] чотири (три в BF₃ і один в KF).

У молекулі ж комплексної сполуки K[BF₄] їх уже п’ять: чотири ковалентні зв’язки між бором і йонами фтору (один із яких утворений за донорно-акцепторним механізмом); п’ятий зв’язок виникає між йонами

[BF₄] ^- i K⁺. Комплексна сполука, наприклад K[BF₄], складається з внутрішньої (ко­ординаційної) сфери, яку при написанні беруть в квадратні дужки, і зов­нішньої сфери – в цьому випадку йонів калію. Внутрішня і зовнішня сфери комп­лексної сполуки найчастіше з’єднані між собою йонним зв’язком.
Внутрішня сфера складається із центрального атома (комплексоутво­рювача) і лігандів – йонів або молекул, безпосередньо з’єднаних з цент­ральним атомом. В K[BF₄] центральним атомом є В +3, а лігандами – йони фтору. Кількість лігандів, що оточують (координують) комплексоутворювач, називається координаційним числом (к.ч.). Координаційне число цент­рального атома В +3 в K[BF₄] дорівнює 4. У більшості комплексних сполук координаційні числа дорівнюють подвоєному значенню с.о. центрального атома. Центральний атом і ліганди сполучені між собою ковалентними зв’яз­ками, частина з них (або навіть всі) утворені за донорно-акцепторним механізмом. Донорами електронів у комплексних сполуках найчастіше служать ліганди (аніони або нейтральні молекули, які містять неподільні пари елект­ронів), а акцепторами – центральні атоми – йони d-, f- або р-елементів, рідше
s-елементів. Здатність центральних атомів до комплексоутворення (залежно від їх типів) зменшується у ряді:
d (f) > p >> s. (1)
Ліганди за силою їх поля теж розташовуються в характерній для них послідовності:
CN^- >> NO > CO >> NH₃ > H₂O > C₂O₄^2- > OH^- > F^- > CI ^- > CNS^- > Br^- >J^- (2)

ліганди сильного поля ліганди слабкого поля
Залежно від заряду внутрішньої сфери («-», «+» чи «0») комплексні спо­луки поділяються, відповідно, на аніонні, катіонні і нейтральні.
Завдання 1. Складіть формули трьох комплексних сполук платини з бі­нарних сполук:

PtCI₂ × 2HCI, PtCI₂ × 2NH₃ i PtCI₂ × 4NH₃, якщо для Платини (ІІ) к.ч. = 4.

До якого типу комплексних сполук (аніонного, катіонного чи нейт­рального) вони належать? Напишіть рівняння дисоціації складених Вами комплексних сполук у водних розчинах. Які із цих сполук є електролітами? Напишіть вираз константи нестійкості для останньої із трьох складених Вами сполук.
Розв’язання.

Згідно з (1) в усіх трьох варіантах наведеного вище завдан­ня комплексоутворювачами є йони платини (ІІ), а згідно з (2) лігандами будуть в першій сполуці йони хлору, в другій – молекули амоніаку і йони хлору (оскільки кількість молекул амоніаку менша від к.ч.), в третій – молекули амо­ніаку. Таким чином, склад сполук повинен відповідати формулам:
H₂[PtCl₄], [Pt(NH₃)₂Cl₂], [Pt(NH₃)₄]Cl₂.
Заряд внутрішньої сфери дорівнює алгебраїчній сумі зарядів (ступенів окиснення) комплексоутворювача і лігандів:
[Pt⁺²Cl₄^-1]^2-, [Pt⁺²(NH₃)₂⁰Cl₂^-]⁰, [Pt⁺²(NH₃)₄⁰]₂⁺.
Із обчислених зарядів внутрішніх сфер випливає, що перша із сполук нале­жить до аніонного типу, друга – до нейтрального, третя – до катіонного.
У водних розчинах комплексні сполуки дисоціюють на йони внутрішньої і зовнішньої сфер як сильні електроліти:
H₂[PtCI₄] «2H⁺ + [PtCI₄]₂^-; [Pt(NH₃)₄]CI₂ «[Pt(NH₃)₄]]₂⁺+ 2CI^–.
Нейтральні комплекси, які належать до малодисоційованих сполук, вважаються неелектролітами.
Комплексні йони, в свою чергу, можуть незначно дисоціювати на скла­дові частини, наприклад:
[Pb(NH₃)₄]₂ ⁺ «Pb²⁺ + 4NH₃.
Цей процес є рівноважним, тому для нього можна написати вираз конс­танти дисоціації, яку для комплексних сполук називають константою нестійкості (Кн):
[Pt²⁺][NH₃]⁴ / [[Pt(NH₃)₄]²⁺]=Kн.

Числове значення Кн для комплексних сполук зменшується із зростанням стійкості комплексної сполуки.
Завдання 2. Визначте заряд комплексного йона, ступінь окиснення і коор­динаційне число центрального атома в сполуках:
K₃[Fe(CN)₆]; K₄[Fe(CN)₆]; K₂[Fe(CN)₅NO].
Розв’язання

Молекула будь-якої комплексної сполуки в цілому є елект­ронейтральною, тому, знаючи заряд внутрішньої сферикомплексної солі, можна вичислити ступінь окиснення центрального атома. Для цього від заря­ду внутрішньої сфери необхідновідняти сумарний заряд лігандів (CN^-, NO⁰).

Комплексна сполука	Заряд зовнішньої сфери	Заряд внутрішньої сфери	Ступінь окиснення центрального атома	К.ч. цент-рального атома
K3[Fe(CN)6]	3+	3-	+3
K4[Fe(CN)6]	4+	4-	+2
K2[Fe(CN)5NO]	2+	2-	+3

Завдання 3. Напишіть рівняння реакції комплексоутворення:
FeCI₃ + NaCNS =, підберіть стехіометричні коефіцієнти. (к.ч. = 6)
Для одержаної комплексної сполуки напишіть вираз константи не­стійкості.
Розв’язання.

Згідно із залежністю (1) в заданій реакції комплексо­утворювачем буде атом d-елемента – Ферума (ІІІ), а лігандами, згідно з (2), – йони CN ^-. Координаційне число центрального атома (Ферума ІІІ), як видно з електронної будови, дорівнює 6 (шість вільних орбіталей):
3d 4s 4p
Fe⁺³
d²sp³ – гібридизація
Звідси комплексний йон має склад [Fe(CN)₆]^3-. Заряд комплексного йона (3) нейтралізується протийонами зовнішньої сфери – йонами натрію.
FeCI₃ + NaCN Na₃[Fe(CN)₆] +...
Щоб встановити інші продукти реакції необхідно спочатку підібрати кое­фіцієнти перед комплексоутворювачем і лігандами:
FeCI₃ + 6NaCN Na₃[Fe(CN)₆] +...
Йони хлору, а також натрію, що не увійшли до складу комплексної спо­луки, утворюють другий продукт реакції – хлорид натрію.
FeCI₃ + 6 NaCN ¾ Na₃[Fe(CN)₆] + 3NaCI.
Константа нестійкості комплексної сполуки пов’язана з її вторинною дисоціацією:
[Fe(CN)₆]^3- «Fe³⁺ + 6CN^– ;

.

Завдання для самоконтролю:

1. Поясніть теорію будови комплексних сполук.

2. Як визначають заряд комплексного йона і комплексного утворювача?

3. Як записують константу нестійкості комплексного йона?

4. Де комплексні сполуки застосовують у поліграфічних процесах?

1.Напишіть рівняння реакції комплексоутворення:
FeCI₂ + NaCNS =, підберіть стехіометричні коефіцієнти. (к.ч. = 6)
Для одержаної комплексної сполуки напишіть вираз константи не­стійкості.

2.Визначте заряд комплексного йона, ступінь окиснення і коор­динаційне число центрального атома в сполуках:
Na₃[Fe(CN)₆]; Na₄[Fe(CN)₆];

Рекомендована література:

1. В.П.Басов.Хімія:Навчальний посібник:К.:Каравела,Львів,2003 р.- ст.75-77.

2. Г.П. Хомченко.Посібник з хімії.-К.:Видавництво АСК.,2003р.-ст. 169-172.

3. Н.М.Буринська. Основи загальної хімії, 11клас:Підручник з поглибл. Вивченням хімії.-Київ;Ірпінь:ВТФ «Перун»,1997.- ст.128-130.

4.В.В.Сухан.Хімія:Посібник для вступників до вузів.-К.Либідь,1993.-ст.278;-279.

5.І.А.Гройсман.Хімія.Закони, схеми, формули, рівняння.Київ: «Логос»,1998р.- 34-35.

6.Хімічна енциклопедія: В 5 т. / Під ред. И.Л. Кнунянц. – М., 1990. – Т. 2.

7.Матеріали з Інтернету.

Самостійне вивчення.