Периодическая система элементов

Уфа - 2008

 

 

Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства.

(протокол № от «____» _______________ 2008 г.)

Председатель методической комиссии: д.т.н., профессор Баширов Р.М.

 

Составители:

профессор Кудашев Р.Х.

доцент Халимов Р.Ф.

 

Рецензент:

доцент кафедры химии Шабаева Г.Б.

 

Ответственный за выпуск:

заведующий кафедрой химии,

доцент Нигматуллин Н.Г.

 

 

Введение

Курс общей химии включает в себя материал, необходимый для формирования у будущих высококвалифицированных специалистов – инженеров сельского хозяйства химического мышления, которое в дальнейшем поможет им решать разнообразные производственные и исследовательские задачи.

Необходимо, чтобы студент, изучая курс общей химии, обращал особое внимание на те разделы и даже отдельные вопросы курса, которые ближе всего отвечают профилю избранной им специальности: самопроизвольное протекание химических реакций, управление химическими процессами изменением скорости химической реакции и смещением химического равновесия, окислительно-восстановительные реакции, коррозию металлов и способы защиты от коррозии, полимеры и др.

Настоящие методические указания составлены в соответствии с программой курса химии. Одной из форм учебы студента является самостоятельная работа с рекомендуемой литературой.

В связи с этим главная задача методических указаний – оказание помощи обучающимся в освоении, систематизации и закреплении знаний по изучаемой дисциплине. Приступая к изучению курса целесообразно вначале ознакомиться с программой по химии.

В соответствии с учебным планом каждый студент должен выполнить одну домашнюю работу, являющуюся результатом самостоятельной проработки курса.

Своевременно представленная домашняя работа служит основанием для допуска студента к экзамену по химии.

Домашнюю работу следует писать аккуратно, разборчиво. Для замечаний рецензента необходимо оставлять поля. Условие задачи необходимо записывать полностью и указывать номера задач в соответствии с домашним заданием.

 

Таблица 1 Варианты контрольного задания

 

последние две

цифры зачетки

00 1,11,21,31,41,51,61,71,81,91,101

01 2,12,22,32,42,52,62,72,82,92,102

02 3,13,23,33,43,53,63,73,83,93,103

03 4,14,24,34,44,54,64,74,84,94,104

04 5,15,25,35,45,55,65,75,85,95,105

05 6,16,26,36,46,56,66,76,86,96,106

06 7,17,27,37,47,57,67,77,87,97,107

07 8,18,28,38,48,58,68,78,88,98,108

08 9,19,29,39,49,59,69,79,89,99,109

09 10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110

10 9,11,29,31,50,51,70,71,90,91,110

11 8,12,28,32,49,52,69,72,89,92,109

12 7,13,27,33,48,53,68,73,88,93,108

13 6,14,26,34,47,54,67,74,67,94,107

14 5,16,25,35,46,55,66,75,86,95,106

15 4,15,24,36,45,56,65,76,85,96,105

16 3,18,23,37,44,57,64,77,87,97,104

17 2,19,22,38,43,58,63,78,83,98,103

18 1,20,21,40,42,59,62,79,82,99,102

19 10,17,30,39,41,60,61,80,81,100,101

20 8,11,21,32,43,54,65,76,87,98,110

21 9,12,21,32,42,53,64,75,86,99,109

22 7,13,22,33,44,55,65,76,87,100,108

23 6,14,23,34,43,54,63,74,85,91,107

24 5,15,24,31,45,53,64,73,81,92,106

25 4,16,25,32,46,52,65,72,82,93,105

26 3,17,26,33,47,51,67,71,83,94,104

27 2,18,27,34,48,56,68,72,84,95,103

28 1,19,28,35,49,57,69,73,85,96,102

29 10,20,29,36,50,58,70,74,86,97,101

30 6,18,30,37,41,59,69,75,87,98,102

31 5,17,29,38,42,60,68,76,88,99,103

32 4,16,28,39,43,60,67,77,89,100,104

33 3,15,27,40,44,60,66,78,90,91,105

34 2,14,26,39,45,59,65,79,89,92,106

35 1,13,25,38,46,58,64,80,88,93,107

36 7,12,24,37,47,57,63,80,87,94,108

37 8,11,23,36,48,56,62,79,86,95,109

38 9,20,22,35,49,55,61,78,86,96,110

39 10,19,21,34,50,54,62,77,85,97,109

40 9,18,30,33,51,53,63,76,84,98,108

41 8,17,29,32,50,52,64,75,83,99,107

42 7,16,28,31,49,51,65,74,82,100,106

43 6,15,27,40,48,60,66,73,81,99,105

44 5,14,26,39,47,59,67,72,82,98,104

45 4,13,25,38,46,58,68,71,90,97,103

46 3,11,30,31,50,51,70,71,90,100,110

47 2,12,29,32,49,52,69,72,89,99,109

48 1,13,28,33,48,53,68,73,88,98,108

49 10,14,27,34,47,54,67,74,87,97,107

50 9,15,26,35,46,55,66,75,86,96,106

51 8,16,25,36,45,56,65,76,85,95,105

52 7,17,26,37,44,57,64,77,84,94,104

53 6,18,23,38,43,58,63,78,83,93,103

54 5,19,22,39,42,59,62,79,82,92,102

55 4,20,21,40,41,60,61,80,81,91,101

56 3,20,21,40,50,60,62,79,81,100,110

57 2,19,22,39,49,59,63,78,82,99,109

58 1,18,23,38,48,58,64,77,83,98,109

59 1,17,24,77,47,57,65,76,84,97,107

60 2,16,25,36,46,56,66,75,85,96,106

61 3,15,26,35,45,55,67,74,86,95,105

62 4,14,27,34,44,54,68,73,87,94,104

63 5,13,28,33,43,53,69,72,88,93,103

64 6,12,29,32,42,52,70,71,89,92,102

65 7,11,30,31,41,51,69,72,90,91,101

66 8,20,30,40,41,60,68,73,90,91,110

67 9,19,29,39,42,59,67,74,89,92,109

68 10.18,28,38,43,58,66,75,88,93,108

69 10,17,27,37,44,57,65,76,87,94,107

70 9,16,26,36,45,56,64,77,86,95,106

71 8,15,25,35,46,55,63,78,85,96,105

72 7,14,24,34,47,54,62,79,84,97,104

73 6,13,23,33,48,53,61,80,83,98,103

74 5,12,22,32,49,52,70,80,82,99,102

75 4,11,21,31,40,51,69,79,81,100,104

76 3,11,22,31,50,52,68,78,82,100,101

77 2,12,23,32,49,53,67,77,83,99,102

78 1,13,24,33,48,54,66,76,84,98,103

79 10,14,25,34,47,55,65,75,85,97,104

80 9,15,26,35,46,56,64,73,86,96,105

81 8,16,27,36,45,57,63,74,87,95,106

82 7,17,28,32,44,58,62,71,88,94,107

83 6,18,29,38,43,59,61,72,89,93,108

84 5,19,30,39,42,60,70,79,90,92,109

85 4,20,29,40,41,60,69,80,89,91,110

86 3,20,28,40,50,59,68,77,88,100,109

87 2,19,27,39,49,58,67,76,87,99,108

88 1,18,26,38,48,57,66,75,86,98,107

89 1,17,25,37,47,56,65,74,85,97,106

90 2,16,24,36,46,55,64,73,84,96,105

91 3,15,23,35,45,54,63,72,83,95,104

92 4,14,22,34,44,53,62,71,82,94,103

93 5,13,21,33,43,52,61,72,81,93,102

94 6,12,21,32,42,51,62,73,90,92,101

95 7,11,22,31,41,60,63,74,89,91,101

96 8,12,23,31,50,59,64,75,88,92,102

97 9,13,24,32,49,58,65,76,87,93,103

98 10,14,25,33,48,57,66,77,86,94,104

99 9,15,26,34,47,56,67,78,85,95,105

 

 

Задания и методические указания по выполнению домашней работы

Строение атома

Каждая цифра в таблице Д.И. Менделеева имеет определенный физический смысл. Поэтому характеристики и схему строения атома любого элемента можно определить по положению его в таблице.

Пример 1. Составьте схему строения атома элемента №16.

Решение. Элемент №16 – сера, химический знак S. Для элементов малых периодов главных подгрупп удобно пользоваться следующей схемой:

Таблица 2. Схема строения атома серы.

Положение элемента в таблице	Характеристики строения атома
Порядковый номер 16	Число протонов в ядре 16 Заряд ядра +16 Общее число электронов 16
Номер периода 3	Число электронных слоев 3
Номер группы 6	Число электронов на внешнем слое 6
Подгруппа главная	Высшая степень окисления +6 Низшая степень окисления -2
Схема строения: ядро атома S + 16	Электронные оболочки атома S I II III ))) 2ē 8ē 6ē валентные электроны

 

Пример 2. Титан (Ti) расположен в 4 периоде четвертой группы в побочной подгруппе. Его четыре валентных электрона распределены так: 2ē – на 4-м слое, а 2ē помещен вместе с восемью имеющимися на третьем слое.

Схема строения:

ядро атома Ti электронные слои атома Ti

I II III IV

))))

2ē 8ē 8ē + 2ē 2ē

валентные электроны

 

1.2 Контрольные вопросы

1-10. Составьте электронные формулы и представьте графически размещение электронов по квантовым ячейкам для указанных в таблице 3 элементов, соответствующих вашему заданию. Проанализируйте возможности разъединения спаренных электронов при возбуждении атомов с образованием валентных электронов в соответствии с теорией спин-валентности.

 

Таблица 3 Задания к номерам 1-10

№ задания	Элементы
	углерод, скандий
	азот, титан
	кислород, ванадий
	фтор, хром
	алюминий, мышьяк
	кремний, бром
	фосфор, калий
	сера, кальций
	хлор, бериллий
	аргон, железо

Периодическая система элементов

Д.И. Менделеева

 

Пример 1. Какую высшую степень и низшую степени окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение. Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns²np⁶).

Данные элементы находятся соответственно в VA, VIA, VIIA-группах и имеют структуру внешнего энергетического уровня s²p³, s²p⁴ и s²p⁵. Ответ на вопрос см. в таблице 4.

Таблица 4 Степени окисления мышьяка, селена, брома

Элемент	Степень окисления	Соединения
высшая	низшая
As	+5	-3	H3AsO4, H3As
Se	+6	-2	SeO3, Na2Se
Br	+7	-1	KBrO4, KBr

 

Пример 2. У какого из элементов четвертого периода – марганца или брома – сильнее выражены металлические свойства?

Решение. Электронные формулы данных элементов:

₂₅Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²

₃₅Br 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁵

Марганец – d-элемент VIIB-группы, а бром – p-элемент VIIA-группы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома – семь. Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а, следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановительными свойствами и не образуют элементарных отрицательных ионов.

Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех электронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно приобретают отрицательную степень окисления и даже образуют элементарные отрицательные ионы.

Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего слабые восстановительные свойства, более свойственны окислительные функции. Общей закономерностью для всех групп, содержащих p- и d-элементы, является преобладание металлических свойств у d-элементов. Следовательно, металлические свойства у марганца сильнее выражены, чем у брома.

 

2.1 Контрольные вопросы

11. Что такое энергия ионизации? В каких единицах она выражается? Как изменяется восстановительная активность s - и p -элементов в группах периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

12. Что такое электроотрицательность? Как изменяется электроотрицательность р -элементов в периоде, в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Почему?

13. Что такое сродство к электрону? В каких единицах оно выражается? Как изменяется окислительная активность неметаллов в периоде и в группе периодической системы с увеличением порядкового номера? Ответ мотивируйте строением атома соответствующего элемента.

14. Какой из элементов четвертого периода – ванадий или мышьяк – обладает более выраженными металлическими свойствами? Какой из этих элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте исходя из строения атомов данных элементов.

15. У какого элемента четвертого периода – хрома или селена – сильнее выражены металлические свойства? Какой из элементов образует газообразное соединение с водородом? Ответ мотивируйте строением атомов хрома и селена.

16. Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера, азот и углерод? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элементами в этой степени окисления. Как называются соответствующие соединения?

17. У какого из р -элементов пятой группы периодической системы – фосфора или сурьмы – сильнее выражены неметаллические свойства? Какое из водородных соединений данных элементов более сильный восстановитель? Ответ мотивируйте строением атомов этих элементов.

18. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют кремний, мышьяк, селен и азот? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

19. Какую низшую и высшую степени окисления проявляют углерод, фосфор, сера и йод? Почему? Составьте формулы соединений данных элементов, отвечающих этим степеням окисления.

20. Атомы каких элементов четвертого периода периодической системы образуют оксид, отвечающий их высшей степени окисления Э₂О₅? Какой их них дает газообразное соединение с водородом? Составьте формулы кислот, отвечающих этим оксидам, и изобразите их графически.

 

 

Химическая термодинамика

Химическая термодинамика изучает превращение энергии при протекании химических реакций и способность химических систем совершать полезную работу.

Энтальпия Н – одна из термодинамических функций состояния системы. Изменение энтальпии ΔН равно тепловому эффекту химической реакции, протекающей в изобарно-изотермических условиях (р=const, T= const), причем единственным видом работы является работа расширения газа (W = p∙ΔV). Если ΔН < 0, процесс идет с выделением теплоты в окружающую среду (экзотермическая реакция), если ΔН > 0, процесс идет с поглощением теплоты (эндотермическая реакция).

Закон Гесса. Тепловой эффект химического процесса не зависит от пути протекания, а зависит от природы и физического состояния исходных веществ и продуктов реакции.

В основе расчетов тепловых эффектов реакций лежат следующие положения.

Первое следствие из закона Гесса. Тепловой эффект химической реакции равен сумме энтальпий образования продуктов реакции с вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов реакции:

Δ_rH⁰₂₉₈ = Σ(ν₁ Δ _f H⁰₂₉₈)_прод - Σ(ν_i Δ _f H⁰₂₉₈)_исх, (3.1.)

где Δ_rH⁰₂₉₈ – тепловой эффект химической реакции;

Δ _f H⁰₂₉₈ – энтальпия образования исходных веществ и продуктов реакции при стандартных условиях (таблицы 5);

ν₁, ν_i – стехиометрические коэффициенты.

Стандартная энтальпия образования Δ _f H⁰₂₉₈ – тепловой эффект образования одного моля вещества из простых веществ, устойчивых при стандартных условиях (Т= 298 К, р= 1 атм). Стандартные теплоты образования простых веществ в стандартных состояниях и устойчивых модификациях равны нулю.

Второе следствие из закона Гесса. Тепловой эффект химической реакции равен сумме энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы энтальпий сгорания продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов реакции:

Δ_rH⁰₂₉₈ = Σ(ν_i Δ _f H⁰₂₉₈)_исх - Σ(ν₁ Δ _f H⁰₂₉₈)_прод, (3.2.)

где Δ_rH⁰₂₉₈ – тепловой эффект химической реакции;

Δ _f H⁰₂₉₈ – энтальпия сгорания исходных веществ и продуктов реакции при стандартных условиях;

ν₁, ν_i – стехиометрические коэффициенты.

Стандартная энтальпия сгорания вещества Δ_сH⁰₂₉₈ – уменьшении энтальпии при окислении в избытке кислорода 1 моля вещества, взятого в стандартном состоянии, до конечных продуктов окисления: оксида углерода (IV), воды, азота, оксида серы (IV). Стандартные энтальпии сгорания конечных продуктов окисления равны нулю.

Энтропия S так же, как энтальпия Н, является термодинамической функцией состояния системы

S= R∙lnW, (3.3)

где R - универсальная газовая постоянная;

W- термодинамическая вероятность состояния системы.

Уравнение 3.3 – уравнение Больцмана.

Термодинамическая вероятность состояния системы W – число микросостояний, с помощью которых осуществляется данное микросостояние.

Так как величина S прямо пропорциональна ln W, то энтропия является мерой неупорядоченности системы. Ее значение увеличивается с ростом температуры и уменьшается с ее понижением. Энтропия возрастает при переходе вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, таким образом, S (т) < S (ж) < S (г). Усложнение молекулы сопровождается ростом энтропии.

Так как энтропия является функцией состояния системы, то ее изменение (ΔS) в процессе химической реакции можно подсчитать, используя следствие из закона Гесса:

Δ_rS⁰₂₉₈ = Σ(ν_i S⁰₂₉₈)_прод - Σ(ν₁ S⁰₂₉₈)_исх, (3.4.)

где Δ_rS⁰₂₉₈ – изменение энтропии при протекании химической реакции;

Δ S⁰₂₉₈ – стандартная энтропия исходных веществ и продуктов реакции (таблицы 7);

ν₁, ν_i – стехиометрические коэффициенты

Э нергия Гиббса. При химических взаимодействиях наблюдается одновременные изменения и энтальпии, и энтропии системы, которые учитываются энергией Гиббса ΔG, поэтому ΔG – критерий, определяющий направление самопроизвольного протекания химических процессов.

Если ΔG < 0 – химическая реакция возможна;

ΔG > 0 – протекание реакции невозможно;

ΔG = 0 – реакция находится в состоянии химического равновесия.

Стандартную энергию Гиббса реакции можно рассчитать двумя способами.

1 способ. Используют первое следствие из закона Гесса:

Δ_r G⁰₂₉₈ = Σ(ν_i Δ_f G⁰₂₉₈)_прод - Σ(ν₁ Δ_f G⁰₂₉₈)_исх, (3.5)

Δ_r G⁰₂₉₈ – изменение энергии Гиббса при протекании химической реакции;

Δ_f G⁰₂₉₈ – энергия Гиббса образования исходных веществ и продуктов реакции при стандартных условиях (таблицы 6);

ν₁, ν_i – стехиометрические коэффициенты.

Стандартная энергия Гиббса образования Δ_f G⁰₂₉₈ – изменение энергии Гиббса при образовании одного моля вещества из простых веществ, устойчивых при стандартных условиях (Т= 298 К, р= 1 атм). стандартные значения энергий Гиббса образования простых веществ в стандартных состояниях и устойчивых модификациях равны нулю.

2 способ. Изменение стандартной энергии Гиббса химической реакции может быть также вычислено по уравнению:

Δ_r G⁰₂₉₈ = Δ_r Н⁰₂₉₈ - Т∙ Δ_r S⁰₂₉₈, (3.6)

где Δ_r Н⁰₂₉₈ – изменение энтальпии химической реакции, рассчитанное по уравнению 1.1 или 1.2;

∙ Δ_r S⁰₂₉₈, - изменение энтропии химической реакции, рассчитанное по уравнению 3.4;

Т – температура, К.

Если пренебречь зависимостью Δ_r Н⁰ и Δ_r S⁰ от температуры, то можно определить Т_равн, т.е. температуру, при которой устанавливается равновесие химической реакции для стандартного состояния реагентов:

(3.7)

Прежде чем приступить к решению задач, выучите следующие основные понятия:

1) термодинамическая система, виды термодинамических систем (гомогенные, гетерогенные, открытые, закрытые, изолированные);

2) параметры термодинамической системы (экстенсивные, интенсивные);

3) термодинамические процессы (изобарные, изохорные, изотермические; обратимые и необратимые; самопроизвольные и вынужденные; экзо- и эндотермические);

4) внутренняя энергия, теплота, работа; первый закон термодинамики;

5) важнейшие функции состояния системы (энтальпия, энтропия, энергия Гиббса) и взаимосвязь между ними;

6) стандартная энтальпия образования вещества и стандартная энтальпия сгорания вещества, стандартное изменение энтальпии реакции; закон Гесса и следствия из него.

При решении задач необходимо обратить внимание на то, что:

1) при записи термохимических (термодинамических) уравнений обязательно указывают агрегатное состояние исходных и полученных веществ, а справа указывают величину Δ_r Н⁰₂₉₈;

2) при расчете стандартной энергии Гиббса по уравнению 3.6 единицы измерения величины Δ_r Н⁰ и произведения Т∙ Δ_r S⁰₂₉₈ должны совпадать;

3) направление протекания самопроизвольного химического процесса можно определить по знаку изменения стандартной энергии Гиббса процесса.

 

Примеры решения типовых задач

Расчет стандартной энтальпии реакции по стандартным энтальпиям образования веществ.

3.1. Сколько теплоты выделится при сжигании 25 литров этилена, взятого при нормальных условиях, если известны стандартные энтальпии образования веществ.

Решение. Запишем уравнение процесса:

С₂Н₄ (г) + 3О₂ (г) → 2СО₂ (г) + 2Н₂О (ж)

По условию задачи сгорает 25 литров этилена, что составляет

где V_m = 22,4 л/моль – мольный объем любого газа при нормальных условиях.

Используя стандартные энтальпии образования веществ, рассчитаем, какое количество теплоты выделяется при сгорании 1 моль этилена. Исходя из первого следствия из закона Гесса, стандартная энтальпия химической реакции равна сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

Δ_rH⁰₂₉₈ = Σ(ν_i Δ _f H⁰₂₉₈)_исх - Σ(ν₁ Δ _f H⁰₂₉₈)_прод

Тепловой эффект данной реакции рассчитывается по уравнению

Δ_rH⁰₂₉₈ = 2∙Δ _f H⁰₂₉₈ (СО₂) + 2∙ Δ _f H⁰₂₉₈ (Н₂О) - Δ _f H⁰₂₉₈ (С₂Н₄) - 3∙ Δ _f H⁰₂₉₈ (О₂).

Подставив справочные данные, получим:

Δ_rH⁰₂₉₈ = 2∙(-393,5) + 2∙(-286,0) – 52,0 = -1411,0 кДж.

Следовательно, при сжигании 1 моль этилена выделится 1411,0 кДж, тогда при сжигании 1,12 моль этилена 1,12∙(-1411,0 кДж) = -1580,3 кДж. Данная реакция является экзотермической, так как Δ_rH⁰₂₉₈ < 0.

Ответ: при сжигании 25 л этилена выделится 1580,3 кДж теплоты.

Электролиз

 

Электролиз – окислительно-восстановительный процесс, протекающий при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита.

Пример 1. Какая масса меди выделится на катоде при электролизе раствора СuSO₄ в течение 1 часа при силе тока 4 А?

Решение. Согласно законам Фарадея:

m = , (9.1)

где т - масса вещества, окисленного или восстановленного на электроде;

Э - эквивалентная масса вещества;

I - сила тока. А;

t - продолжительность электролиза, с.

Эквивалентная масса меди в СuSO₄ равна 63,54: 2 = 31,77 г/моль. Подставив в формулу (9.1) значения Э = 31,77 г/моль, I = 4 А, t = 60×60 = 3600 с, получим:

m = = 4,74 г

Пример 2. Вычислите эквивалентную массу металла, зная, что при электролизе раствора хлорида этого металла затрачено 3880 Кл электричества и на катоде выделяется 11,742 г металла.

Решение. Из формулы (9.1):

Э = = 29,35 г/моль,

где т = 11,742 г; I×t = Q = 3880 Кл.

Пример 3. Чему равна сила тока при электролизе раствора в течение 1 ч 40 мин 25 с, если на катоде выделилось 1,4 л водорода (н.у.)?

Решение. Из формулы (1):

 

I =

Так как дан объем водорода, то отношение т /Э заменяем отношением Vн₂/Vэ(н₂) где Vн₂ - объем водорода, л; Vэ(н₂) - эквивалентный объем водорода, л. Тогда I = Vн₂×96500/ Vэ(н₂)×t.

Эквивалентный объем водорода при н.у. равен половине молярного объема 22,4/2== 11,2 л. Подставив в приведенную формулу значения Vн₂ = 1,4 л, Vэ(н₂) = 11,2 л, t = 6025 c (1 ч 40 мин 25 с), находим I = 1,4×96500/11,2×6025 = 2 А.

Пример 4. Какая масса гидроксида калия образовалась у катода при электролизе раствора K₂SO₄, если на аноде выделилось 11,2 л кислорода (н. у.)?

Решение. Эквивалентный объем кислорода (н.у.) 22,4/4 = 5,6 л. Следовательно, 11,2 л содержат две эквивалентные массы кислорода. Столько же эквивалентных масс КОН образовалось у катода, или 56,11×2 = 112,22 г (56,11 г/моль - мольная и эквивалентная масса КОН).

 

9.1 Контрольные вопросы

91. Электролиз раствора K₂SO₄ проводили при силе тока 5А в течение 3 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н.у.), выделившихся на катоде, аноде? Ответ: 5,03 г; 6,266 л; 3,133 л.

92. При электролизе соли некоторого металла в течение 1,5 ч при силетока 1,8 А на катоде выделилось 1,75 г этого металла. Вычислите эквивалентную массу металла. Ответ: 17,37 г/моль.

93. Электролиз раствора Na₂SO₄ проводили в течение 5 ч при силе тока 7 А. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса воды при этом разложилась и чему равен объем газов (н.у.), выделившихся на катоде и аноде? Ответ: 11,75 г; 14,62 л; 7,31 л.

94. Электролиз раствора нитрата серебра проводили при силе тока 2А в течение 4 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах. Какая масса серебра выделилась на катоде и каков объем газа (н.у.), выделившегося на аноде? Ответ: 32,20 г; 1,67 л.

95. Электролиз раствора сульфата некоторого металла проводили при силе тока 6 А в течение 45 мин, в результате чего на катоде выделилось 5,49 г металла. Вычислите эквивалентную массу металла. Ответ; 32,7 г/моль.

96. Электролиз раствора сульфата цинка проводили в течение 5 ч, в результате чего выделилось 6 л кислорода (н.у.). Составьте уравнения электродных процессов и вычислите силу тока. Ответ: 5,74 А.

97. Электролиз раствора NaI проводили при силе тока 6 А в течение 2,5 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах и вычислите массу вещества, выделившегося на катоде и аноде.

Ответ: 0,56 г; 71,0 г.

98. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на графитовых электродах при электролизе расплавов и водных растворов NаС1 и КОН. Сколько литров (н.у.) газа выделится на аноде при электролизе гидроксида калия, если электролиз проводить в течение 30 мин при силе тока 0,5 А? Ответ: 0,052 л.

99. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на угольных электродах при электролизе раствора СuCl₂. Вычислите массу меди, выделившейся на катоде, если на аноде выделилось 560 мл газа (н.у.).

Ответ: 1,588 г.

100. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе раствора КОН. Чему равна сила тока, если в течение 1 ч 15 мин 20 с на аноде выделилось 6,4 газа? Сколько литров газа (н.у.) выделилось при этом на катоде? Ответ: 17,08 А; 8,96 л.

 

Коррозия металлов

 

При решении задач этого раздела см. таблицу 8. Коррозия - это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой.

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса:

анодный - окисление металла

Ме⁰ – nē = Ме ⁿ⁺

и катодный - восстановление ионов водорода

2 H⁺ + 2ē = H₂

или молекул кислорода, растворенного в воде,

О₂ + 2 Н₂O + 4ē = 4 OН ^-.

Ионы или молекулы, которые восстанавливаются на катоде, называются деполяризаторами. При атмосферной коррозии - коррозии во влажном воздухе при комнатной температуре - деполяризатором является кислород.

Пример. Как происходит коррозия цинка, находящегося в контакте с кадмием в нейтральном и кислом растворах. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

Решение. Цинк имеет более отрицательный потенциал (-0,763 В), чем кадмий (-0,403 В), поэтому он является анодом, а кадмий катодом.

анодный процесс: Zn⁰ - 2ē = Zn²⁺

катодный процесс: в кислой среде 2 Н⁺ + 2ē = Н₂

в нейтральной среде: ¹/₂O₂ + Н₂O + 2ē = 2 OН ^-.

Так как ионы Zn²⁺ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии будет Zn(ОН)₂.

 

11.1 Контрольные вопросы

101. Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процесса.

102. Как происходит атмосферная коррозия луженого же­леза и луженой меди при нарушении покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

103. Если пластинку из чистого цинка опустить в разбавленную кислоту, то начинающееся выделение водорода вскоре почти прекращается. Однако при прикосновении к цинку медной палочкой на последней начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнения протекающей химической реакции.

104. В чем сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

105. Железное изделие покрыли никелем. Какое это покрытие - анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?

106. В раствор хлороводородной (соляной) кислоты поместили цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.

107. Почему химически чистое железо более стойко против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в кислой среде.

108. Какое покрытие металла называется анодным и какое - катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытия железа. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью, во влажном воздухе и кислой среде.

109. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие - анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

110. Две железные пластинки, частично покрытые одна оловом, другая медью, находятся во влажном воздухе. На какой из этих пластинок быстрее образуется ржавчина? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этих пластинок. Каков состав продуктов коррозии железа?

 

Приложение А

Таблица А Растворимость солей и оснований в воде

Катионы

Fe^2+

Р

Р

Р

Р

Р

Н

Н

Р

Н

Н

-

Н

Н

р – растворимое, м –малорастворимое, н – практически нерастворимое вещество, прочерк означает, что вещество не существует или разлагается водой

Fe^3+

Р

Р

-

Р

-

Н

-

Р

-

Н

-

Н

Н

Mn^2+

Р

Р

Р

-

Р

Н

Н

Р

Н

Н

Н

Н

Н

Cr^3+

Р

Р

Р

Р

-

-

-

Р

-

-

Р

Н

Н

Bi^3+

-

-

-

Р

-

Н

Н

-

Н

-

Н

Н

Н

Pb^2+

М

М

Н

Р

Р

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Sn^2+

Р

Р

Р

-

-

Н

-

Р

-

-

-

Н

Н

Al^3+

Р

Р

Р

Р

Р

-

-

Р

-

Н

-

Н

Н

Hg^2+

Р

М

Н

Р

Р

Н

Н

-

-

-

Н

Н

-

Zn^2+

Р

Р

Р

Р

Р

Н

Н

Р

Н

Н

Н

Н

Н

Ba^2+

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Р

Sr^2+

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

Н

Н

Н

М

Н

М

Ca^2+

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

М

Н

Н

М

Н

М

Mg^2+

Р

Р

Р

Р

Р

-

Н

Р

Н

Н

Р

Н

Н

Ag^+

Н

Н

Н

Р

Р

Н

Н

М

Н

-

Н

Н

-

Cu^2+

Р

Р

-

Р

Р

Н

Н

Р

-

-

Н

Н

Н

NH4^+

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

-

Р

Р

р

Na^+ K^+

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

р

Li^+

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

р

анионы

Cl^-

Br^-

I^-

NO3^-

CH3COO^-

S^2-

SO3^2-

SO4^2-

CO3^2-

SiO3^2-

CrO4^2-

PO4^3-

OH^-

Приложение Б

 

Таблица Б Степень диссоциации кислот и оснований в водных 0,1 н растворах

при 18⁰С

Электролит	Уравнение диссоциации	Степень диссоциации, %
в 1 н растворах	в 0,1 н растворах
Кислоты:
Азотная	HNO3 = H^++ NO3^-
Соляная	HCl = H^+ + Cl^-
Серная	H2SO4 = 2H^+ + SO4^2-
Фосфорная	H3PO4 «H^+ + H2PO4^-	-
Уксусная	CH3COOH «H^+ + CH3COO^-	0,4	1,3
Угольная	H2CO3 «H^+ + HCO3^-	-	0,17
Сероводородная	H2S «H^+ + HS^-	-	0,07
Основания:
Едкое кали	KOH = K^+ + OH^-
Едкий натр	NaOH = Na^+ + OH^-
Гидроксид аммония	NH4OH «NH4^+ + OH^-	0,4	1,3

 

 

Приложение В

 

Таблица В Распределение некоторых кислот, оснований и солей по группам

в