Восстанавливается вода восстанавливается вода и катионы металла восстанавливается катионы металла

Анодный процесс:

1. На нерастворимых анодах при конкуренции аниона бескислородных кислот (Cl^–, Br^–, I^–, S^2– и др.) с молекулами воды окисляется анион кислот;

2. На нерастворимых анодах при конкуренции аниона кислородсодержащих кислот (SO₄^2–, NO₃^–, CO₃^2– и др.) с молекулами воды окисляется вода

2Н₂О – 4ē → О₂⁰ + 4Н⁺;

3. На растворимых (активных) анодах анионы из раствора не окисляется, а происходит разряжение (растворение) самого анода (кроме Pt и Au).

 

Пример 1. Составьте уравнения и опишите процессы, происходящие на электродах при электролизе раствора хлорида калия на инертных электродах (графит или Pt).

Калий в ряду напряжений металлов находится в группе с Li по Al, следовательно, на катоде восстанавливается вода; Сl^– – бескислородный кислотный остаток, следовательно, он и будет окисляться на аноде:

КСl ↔ К⁺ + Сl^–

Н₂О

Катод^– | К⁺; Н₂О | Н₂О + 2ē → Н₂⁰ + 2ОН^– | 2 | 1

Анод⁺ | 2Сl^–; Н₂О | 2Сl^– – 2 ē → Сl₂⁰ | 2 | 1

2К⁺ +2Сl^– + Н₂О → 2К⁺ + Н₂⁰ + 2ОН^– + Сl₂⁰ (суммарное ионное уравнение)

2КСl + Н₂О → 2КОН + Н₂↑ + Сl₂↑ (молекулярное уравнение)

 

Пример 2. Составьте уравнения и опишите процессы, происходящие на электродах при электролизе раствора нитрата серебра на инертных электродах.

Серебро в ряду напряжений металлов находится в группе после водорода, следовательно, на катоде восстанавливается не вода, а катионы серебра; NO₃^– – кислородсодержащий кислотный остаток, следовательно, на аноде будет окисляться вода:

AgNO₃ ↔ Ag⁺ + NO₃^–

Н₂О

Катод^– | Ag⁺; Н₂О | Ag⁺ + 1ē → Ag⁰ | 1 | 4

Анод⁺ | NO₃^–; Н₂О | 2Н₂О – 4ē → О₂⁰ + 4Н⁺ | 4 | 1

Суммируем уравнения, с учетом коэффициентов и ионов NO₃^–, неразряжающихся на электродах, но присутствовавших в растворе (т.к. по формуле AgNO₃ на один ион серебра приходится один нитрат-иона, то коэффициент «4» перед NO₃^– обусловлен присутствием четырех Ag⁺):

4Ag⁺ + 4NO₃^– + 2Н₂О → 4Ag⁰ + 4NO₃^– + O₂⁰ + 4Н⁺ (суммарное ионное уравнение.

4AgNO₃ + 2Н₂О → 4Ag + 4НNO₃ + O₂↑ (молекулярное уравнение)

 

Пример 3. Составьте уравнения и опишите процессы, происходящие на электродах при электролизе раствора сульфата цинка на инертных электродах.

Цинк в ряду напряжений металлов находится в группе после Аl и до Н, следовательно, на катоде восстанавливается и вода и катионы цинка, SO₄^2– – кислородсодержащий кислотный остаток, следовательно, на аноде будет окисляться вода:

ZnSO₄ ↔ Zn²⁺ + SO₄^2–

Н₂О

Катод^– | Zn²⁺; Н₂О | Zn²⁺ + 2ē → Zn⁰ | 2 | 1 | 2

| Н₂О + 2ē → Н₂⁰ + 2ОН^– | 2 | 1 | 2

Анод⁺ | SO₄^2–; Н₂О | 2Н₂О – 4ē → О₂⁰ + 4Н⁺ | 4 | 2 | 1

Суммируем уравнения, с учетом коэффициентов и ионов Zn²⁺ и SO₄^2–, не разряжающихся на электродах, но присутствовавших в растворе (коэффициент "2" перед анионом SO₄^2– обусловлен присутствием в растворе двух катионов цинка):

2Zn²⁺ + 2SO₄^2– + 6Н₂О → 2Zn⁰ + 2SO₄^2– + 2Н₂⁰ + 4ОН^– + О₂⁰ + 4Н⁺ (ионное уравнение)

2ZnSO₄ + 6Н₂О → 2Zn⁰ + 2Н₂SO₄ + 2Н₂↑ + Zn(ОН)₂ + О₂↑ (молекулярное уравнение)

 

Пример 4. Составьте уравнения и опишите процессы, происходящие на электродах при электролизе раствора сульфата меди на медном аноде.

Медь в ряду напряжений металлов находится в группе после водорода, следовательно, на катоде восстанавливается не вода, а катионы меди; на аноде будет происходить окисление самого металла анода:

Cu(NO₃)₂ ↔ Cu²⁺ + 2NO₃^–

Н₂О

Катод^– | Cu²⁺; Н₂О | Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰ | 2 | 1

Анод⁺ (Cu) | NO₃^–; Н₂О | Cu⁰ – 2ē → Cu²⁺ | 2 | 1

Продукты электролиза: на катоде – металл, на аноде – ионы металла, образующие в анодном пространстве соль с перешедшими туда из катодного пространства анионами. В результате концентрация соли в растворе остается постоянной, т.к. сколько металла оседает на катоде, столько же его уходит в раствор с анода в виде ионов.

 

Электролиз растворов кислот

Катодный процесс: при конкуренции катиона водорода кислот и молекул воды, на катоде восстанавливается водород 2Н⁺ + 2ē → Н₂⁰

Анодный процесс: (см. электролиз растворов солей).

Пример 4. Составьте уравнения и опишите процессы, происходящие на электродах при электролизе раствора серной кислоты на инертных электродах.

На катоде восстанавливаются катиона водорода кислот; на аноде будет окисляться вода, т.к. SO₄^2– – кислородсодержащий кислотный остаток.

H₂SO₄ ↔ 2H⁺ + SO₄^2–

Н₂О

Катод^– | H⁺; Н₂О | 2Н⁺ + 2ē → Н₂⁰ | 2 | 1 | 2

Анод⁺ | SO₄^2–; Н₂О | 2Н₂О – 4ē → О₂⁰ + 4Н⁺ | 4 | 2 | 1

Суммируем уравнения, с учетом коэффициентов и иона SO₄^2–, неразряжающегося на аноде, но присутствовавшего в растворе (коэффициент «2» перед анионом SO₄^2–обусловлен присутствием в растворе четырех катионов водорода). Затем в молекулярном уравнении сократим одноименные ионы в правой и левой частях:

4Н⁺ + 2SO₄ ^2– + 2Н₂О → 2SO₄ ^2– + 2Н₂⁰ + О₂⁰ + 4Н⁺ (ионное уравнение)

2Н₂О → 2Н₂↑ + О₂↑ (молекулярное уравнение)

Таким образом, фактически при электролизе раствора серной кислоты идет электролиз воды.

 

Электролиз растворов щелочей

Катодный процесс: (см. электролиз растворов солей).

Анодный процесс: при конкуренции гидроксид-анионов (ОН^–) и молекул воды, на аноде окисляется ОН-группа 4ОН^– – 4ē → 2Н₂О + О₂⁰

Пример 5. Составьте уравнения и опишите процессы, происходящие на электродах при электролизе раствора гидроксида натрия на инертных электродах.

Натрий в ряду напряжений металлов находится в группе с Li по Al, следовательно, на катоде восстанавливается вода; на аноде будут окисляться ОН^–:

NaOH ↔ Na⁺ + OH^–

Н₂О

Катод^– | Na ⁺; Н₂О | 2Н₂О + 2ē → Н₂⁰ + 2OH^– | 2 | 1 | 2

Анод⁺ | OH^–; Н₂О | 4ОН^– – 4ē → 2Н₂О + О₂⁰| 4 | 2 | 1

Суммируем два уравнения с учетом коэффициентов и иона Na, неразряжающегося на катоде, но присутствовавшего в растворе (коэффициент «4» перед катионом натрия обусловлен присутствием в растворе четырех гидроксид-анионов). Затем в молекулярном уравнении сократим одноименные ионы в правой и левой частях:

4Na ⁺ + 4OH^– + 4Н₂О → 4Na ⁺ + 2Н₂⁰ + 4OH^– + 2Н₂О + О₂⁰ (ионное уравнение)

2Н₂О → 2Н₂↑ + О₂↑ (молекулярное уравнение)

Таким образом, фактически при электролизе раствора гидроксида натрия идет электролиз воды.

Глава 10. КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВ

 

Аналитическая химия – наука о методах определения химического состава и структуры веществ.

Химический анализ лежит в основе современного химико-технологического контроля и установления государственных стандартов на выпускаемую продукцию.

 

Качественный анализ

Задача качественного анализа – определение химического состава исследуемого соединения.

Качественный анализ проводят химическими, физическими и физико-химическими методами. Физические и физико-химические методы анализа основаны на измерении какого-либо параметра системы, который является функцией состава. Так, в спектральном анализе исследуют спектры излучения, возникающие при внесении вещества в пламя горелки.

Химические методы качественного анализа основаны на превращении анализируемого вещества в новые соединения, обладающие определенными свойствами. По образованию характерных соединений элементов и устанавливается элементарный состав вещества. Так, ионы Cu²⁺ можно обнаружить по образованию комплексного иона [Cu(NH₃)₄]²⁺ лазурно-синего цвета. Катион NH₄⁺ обнаруживают по выделению газообразного аммиака NH₃­ действие раствора щелочи при нагревании.

Качественные аналитические реакции по способу их выполнения делятся на реакции «мокрым» и «сухим» путем. Наибольшее значение имеют реакции «мокрым» путем. Для проведения их исследуемое вещество должно быть предварительно растворено. В качественном анализе находят применение только те реакции, которые сопровождаются какими-либо хорошо заметными внешними эффектами: изменением окраски раствора, выпадением или растворением осадка, выделением газов с характерным запахом или цветом и т.п. Особенно часто применяются реакции, сопровождающиеся образованием осадков и изменением окраски раствора. Такие реакции называются реакциями «открытия», т.к. с их помощью обнаруживаются присутствующие в растворе ионы. Для отделения одной группы ионов от другой или одного иона от другого применяются реакции осаждения.

В зависимости от количества анализируемого вещества, объема раствора и техники выполнения отдельных операций химические методы качественного анализа делятся на макро- (1-10 г или 10-100 мл исследуемого вещества), полумикро- (0,05-0,5 г или 1-10 мл), микро- (0,001-10^–6 г или 0,1-10^–4 мл), и ультрамикроанализ и др.

Анализ «сухим» путем проводится с твердыми веществами. Он делиться на анализ методом растирания и пиротехнический анализ. Последний основан на утем проводится с твердыми веществами. тдельных операций химические методы качественного анализа делятся на макро-, микро-, полнагревании исследуемого вещества в пламени горелки. Рассмотрим реакции окрашивания пламени – летучие соли многих металлов при внесении их в несветящуюся часть пламени горелки окрашивают пламя в различные цвета, характерные для этих металлов: Li и Sr – карминово-красная окраска пламени, Na – интенсивно-желтая, K – фиолетовая, Rb и Сs – розово-фиолетовая, Ca – оранжево-красная, Ba – зеленая, Cu и B – желто-зеленая, Pb и As – бледно-голубая и т.д.

Чувствительность аналитических реакций – то наименьшее количество вещества (иона), которое можно открыть с помощью данного реагента. Количественно чувствительность реакций характеризуется тремя показателями: открываемым минимумом, пре­дельной концентрацией, пределом разбавления.

В аналитической практике определяемый ион обычно приходится открывать в присутствии других ионов. Реакции и реагенты, дающие возможность открывать данный ион в присутствии других, называются специфичными.