Курс общей химии. Мингулина, Масленникова, Коровин_1990 -446с (996867), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Например, в реакции окисления сульфита калия перманганатом калия участвует серная кислота: 6К»50»+ 2КЙпО» + ЗН»50» = 6К»50» + 2йс50» +ЗН»О Составление уравнений окнслительно-восстановительных реакций. Уравнения окислнтельно-восстановительных реакций имеют очень сложный характер, и их составление представляет иногда трудную задачу. Предложено несколько методов составления этих уравнений.
Рассмотрим метод электронного баланса, при котором учитывается: а) сумма электронов, отдаваемых всеми восстановителями, которая равна сумме электронов, принимаемых всеми окислителями; б) число одноименных атомов в левой и правой частях уравнения одинаково; в) если в реакции участвуют атомы кислорода, то могут образоваться или расходоваться молекулы воды (в кислой среде) или ионы гидроксида (в щелочной среде).
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций легче провести в несколько стадий: 1) установление формул исходных веществ и продуктов реакции; 2) определение степени окисления элементов в исходных веществах и продуктах реакции; 3) определение числа электронов, отдаваемых восстановителем и принимаемых окислителем, и коэффициентов при восстановителях и окислителях; 4) определение коэффициентов при всех исходных веществах и продуктах реакции исходя из баланса атомов в левой и правой частях уравнения.
Например, составим уравнение реакции окисления сульфата железа (П) перманганатом калия в кислой среде. 187 Так как реакция протекает в кислой среде, то в левой части уравнения кроме окислителя и восстановителя должна быть кислота. Продуктами реакции должны быть сульфаты марганца (П), калия, железа (П!) и вода. 1. Запишем схему реакции КМпОз + Ге50з+ Нг50з- Мп50,— Гег (50з) з+ Кз50з + НгО 2.
Определим степень окисления элементов егьег — г еззз-з .г.пз-г .г.з ез — г -г.з -г-6 — г е г ее г .н — г КМпО, + ее504+ Йз50з — Мп50„+ Гег (50з) з+ Кг50з -1- НгО Как видно, степень окисления меняется только у марганца н железа, у первого она понижается (восстановление), у второго— повышается (окисление). 3. Определим число электронов, отдаваемых восстановителем Ре80з и принимаемых окислителем КМпО». г з-з з КМпО, + 2Ге50з Мп50, + Гег(50,) з +зе — 2е Как видно, Мп'+ принимает 8, а два иона Ре'+ отдают два электрона.
Кратное число отдаваемых и принимаемых электронов равно 1О. Отсюда легко найти коэффициенты перед окислителем и восстановителем в уравнении реакции 2КМпОз+!ОГе50з 2Мп50,+5Гег(50з)з 4. Подведем баланс всех атомов в левой и правой частях уравнений и определим коэффициенты прн всех веществах. В левой части уравнении имеются два атома калия, поэтому для баланса по калию следует записать в правую часть уравнения молекулу сульфата калия: 2КМпОз+ 1ОГе50з — 2Мп 50з+ 5Гез(50з) з+ Кг50з После этого число групп 80( в правой части уравнения стало на 8 больше, чем в левой части уравнения, поэтому для баланса по гРУппам ЯОез необходимо в левУю часть УРавнениЯ записать 8 молекул НгБОз.' 2КМпОз+ 1ОГе50, + 8Нг50, 2Мп50з+ ЬГег(50з) з+ Кг50з В левой части уравнения имеется 16 атомов водорода, в то время как в первой части атомов водорода пока нет.
Поэтому для баланса по водороду необходимо записать в правую часть уравнения 8 молекул воды: 2КМпОз + 1ОГе50, + 8Нг50,— 2Мп50з + 5ГПз 50з ) з + 8НгО Число атомов кислорода в левой и правой частях уравнепия одинаково, поэтому данное уравнение является окончательным. Рассмотренный многоступенчатый метод составления уравнений окислительно-восстановительных реакций приведен для понимания логики решения этой задачи.
По мере появления опыта число промежуточных уравнений может быть уменьшено, а в пре- деле все ступени могут быть выполнены при написании лишь одного уравнения. Направление окислительно-восстановительных реакций. В рассмотренном методе составления уравнений реакций априори предполагалось, что та или иная окислительно-восстановительная реакция возможна. Однако имеется способ предсказания вероятности протекания той или иной окислительно-восстановительной реакции. Для этого необходимо рассчитать изменение энергии Гиббса реакции. В соответствии с законами химической термодинамики (см. гл.
%) окнслительно-восстановительная реакция при изобарно-изотермических условиях, как и любая реакция, возможна, если энергия Гиббса ее ниже нуля: Лб(0. Энергию Гиббса реакции можно рассчитать, зная энергии Гиббса реакций образования продуктов и исходных веществ, которые для стандартных условий приводятся в справочниках.
Рассмотрим для примера направление реакций взаимодействия магния и палладия с водой. Энергия Гиббса реакции -2 а — я о як+ Н О 1Ж1 = Й8О+ Н при стандартных условиях и 298 К вЂ” 94,5 кДж/моль. Отсюда следует, что окисление магния водой в этих условиях возможно, а обратная реакция окисления водорода оксидом магния невозможна. Энергия Гиббса реакции А+ Й',О'0 ~ = ЙО'+ й, при стандартных условиях и 298 К равна +126,5 кДж/моль. Отсюда окисление палладия водой при этих условиях невозможно, а обратная реакция окисления водорода оксидом палладия вполне возможна.
Окислительно-восстановительные реакции играют важную роль в природе и технике. В качестве примеров окислительновосстановительных процессов, протекающих в природных биологических системах, можно привести реакцию фотосинтеза у расте1:ий и процессы дыхания у животных и человека. Процессы горения топлива, протекающие в топках котлов тепловых электростанций и в двигателях внутреннего сгорания, являются примером окнслнтельно-восстановительных реакций.
С помощью окислительно-восстановительных реакций получают металлы, органические и неорганические соединения, проводят очистку различных веществ, природных и сточных вод, газовых выбросов электростанций и заводов и т. п. Рассмотрим в качестве примера получение металлических покрытий на поверхностях металлических и неметаллическнх изделий химическим способом, основанным на реакциях окисления — восстановления. При таком способе изделие помещается в раствор, содержащий ионы металла — покрытия и восстановитель, например гипофосфит натрия МаН~РОь гидразин М~Н,, фор- мальдегид СН20. В результате окислительно-восстановнтельной реакции происходит восстановление ионов металла до металла и окисление восстановителя, например ГЧ1СИ+ 21ЧаН~1)Ор+ 2КО = М1+ 21ЧаНз1)01 + Йу+ 2НС! Как видно, в результате реакции происходит окисление гипофосфита (степень окисления фосфора возрастает с +1 до +3), восстановление ионов М)э~ до металлического никеля и ионов Н+ из воды до газообразного водорода.
Рассмотренный способ получения никелевых покрытий называется химическим никелированием. Этот способ широко используется в электронной и вычислительной технике, радиотехнике и автоматике, электротехнике для получения печатных схем, нанесения покрытий на поверхностях диэлектриков и полупроводников; при изготовлении микросхем, Химическим способом получают также покрытия серебром, медью и палладием. 9 чп.2..электРОхимические пРОцессы Процессы взаимного превращения химической и электрической форм энергии называют электрохимическими процессами. Электрохимические процессы можно разделить на две основные группы: 1) процессы превращения химической энергии в электрическую (в гальванических элементах); 2) процессы превращения электрической энергии в химическую (электролиз). Электрохимическая система состоит из двух электродов и ионного проводника между ними. Электроды замыкаются металлическим проводником.
Ионным проводником (проводником 2-го рода) служат растворы или расплавы электролитов, а также твердые электролиты. Электродами называют проводники, имеющие электронную проводимость (проводники 1-го рода) и находящиеся в контакте с ионным проводником. Для обеспечения работы системы электроды соединяют друг с другом металлическим проводником, называемым внешней цепью электрохимической системы. Рассмотрим вначале общие закономерности электрохимических процессов, относящиеся как к превращению химической энергии в электрическую, так и к превращению электрической энергии в химическую. К ним относятся законы Фарадея, термодинамика и кинетика электрохимических процессов.
Законы Фарадея. В 1833 г. английский ученый Фарадей открыл законы, определяющие зависимость между количеством прошедшего электричества н количеством вещества, испытавшего химические превращения на электроде. С учетом современной терминологии законы Фарадея можно зап сать в следующем виде: ) количество вещества, ' испытавшего электрохимические превращения на электроде, прямо пропорционально количеству прошедшего электричества; 190 2) массы прореагировавших на электродах веществ при постоянном количестве электричества относятся друг к другу как малярные массы их эквивалентов.
При превращении одного моля эквивалентов вещества на электроде через него проходит 96484, или округленно 96 600 Кл (А с), или один фарадей электричества. Постоянную Фарадея (Р') можно рассчитать исходя из того, что один моль эквивалентов вещества несет 6,022 !О" элементарных зарядов (число Авогадро), а элементарный заряд равен 1,602. 10 " Кл. Отсюда Р = 6,0220.10" 1,602 10 "= 96 484 или -96 600 Кл. Таким образом, зная количество вещества, испытавшего превращения на электроде, можно определить количество прошедшего через электрохимическую ячейку электричества. На законах Фарадея основаны расчеты электрохимических установок, а на их базе созданы счетчики количества электричества (кулонометры, интеграторы тока) н другие устройства.
ч)~ Понятие об электродном потенциале. Рассмотрим процессы, протекающие при погружении металла в раствор собственных ионов. Металлы имеют кристаллическое строение. В узлах решеток расположены ион-атомы, находящиеся в равновесии со свободными электронами: Ме" е Мел -)- е При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие металла с компонентами раствора. Наиболее важной реакцией является взаимодействие поверхностных ион-атомов металла, находящихся в узлах решетки, с полярными молекулами воды, ориентированными у поверхности электрода. В результате взаимодействия происходит окисление металла и его гидратированные ионы переходят в раствор, оставляя в металле электроны, заряд которых не скомпенсирован положительно заряженными ионами в металле: Ме+тН~О.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
