Электролиз раствора йодида калия KI
Йодид калия находится в растворе в виде ионов К+ и I-. При пропускании тока ионы К+ передвигаются к катоду, ионы I- – к аноду. Но так как калий стоит в ряду напряжений гораздо левее водорода, то у катода разряжаются не ионы калия, а водородные ионы воды. Образующиеся при этом атомы водорода соединяются в молекулы Н2, и таким образом у катода выделяется водород.
По мере разряда ионов водорода диссоциируют все новые молекулы воды, вследствие чего у катода накапливаются гидроксильные ионы (освобождающиеся из молекулы воды), а также ионы К+, непрерывно перемещающиеся к катоду. Образуется раствор КОН.
У анода происходит выделение йода, т. к. ионы I- разряжаются легче, чем гидроксильные ионы воды.
Электролиз раствора сульфата калия
Раствор содержит ионы K+, SO42- и ионы Н+ и ОН- из воды. Так как ионы K+ разряжаются труднее, чем ионы Н+, а ионы SO42-, чем ионы ОН-, то при пропускании электрического тока у катода будут разряжаться ионы водорода, у анода - гидроксильные группы, то есть фактически будет происходить электролиз воды. В то же время вследствие разряда водородных и гидроксильных ионов воды и непрерывного перемещения ионов K+ к катоду, а ионов SO42- к аноду, у катода образуется раствор щелочи (КОН), а у анода – раствор серной кислоты.
Электролиз раствора сульфата меди при медном аноде
Особым образом протекает электролиз, когда анод сделан из того же металла, соль которого находится в растворе. В этом случае никакие ионы не разряжаются у анода, но сам анод постепенно растворяется, посылая в раствор ионы и отдавая электроны источнику тока.
Весь процесс сводится к выделению меди на катоде и постепенному растворению анода. Количество CuSO4 в растворе остается неизменным.
Законы электролиза (М. Фарадей)
1. Весовое количество выделяемого при электролизе вещества пропорционально количеству протекшего через раствор электричества и практически не зависит от других факторов.
2. Равные количества электричества выделяют при электролизе из различных химических соединений эквивалентные количества веществ.
3. Для выделения из раствора электролита одного грамм-эквивалента любого вещества нужно пропустить через раствор 96500 кулонов электричества.
m(x) = ((I • t) / F) • (M(x) / n)
где m(x) - количество восстановленного или окисленного вещества (г);
I - сила пропускаемого тока (а);
t - время электролиза (с);
M(x) - молярная масса;
n - число приобретенных или отданных в окислительно-восстановительных реакциях электронов;
F - постоянная Фарадея (96500 кул/моль).
Исходя из этой формулы, можно производить ряд расчетов, связанных с процессом электролиза, например:
1. Вычислять количества веществ, выделяемых или разлагаемых определенным количеством электричества;
2. Находить силу тока по количеству выделившегося вещества и времени, затраченному на его выделение;
3. Устанавливать, сколько времени потребуется для выделения определенного количества вещества при заданной силе тока.
Пример 1
Сколько граммов меди выделится на катоде при пропускании через раствор сернокислой меди СuSO4 тока силой 5 ампер в течение 10 минут?
Решение
Определим количество протекшего через раствор электричества:
Q = I • t,
где I – сила тока в амперах;
t – время в секундах.
Q = 5A • 600 с = 3000 кулонов
Эквивалент меди (ат. масса 63,54) равняется 63,54 : 2 = 31,77 . Следовательно, 96500 кулонов выделяют 31,77 г меди. Искомое количество меди:
m = (31,77 • 3000) / 96500 » 0,98 г
Пример 2
Сколько времени нужно пропускать через раствор кислоты ток силой 10 ампер, чтобы получить 5,6 л водорода (при н. у.)?
Решение
Находим количество электричества, которое должно пройти через раствор, чтобы из него выделилось 5,6 л водорода. Так как 1 г-экв. водорода занимает при н. у. объем 11,2л, то искомое количество электричества
Q = (96500 • 5,6) / 11,2 = 48250 кулонов
Определим время прохождения тока:
t = Q / I = 48250 / 10 = 4825 с = 1 ч 20 мин 25 с
Пример 3
При пропускании тока через раствор серебряной соли на катоде выделилось за 10 мин. 1 г серебра. Определите силу тока.
Решение
1 г-экв. серебра равен 107,9 г. Для выделения 1 г серебра через раствор должно пройти 96500 : 107,9 = 894 кулона. Отсюда сила тока
I = 894 / (10 • 60)» 1,5A
Пример 4
Найти эквивалент олова, если при токе 2,5 ампера из раствора SnCl2 за 30 мин. выделяется 2,77 г олова.
Решение
Количество электричества, прошедшее через раствор за 30 мин.
Q = 2,5 • 30 • 60 = 4500 кулонов
Так как для выделения 1 г-экв. требуется 96500 кулонов, то эквивалент олова.
ЭSn = (2,77 • 96500) / 4500 = 59,4
ВОДОРОД
Водород H - первый элемент в периодической системе, самый распространённый элемент во Вселенной (92%); в земной коре массовая доля водорода составляет всего 1%.
Впервые выделен в чистом виде Г. Кавендишем в 1766 г. В 1787г. А.Лавуазье доказал, что водород - химический элемент.
Атом водорода состоит из ядра и одного электрона. Электронная конфигурация - 1S1. Молекула водорода двухатомная. Связь ковалентная неполярная.
Радиус атома - (0,08 нм);
потенциал ионизации (ПИ) - (13,6 эВ);
электроотрицательность (ЭО) - (2,1);
степени окисления - (-1; +1).
Изотопы:
| Н - протий (99,98% по массе); | |
| D - дейтерий (0,02%); | |
| T - тритий (получен искусственно). | |
Физические свойства.
Водород - газ, бесцветный, без запаха; t°кип = -253°C; t°пл = -259°C; почти не растворяется в воде (в 100V H2O растворяется 2V H2); легче воздуха. D (по воздуху) = 0,069.
Способы собирания.
 | ||
| Вытеснением воды | Вытеснением воздуха |
Получение
1) взаимодействие активных металлов с кислотами - неокислителями:
Zn + 2HCl ® ZnCl2 + H2
2) взаимодействие алюминия (или цинка) с водными растворами щелочей:
2Al + 2NaOH + 6H2O ® 2Na[Al(OH)4] + 3H2
3) электролиз воды и водных растворов щелочей и солей:
2H2O ® 2H2+ O2
2NaCl + 2H2O ® H2+ Cl2+ 2NaOH
4) пропускание паров воды над раскалённым углём при 1000°C:
C + H2O « CO + H2
5) конверсия метана при 900°C:
CH4 + H2O « CO + 3H2
Методы (1,2) используют в лаборатории, (3-5) используют в промышленности.
Химические свойства
При обычных условиях малоактивен (реагирует только с фтором)
Восстановительные свойства:
1) с неметаллами:
2H20 + O2 ® 2H2+1O
(со взрывом при поджоге)
H20 + S –150-250°® H2+1S
3H20 + N2 p;t°® 2NH3+1
(в присутствии железного катализатора)
H20 + F2 ® 2HF
(со взрывом)
H2 + I2 t°® 2H+1I-1
2) с оксидами металлов:
H20 + СuO –t°® Cu + H2O
(метод получения малоактивных металлов Pb, Mo, W, Ni, Cu и др. из их оксидов)
Окислительные свойства
3) с щелочными и щелочноземельными металлами:
H20 + 2Li0 ® 2Li+1H-1
H20 + Ca0 ® Ca+2H2-1
Гидриды MeHn - сильные восстановители за счёт водорода в степени окисления (-1). Разлагаются водой и кислотами:
NaH + H2O ® NaOH + H2
CaH2 + 2H2O ® Ca(OH)2 + 2H2
LiH + HCl ® LiCl + H2
Применение
1) Для промышленного синтеза NH3, HCl, CH3OH (реакцией CO + 2H2 –p;t°;kat® CH3OH)
2) Восстановление редких металлов из оксидов (W, Mo и др.).
3) Гидрирование органических соединений (в частности, гидрогенизация растительных масел в твёрдые жиры).
4) Для сварки и резки металлов водородно-кислородным пламенем.
ВОДА
Вода H2O - самое распространённое в природе химическое соединение.
Запасы воды на Земле:
в морях и океанах - 1,4 млрд. км3
в ледниках - 30 млн. км3
в реках и озёрах - 2 млн. км3
в атмосфере - 14 тыс. км3
в живых организмах - 65%
Молекула полярна; угол 
-104,5°; связь O–H ковалентная полярная.
Вода является дипольным растворителем (растворяет многие газы, жидкие и твёрдые вещества).
Между молекулами воды - водородные связи:
Аномалии воды
1) Лёд плавает на поверхности водоёма, (льда) = 0,92 г/см3, max (воды) при +4°С = 1г/см3
2) При замерзании воды происходит расширение объёма.
3) Самая большая теплоёмкость (в 3100 раз больше, чем у воздуха; в 4 раза больше, чем у горных пород).
Кислотно-основные свойства
1) Слабый электролит:
H2O « H+ + OH-
2) Вода – амфотерное вещество. Она реагирует как с основными оксидами (оксидами щелочных и щелочноземельных металлов), так и с кислотными оксидами (кроме SiO2).
Li2O + H2O ® 2LiOH
MgO + H2O ® Mg(OH)2
SO3 + H2O ® H2SO4
3) Гидролиз некоторых солей приводит к их полному разложению:
Al2S3 + 6H2O ® 2Al(OH)3¯ + 3H2S
Al2(CO3)3 + 6H2O ® 2Al(OH)3¯ + 3H2O + 3CO2
4) Вода разлагает гидриды, фосфиды, карбиды, нитриды и некоторые другие бинарные соединения активных металлов с неметаллами:
CaH2 + 2H2O ® Ca(OH)2 + 2H2
Ca3P2 + 6H2O ® 3Ca(OH)2 + 2PH3
CaC2 + 2H2O ® Ca(OH)2 + C2H2
Ca3N2 + 6H2O ® 3Ca(OH)2 + 2NH3
5) Молекулы воды с некоторыми солями дают кристаллогидраты:
CuSO4(белый) + 5H2O ® CuSO4 5H2O(синий)