قوانینی برای ترکیب واکنش های ردوکس قوانینی برای کامپایل واکنش های ردوکس فرآیندهای رخ داده در آند
به یاد بیاوریم که فرآیندهای کاهش در کاتد و فرآیندهای اکسیداسیون در آند رخ می‌دهند.
فرآیندهای رخ داده در کاتد:
انواع مختلفی از ذرات با بار مثبت در محلول وجود دارد که می توانند در کاتد احیا شوند:
1) اگر فلز در سری تنش سمت راست آلومینیوم باشد (بدون احتساب خود Al) کاتیون های فلزی به یک ماده ساده تبدیل می شوند. مثلا:
Zn 2+ +2e → Zn 0 .
2) در مورد محلول نمک یا قلیایی: اگر فلز در سری ولتاژهای فلزی تا H 2 باشد کاتیونهای هیدروژن به یک ماده ساده تبدیل می شوند:
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH - .
به عنوان مثال، در مورد الکترولیز محلول NaNO 3 یا KOH.
3) در مورد الکترولیز محلول اسید: کاتیون های هیدروژن به یک ماده ساده کاهش می یابد:
2H + +2e → H 2 .
به عنوان مثال، در مورد الکترولیز محلول H 2 SO 4.
فرآیندهای رخ داده در آند:
باقی مانده های اسیدی که حاوی اکسیژن نیستند به راحتی در آند اکسید می شوند. به عنوان مثال، یون های هالید (به جز F -)، آنیون های سولفید، آنیون های هیدروکسید و مولکول های آب:
1) آنیون های هالید به مواد ساده اکسید می شوند:
2Cl - - 2e → Cl 2 .
2) در صورت الکترولیز محلول قلیایی در آنیون های هیدروکسید، اکسیژن به یک ماده ساده اکسید می شود. هیدروژن در حال حاضر حالت اکسیداسیون 1+ دارد و نمی تواند بیشتر اکسید شود. رها شدن آب نیز وجود خواهد داشت - چرا؟ چون نمی‌توانیم چیز دیگری بنویسیم: 1) نمی‌توانیم H + بنویسیم، زیرا OH - و H + نمی‌توانند در دو طرف مقابل یک معادله بایستند. 2) ما همچنین نمی توانیم H2 را بنویسیم، زیرا این یک فرآیند کاهش هیدروژن است (2H + +2e → H2)، و فقط فرآیندهای اکسیداسیون در آند رخ می دهد.
4OH - - 4e → O 2 + 2H 2 O.
3) اگر محلول حاوی آنیون های فلوئور یا هر آنیون حاوی اکسیژن باشد، آب با اسیدی شدن فضای آند مطابق با معادله زیر دچار اکسیداسیون می شود:
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .
این واکنش در مورد الکترولیز محلول های نمک های حاوی اکسیژن یا اسیدهای حاوی اکسیژن رخ می دهد. در مورد الکترولیز محلول قلیایی، آنیونهای هیدروکسید طبق قانون 2) بالا اکسید می شوند.
4) در صورت الکترولیز محلول نمک اسید آلی در آند، CO 2 همیشه آزاد می شود و باقیمانده زنجیره کربن دو برابر می شود:
2R-COO - - 2e → R-R + 2CO 2 .
مثال ها:
1. راه حلNaCl
NaCl → Na + + Cl -
فلز Na در سری ولتاژ قبل از آلومینیوم است، بنابراین در کاتد کاهش نمی یابد (کاتیون ها در محلول باقی می مانند). طبق قانون فوق، هیدروژن در کاتد کاهش می یابد. آنیون های کلرید در آند به یک ماده ساده اکسید می شوند:
به: 2 Na+ (در محلول)
آ: 2Cl - - 2e → Cl 2
ضریب 2 در مقابل Na + به دلیل وجود ضریب مشابه در مقابل یون های کلرید ظاهر شد، زیرا در نمک NaCl نسبت آنها 1:1 است.
بررسی می کنیم که تعداد الکترون های دریافتی و داده شده یکسان باشد و قسمت های چپ و راست فرآیندهای کاتد و آند را جمع آوری می کنیم:
2Na + + 2Cl - + 2H 2 O → H 2 0 + 2Na + + 2OH - + Cl 2. ما کاتیون ها و آنیون ها را به هم وصل می کنیم:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 0 + 2 NaOH + Cl 2.
2. راه حلNa 2SO 4
تفکیک به یون ها را شرح می دهیم:
Na 2 SO 4 → 2Na + + SO 4 2-
سدیم در سری ولتاژ قبل از آلومینیوم است، بنابراین در کاتد کاهش نمی یابد (کاتیون ها در محلول باقی می مانند). طبق قانون فوق، فقط هیدروژن در کاتد احیا می شود. آنیون های سولفات حاوی اکسیژن هستند، بنابراین اکسید نمی شوند و همچنین در محلول باقی می مانند. طبق قانون فوق، در این حالت مولکول های آب اکسید می شوند:
به: 2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
آ: 2H 2 O - 4e → O 2 0 + 4H + .
تعداد الکترون های دریافتی و ارسالی را در کاتد و آند برابر می کنیم. برای انجام این کار، لازم است تمام ضرایب فرآیند کاتدی را در 2 ضرب کنیم:
به: 4H 2 O + 4e → 2H 2 0 + 4OH -
آ: 2H 2 O - 4e → O 2 0 + 4H + .
6H 2 O → 2H 2 0 + 4OH - + 4H + + O 2 0.
4OH- و 4H+ در 4 مولکول H 2 O ترکیب می شوند:
6H 2 O → 2H 2 0 + 4H 2 O + O 2 0.
ما مولکول های آب واقع در دو طرف معادله را کاهش می دهیم، یعنی. 4H 2 O را از هر طرف معادله کم کنید و معادله هیدرولیز نهایی را بدست آورید:
2H 2 O → 2H 2 0 + O 2 0.
بنابراین، هیدرولیز محلول های نمک های حاوی اکسیژن فلزات فعال (تا شامل Al) به هیدرولیز آب کاهش می یابد، زیرا نه کاتیون های فلزی و نه آنیون های باقی مانده های اسیدی در فرآیندهای ردوکس که در الکترودها اتفاق می افتد شرکت نمی کنند.
3. راه حلCuCl2
تفکیک به یون ها را شرح می دهیم:
CuCl 2 → Cu 2 + + 2Cl -
مس بعد از هیدروژن در سری ولتاژ فلزات قرار دارد، بنابراین فقط در کاتد کاهش می یابد. فقط آنیون های کلرید در آند اکسید می شوند.
به:
Cu 2+ + 2e → Cu 0
آ: 2Cl - - 2e → Cl 2
CuCl 2 → Cu 0 + Cl 2 .
4. راه حلCuSO4
تفکیک به یون ها را شرح می دهیم:
CuSO 4 → Cu 2 + + SO 4 2-
مس بعد از هیدروژن در سری ولتاژ فلزات قرار دارد، بنابراین فقط در کاتد کاهش می یابد. مولکول های آب در آند اکسید می شوند، زیرا باقی مانده های اسید حاوی اکسیژن در محلول های آند اکسید نمی شوند.
به: Cu 2+ + 2e → Cu 0
آ: SO 4 2- (در محلول)
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .
تعداد الکترون های کاتد و آند را برابر می کنیم. برای انجام این کار، تمام ضرایب معادله کاتد را در 2 ضرب می کنیم. تعداد یون های سولفات نیز باید دو برابر شود، زیرا در سولفات مس نسبت Cu 2+ و SO 4 2- 1:1 است.
به: 2Cu 2+ + 4e → 2Cu 0
آ: 2SO 4 2- (در محلول)
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .
معادله کلی را می نویسیم:
2Cu 2 + + 2SO 4 2- + 2H 2 O → 2Cu 0 + O 2 + 4H + + 2SO 4 2-.
با ترکیب کاتیون ها و آنیون ها، معادله الکترولیز نهایی را به دست می آوریم:
2CuSO 4 + 2H 2 O → 2Cu 0 + O 2 + 2H 2 SO 4.
5. راه حلNiCl2
تفکیک به یون ها را شرح می دهیم:
NiCl 2 → Ni 2 + + 2Cl -
نیکل در سری ولتاژ فلزات بعد از آلومینیوم و قبل از هیدروژن قرار دارد، بنابراین، هم فلز و هم هیدروژن در کاتد کاهش می یابد. فقط آنیون های کلرید در آند اکسید می شوند.
به:
Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
آ: 2Cl - - 2e → Cl 2
تعداد الکترون های دریافت شده و منتشر شده در کاتد و آند را برابر می کنیم. برای انجام این کار، تمام ضرایب معادله آند را در 2 ضرب کنید:
به: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
Ni 2+ (در محلول)
آ: 4Cl - - 4e → 2Cl 2
متذکر می شویم که طبق فرمول NiCl 2 نسبت اتم های نیکل و کلر 1:2 است، بنابراین باید Ni 2+ به محلول اضافه شود تا مقدار کل 2NiCl 2 بدست آید. این نیز باید انجام شود، زیرا یون های ضد آنیون هیدروکسید باید در محلول وجود داشته باشد.
بخش های چپ و راست فرآیندهای کاتدی و آندی را جمع می کنیم:
Ni 2+ + Ni 2+ + 4Cl - + 2H 2 O → Ni 0 + H 2 0 + 2OH - + Ni 2+ + 2Cl 2.
ما کاتیون ها و آنیون ها را برای بدست آوردن معادله الکترولیز نهایی ترکیب می کنیم:
2NiCl 2 + 2H 2 O → Ni 0 + H 2 0 + Ni(OH) 2 + 2Cl 2.
6. راه حلNiSO4
تفکیک به یون ها را شرح می دهیم:
NiSO 4 → Ni 2 + + SO 4 2-
نیکل در سری ولتاژ فلزات بعد از آلومینیوم و قبل از هیدروژن قرار دارد، بنابراین، هم فلز و هم هیدروژن در کاتد کاهش می یابد. مولکول های آب در آند اکسید می شوند، زیرا باقی مانده های اسید حاوی اکسیژن در محلول های آند اکسید نمی شوند.
به: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
آ: SO 4 2- (در محلول)
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .
بررسی می کنیم که تعداد الکترون های دریافتی و داده شده یکسان باشد. همچنین متذکر می شویم که یون های هیدروکسید در محلول وجود دارد، اما هیچ یون ضدی برای آنها در پرونده فرآیندهای الکترود وجود ندارد. بنابراین باید Ni 2+ به محلول اضافه شود. از آنجایی که تعداد یونهای نیکل دو برابر شده است، لازم است تعداد یونهای سولفات دو برابر شود:
به: Ni 2+ + 2e → Ni 0
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
Ni 2+ (در محلول)
آ: 2SO 4 2- (در محلول)
2H 2 O - 4e → O 2 + 4H + .
بخش های چپ و راست فرآیندهای کاتدی و آندی را جمع می کنیم:
Ni 2+ + Ni 2+ + 2SO 4 2- + 2H 2 O + 2H 2 O → Ni 0 + Ni 2+ + 2OH - + H 2 0 + O 2 0 + 2SO 4 2- + 4H + .
ما کاتیون ها و آنیون ها را ترکیب می کنیم و معادله الکترولیز نهایی را می نویسیم:
2NiSO 4 + 4H 2 O → Ni 0 + Ni(OH) 2 + H 2 0 + O 2 0 + 2H 2 SO 4.
سایر منابع ادبی نیز در مورد یک دوره جایگزین الکترولیز نمک های فلزی حاوی اکسیژن با فعالیت متوسط صحبت می کنند. تفاوت در این است که پس از افزودن سمت چپ و راست فرآیندهای الکترولیز، لازم است H + و OH - برای تشکیل دو مولکول آب ترکیب شوند. 2H + باقی مانده برای تشکیل اسید سولفوریک صرف می شود. در این مورد، نیازی به افزودن یون های نیکل و سولفات اضافی نیست:
Ni 2 + + SO 4 2- + 2H 2 O + 2H 2 O → Ni 0 + 2OH - + H 2 0 + O 2 0 + SO 4 2- + 4H +.
Ni 2 + + SO 4 2- + 4H 2 O → Ni 0 + H 2 0 + O 2 0 + SO 4 2- + 2H + + 2H 2 O.
معادله نهایی:
NiSO 4 + 2H 2 O → Ni 0 + H 2 0 + O 2 0 + H 2 SO 4.
7. راه حلCH 3COONa
تفکیک به یون ها را شرح می دهیم:
CH 3 COONa → CH 3 COO - + Na +
سدیم در سری ولتاژ قبل از آلومینیوم است، بنابراین در کاتد کاهش نمی یابد (کاتیون ها در محلول باقی می مانند). طبق قانون فوق، فقط هیدروژن در کاتد احیا می شود. در آند، اکسیداسیون یونهای استات با تشکیل دی اکسید کربن و دو برابر شدن باقیمانده زنجیره کربن رخ می دهد:
به: 2 Na+ (در محلول)
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
آ: 2CH 3 COO - - 2e → CH 3 -CH 3 + CO 2
از آنجایی که تعداد الکترون ها در فرآیندهای اکسیداسیون و کاهش یکسان است، یک معادله خلاصه ایجاد می کنیم:
2Na + + 2CH 3 COO - + 2H 2 O → 2Na + + 2OH - + H 2 0 + CH 3 -CH 3 + CO 2
ما کاتیون ها و آنیون ها را به هم وصل می کنیم:
2CH 3 COONa + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 0 + CH 3 -CH 3 + CO 2.
8. راه حلH 2SO 4
تفکیک به یون ها را شرح می دهیم:
H 2 SO 4 → 2H + + SO 4 2-
از بین کاتیون ها، فقط کاتیون های H+ در محلول وجود دارند و به یک ماده ساده تبدیل می شوند. اکسیداسیون آب در آند رخ می دهد، زیرا باقی مانده های اسیدی حاوی اکسیژن در محلول های آند اکسید نمی شوند.
به:
2H + +2e → H 2
آ: 2H 2 O - 4e → O 2 + 4H +
بیایید تعداد الکترون ها را برابر کنیم. برای انجام این کار، هر ضریب را در معادله فرآیند کاتدی دو برابر می کنیم:
به:
4H + +4e → 2H 2
آ: 2H 2 O - 4e → O 2 + 4H +
بیایید سمت چپ و راست معادلات را جمع کنیم:
4H + + 2H 2 O → 2H 2 + O 2 + 4H +
کاتیون های H+ در هر دو طرف واکنش یافت می شوند، از این رو آنها باید کاهش یابند. ما متوجه شدیم که در مورد محلول های اسیدی، تنها مولکول های H2O تحت الکترولیز قرار می گیرند:
2H 2 O → 2H 2 + O 2.
9. راه حلNaOH
تفکیک به یون ها را شرح می دهیم:
NaOH → Na + + OH -
سدیم در سری ولتاژ قبل از آلومینیوم است، بنابراین در کاتد کاهش نمی یابد (کاتیون ها در محلول باقی می مانند). طبق قانون، فقط هیدروژن در کاتد کاهش می یابد. در آند، آنیون های هیدروکسید اکسید می شوند و اکسیژن و آب تشکیل می دهند:
به: Na+ (در محلول)
2H 2 O + 2e → H 2 0 + 2OH -
آ: 4OH - - 4e → O 2 + 2H 2 O
بیایید تعداد الکترون های دریافت شده و منتشر شده در الکترودها را برابر کنیم:
به: Na+ (در محلول)
4H 2 O + 4e → 2H 2 0 + 4OH -
آ: 4OH - - 4e → O 2 + 2H 2 O
بیایید قسمت های چپ و راست فرآیندها را خلاصه کنیم:
4H 2 O + 4OH - → 2H 2 0 + 4OH - + O 2 0 + 2H 2 O
با کاهش یون های 2H 2 O و OH - معادله الکترولیز نهایی را به دست می آوریم:
2H 2 O → 2H 2 + O 2.
نتیجه:
در طول الکترولیز محلول های 1) اسیدهای حاوی اکسیژن.
2) قلیایی؛
3) نمک های فلزات فعال و اسیدهای حاوی اکسیژن
الکترولیز آب روی الکترودها اتفاق می افتد:
2H 2 O → 2H 2 + O 2.
الکترودی که در آن کاهش اتفاق می افتد کاتد نامیده می شود.
الکترودی که در آن اکسیداسیون اتفاق می افتد آند است.
اجازه دهید فرآیندهایی را که در طول الکترولیز نمک های مذاب اسیدهای بدون اکسیژن رخ می دهد در نظر بگیریم: HCl، HBr، HI، H 2 S (به استثنای اسیدهای هیدروفلوئوریک یا هیدروفلوئوریک - HF).
در مذاب، چنین نمکی از کاتیون های فلزی و آنیون های باقی مانده اسید تشکیل شده است.
مثلا، NaCl = Na++Cl -
در کاتد: Na + + ē = Na سدیم فلزی تشکیل می شود (به طور کلی، فلزی که بخشی از نمک است)
در آند: 2Cl - - 2ē = Cl 2 گاز کلر تشکیل می شود (به طور کلی، هالوژنی که بخشی از باقی مانده اسید - به جز فلوئور - یا گوگرد است)
اجازه دهید فرآیندهایی را که در طول الکترولیز محلول های الکترولیت رخ می دهد در نظر بگیریم.
فرآیندهای روی الکترودها با مقدار پتانسیل الکترود استاندارد و غلظت الکترولیت تعیین می شود (معادله نرنست). دوره مدرسه وابستگی پتانسیل الکترود به غلظت الکترولیت را در نظر نمی گیرد و از مقادیر عددی پتانسیل الکترود استاندارد استفاده نمی کند. کافی است دانش آموزان بدانند که در سری کشش الکتروشیمیایی فلزات (سری فعالیت فلزات) مقدار پتانسیل الکترود استاندارد جفت Me +n /Me برابر است با:
- از چپ به راست افزایش می یابد
- فلزات در سری تا هیدروژن دارای مقدار منفی این مقدار هستند
- هیدروژن، پس از کاهش توسط واکنش 2Н + + 2ē = Н 2، (یعنی از اسیدها) پتانسیل الکترود استاندارد صفر دارد
- فلزات در ردیف بعد از هیدروژن دارای مقدار مثبت این مقدار هستند
! هیدروژن در حین کاهش با توجه به واکنش:
2H 2 O + 2ē = 2OH - + H 2، (یعنی از آب در یک محیط خنثی) دارای مقدار منفی پتانسیل الکترود استاندارد -0.41 است
ماده آند می تواند محلول (آهن، کروم، روی، مس، نقره و سایر فلزات) و نامحلول - بی اثر - (زغال سنگ، گرافیت، طلا، پلاتین) باشد، بنابراین محلول حاوی یون هایی است که هنگام حل شدن آند تشکیل می شود:
من - nē = من + n
یون های فلزی حاصل در محلول الکترولیت وجود خواهند داشت و فعالیت الکتروشیمیایی آنها نیز باید در نظر گرفته شود.
بر این اساس، قوانین زیر را می توان برای فرآیندهای رخ داده در کاتد تعیین کرد:
1. کاتیون الکترولیت در سری ولتاژ الکتروشیمیایی فلزات تا و از جمله آلومینیوم قرار دارد، فرآیند کاهش آب در حال انجام است:
2H 2 O + 2ē = 2OH - + H 2
کاتیون های فلزی به صورت محلول در فضای کاتد باقی می مانند
2. کاتیون الکترولیت بین آلومینیوم و هیدروژن قرار دارد که بسته به غلظت الکترولیت یا فرآیند احیای آب و یا فرآیند احیای یون های فلزی اتفاق می افتد. از آنجایی که غلظت در کار مشخص نشده است، هر دو فرآیند ممکن ثبت می شوند:
2H 2 O + 2ē = 2OH - + H 2
من +n + nē = من
3. کاتیون الکترولیت - اینها یونهای هیدروژن هستند، یعنی. الکترولیت - اسید. یون های هیدروژن کاهش می یابد:
2Н + + 2ē = Н 2
4. کاتیون الکترولیت بعد از هیدروژن قرار دارد، کاتیون های فلز کاهش می یابد.
من +n + nē = من
فرآیند در آند به مواد آند و ماهیت آنیون بستگی دارد.
1. اگر آند حل شود (مثلاً آهن، روی، مس، نقره)، فلز آند اکسید می شود.
من - nē = من + n
2. اگر آند بی اثر باشد، یعنی. نامحلول (گرافیت، طلا، پلاتین):
الف) در طی الکترولیز محلول های نمک اسیدهای بدون اکسیژن (به جز فلوراید)، فرآیند اکسیداسیون آنیون اتفاق می افتد.
2Cl - - 2ē = Cl 2
2Br - - 2ē = Br 2
2I - - 2ē = I 2
S 2 - - 2ē = S
ب) در حین الکترولیز محلول های قلیایی، فرآیند اکسیداسیون هیدروکسی گروه OH - رخ می دهد:
4OH - - 4ē = 2H 2 O + O 2
ج) در حین الکترولیز محلول های نمک اسیدهای حاوی اکسیژن: HNO 3، H 2 SO 4، H 2 CO 3، H 3 PO 4 و فلوریدها، فرآیند اکسیداسیون آب رخ می دهد.
2H 2 O - 4ē = 4H + + O 2
د) در طول الکترولیز استات ها (نمک های اسید استیک یا اتانوئیک)، یون استات به اتان و مونوکسید کربن (IV) - دی اکسید کربن اکسید می شود.
2CH 3 COO - - 2ē = C 2 H 6 + 2CO 2
نمونه هایی از وظایف
1. بین فرمول نمک و محصول تشکیل شده بر روی آند بی اثر در طی الکترولیز محلول آبی آن مطابقت ایجاد کنید.
فرمول نمک
الف) NiSO 4
ب) NaClO 4
ب) LiCl
د) RbBr
محصول روی آند
1) S 2) SO 2 3) Cl 2 4) O 2 5) H 2 6) Br 2
راه حل:
از آنجایی که انتساب یک آند بی اثر را مشخص می کند، ما فقط تغییراتی را در نظر می گیریم که با باقی مانده های اسیدی تشکیل شده در حین تفکیک نمک ها رخ می دهد:
SO 4 2 - باقی مانده اسیدی یک اسید حاوی اکسیژن. فرآیند اکسیداسیون آب اتفاق می افتد و اکسیژن آزاد می شود. جواب 4
ClO4 - باقی مانده اسیدی یک اسید حاوی اکسیژن. فرآیند اکسیداسیون آب اتفاق می افتد و اکسیژن آزاد می شود. جواب 4.
Cl - باقیمانده اسیدی یک اسید بدون اکسیژن فرآیند اکسیداسیون خود باقی مانده اسیدی در حال انجام است. کلر آزاد می شود. جواب 3.
برادر - باقیمانده اسیدی یک اسید بدون اکسیژن فرآیند اکسیداسیون خود باقی مانده اسیدی در حال انجام است. برم آزاد می شود. جواب 6.
پاسخ کلی: 4436
2. بین فرمول نمک و محصول تشکیل شده در کاتد در طی الکترولیز محلول آبی آن مطابقت ایجاد کنید.
فرمول نمک
الف) Al(NO 3) 3
ب) جیوه (NO 3) 2
ب) مس (NO 3) 2
د) NaNO 3
محصول روی آند
1) هیدروژن 2) آلومینیوم 3) جیوه 4) مس 5) اکسیژن 6) سدیم
راه حل:
از آنجایی که کار کاتد را مشخص می کند، ما فقط تغییراتی را که با کاتیون های فلزی تشکیل شده در حین تفکیک نمک ها رخ می دهد در نظر می گیریم:
Al 3+ مطابق با موقعیت آلومینیوم در سری الکتروشیمیایی ولتاژهای فلزی (از ابتدای سری تا آلومینیوم شامل)، فرآیند کاهش آب رخ خواهد داد. هیدروژن آزاد می شود. پاسخ 1.
جیوه 2+ مطابق با موقعیت جیوه (بعد از هیدروژن)، فرآیند کاهش یون های جیوه رخ خواهد داد. عطارد تشکیل می شود. جواب 3.
Cu 2+ مطابق با موقعیت مس (بعد از هیدروژن)، فرآیند کاهش یون های مس رخ خواهد داد. جواب 4.
Na+ مطابق با موقعیت سدیم (از ابتدای ردیف تا آلومینیوم) فرآیند کاهش آب رخ می دهد. پاسخ 1.
پاسخ کلی: 1341
الکترولیز محلول ها
و نمک های مذاب (2 ساعت)
درس انتخابی "الکتروشیمی"
اهداف درس اول:
طرح درس اول
1. تکرار روش های مورد مطالعه برای به دست آوردن فلزات.
2. توضیح مطالب جدید
3. حل مسائل از کتاب درسی توسط G.E. Rudzitis، F.G. Feldman "Chemistry-9" (M.: Prosveshchenie, 2002)، ص. 120، شماره 1، 2.
4. آزمون کسب دانش در تکالیف آزمون.
5. گزارش استفاده از الکترولیز
اهداف درس اول:آموزش نحوه نوشتن نمودار برای الکترولیز محلول ها و نمک های مذاب و استفاده از دانش به دست آمده برای حل مسائل محاسباتی. به توسعه مهارت های کار با کتاب درسی و مواد آزمون ادامه دهید. بحث استفاده از الکترولیز در اقتصاد ملی.
پیشرفت درس اول
تکرار روش های آموخته شده بدست آوردن فلزاتبا استفاده از مثال تولید مس از اکسید مس (II).
نوشتن معادلات واکنش های مربوطه:
یکی دیگر از راه های بدست آوردن فلزات از محلول ها و ذوب نمک های آنها می باشد الکتروشیمیایی، یا الکترولیز.
الکترولیز یک فرآیند ردوکس است که در الکترودها هنگامی که جریان الکتریکی از یک محلول مذاب یا الکترولیت عبور می کند رخ می دهد..
الکترولیز مذاب کلرید سدیم:
NaCl Na + + Cl – ;
کاتد (–) (Na+): Na++ ه= Na0،
آند (–) (Cl –): Cl – – ه= Cl 0, 2Cl 0 = Cl 2;
2NaCl = 2Na + Cl2.
الکترولیز محلول کلرید سدیم:
NaCl Na + + Cl – ،
H 2 O H + + OH – ;
کاتد (–) (Na + ؛ H +): H + + ه= H 0، 2H 0 = H 2
(2H 2 O + 2 ه= H 2 + 2OH -)،
آند (+) (Cl – ; ON –): Cl – – ه= Cl 0, 2Cl 0 = Cl 2;
2NaCl + 2H 2 O = 2NaOH + Cl 2 + H 2.
الکترولیز محلول نیترات مس (II):
Cu(NO 3) 2 Cu 2+ +
H 2 O H + + OH – ;
کاتد (-) (Cu 2+ ؛ H +): Cu 2+ + 2 ه= مس 0،
آند (+) (OH –): OH – – ه=OH 0،
4H 0 = O 2 + 2H 2 O;
2Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O = 2Cu + O 2 + 4HNO 3.
این سه مثال نشان می دهد که چرا الکترولیز نسبت به سایر روش های تولید فلز سودآورتر است: فلزات، هیدروکسیدها، اسیدها و گازها به دست می آیند.
ما نمودارهای الکترولیز را نوشتیم و اکنون بیایید سعی کنیم معادلات الکترولیز را فوراً بنویسیم، بدون مراجعه به نمودارها، اما فقط با استفاده از مقیاس فعالیت یونی:
نمونه هایی از معادلات الکترولیز:
2HgSO 4 + 2H 2 O = 2Hg + O 2 + 2H 2 SO 4;
Na 2 SO 4 + 2H 2 O = Na 2 SO 4 + 2H 2 + O 2;
2LiCl + 2H 2 O = 2LiOH + H 2 + Cl 2.
حل مسئلهاز کتاب درسی G.E. Rudzitis و F.G. Feldman (پایه نهم، ص 120، شماره 1، 2).
وظیفه 1.در حین الکترولیز محلول کلرید مس (II)، جرم کاتد 8 گرم افزایش یافت. چه گازی آزاد شد، جرم آن چقدر است؟
راه حل
CuCl 2 + H 2 O = Cu + Cl 2 + H 2 O ،
(مس) = 8/64 = 0.125 مول،
(Cu) = (Cl 2) = 0.125 مول،
متر(Cl 2) = 0.125 71 = 8.875 گرم.
پاسخ. گاز - کلر با وزن 8.875 گرم.
وظیفه 2.در طی الکترولیز محلول آبی نیترات نقره، 5.6 لیتر گاز آزاد شد. چند گرم فلز روی کاتد رسوب می کند؟
راه حل
4AgNO 3 + 2H 2 O = 4Ag + O 2 + 4HNO 3،
(O 2) = 5.6/22.4 = 0.25 مول،
(Ag) = 4 (O 2) = 4 25 = 1 مول،
متر(Ag) = 1107 = 107 گرم.
پاسخ. 107 گرم نقره.
آزمایش کردن
انتخاب 1
1. در طی الکترولیز محلول هیدروکسید پتاسیم در کاتد، موارد زیر آزاد می شود:
الف) هیدروژن؛ ب) اکسیژن؛ ج) پتاسیم
2. در طی الکترولیز محلول سولفات مس (II) در محلول، موارد زیر تشکیل می شود:
الف) هیدروکسید مس (II)؛
ب) اسید سولفوریک؛
3. در طی الکترولیز محلول باریم کلرید در آند، موارد زیر آزاد می شود:
الف) هیدروژن؛ ب) کلر؛ ج) اکسیژن
4. در طی الکترولیز کلرید آلومینیوم مذاب در کاتد، موارد زیر آزاد می شود:
الف) آلومینیوم؛ ب) کلر؛
ج) الکترولیز غیرممکن است.
5. الکترولیز محلول نیترات نقره طبق طرح زیر انجام می شود:
الف) AgNO 3 + H 2 O Ag + H 2 + HNO 3 .
ب) AgNO 3 + H 2 O Ag + O 2 + HNO 3 .
ج) AgNO 3 + H 2 O AgNO 3 + H 2 + O 2.
گزینه 2
1. در طی الکترولیز محلول هیدروکسید سدیم در آند، موارد زیر آزاد می شود:
الف) سدیم؛ ب) اکسیژن؛ ج) هیدروژن
2. در طی الکترولیز محلول سولفید سدیم در محلول، موارد زیر تشکیل می شود:
الف) هیدروسولفید اسید؛
ب) هیدروکسید سدیم؛
3. در طی الکترولیز یک مذاب از کلرید جیوه (II) در کاتد، موارد زیر آزاد می شود:
الف) جیوه؛ ب) کلر؛ ج) الکترولیز غیرممکن است.
4.
5. الکترولیز محلول نیترات جیوه (II) طبق طرح زیر انجام می شود:
الف) Hg(NO 3) 2 + H 2 O Hg + H 2 + HNO 3 .
ب) Hg(NO 3) 2 + H 2 O Hg + O 2 + HNO 3;
ج) Hg(NO 3) 2 + H 2 O Hg (NO 3) 2 + H 2 + O 2.
گزینه 3
1. در طی الکترولیز محلول نیترات مس (II) در کاتد، موارد زیر آزاد می شود:
الف) مس؛ ب) اکسیژن؛ ج) هیدروژن
2. در طی الکترولیز محلول لیتیوم بروماید در محلول، موارد زیر تشکیل می شود:
ب) اسید هیدروبرومیک؛
ج) لیتیوم هیدروکسید.
3. در طی الکترولیز کلرید نقره مذاب در کاتد، موارد زیر آزاد می شود:
الف) نقره؛ ب) کلر؛ ج) الکترولیز غیرممکن است.
4. در طی الکترولیز محلول کلرید آلومینیوم، آلومینیوم به زیر آزاد می شود:
الف) کاتد؛ ب) آند؛ ج) در محلول باقی می ماند.
5. الکترولیز محلول باریم بروماید طبق طرح زیر انجام می شود:
الف) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + H 2 + Ba(OH) 2;
ب) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + Ba + H 2 O .
ج) BaBr 2 + H 2 O Br 2 + O 2 + Ba(OH) 2.
گزینه 4
1. در طی الکترولیز یک محلول هیدروکسید باریم در آند، موارد زیر آزاد می شود:
الف) هیدروژن؛ ب) اکسیژن؛ ج) باریم
2. در طی الکترولیز محلول یدید پتاسیم در محلول، موارد زیر تشکیل می شود:
الف) اسید هیدرویدیک؛
ب) آب؛ ج) هیدروکسید پتاسیم.
3. در طی الکترولیز کلرید مذاب سرب (II) در کاتد، موارد زیر آزاد می شود:
الف) سرب؛ ب) کلر؛ ج) الکترولیز غیرممکن است.
4. در طی الکترولیز محلول نیترات نقره در کاتد، موارد زیر آزاد می شود:
الف) نقره؛ ب) هیدروژن؛ ج) اکسیژن
5. الکترولیز محلول سولفید سدیم طبق طرح زیر انجام می شود:
الف) Na 2 S + H 2 O S + H 2 + NaOH.
ب) Na 2 S + H 2 O H 2 + O 2 + Na 2 S ;
ج) Na 2 S + H 2 O H 2 + Na 2 S + NaOH.
پاسخ ها
| گزینه | سوال 1 | سوال 2 | سوال 3 | سوال 4 | سوال 5 |
| 1 | آ | ب | ب | آ | ب |
| 2 | ب | ب | آ | آ | ب |
| 3 | آ | V | آ | V | آ |
| 4 | ب | V | آ | آ | آ |
کاربرد الکترولیز در اقتصاد ملی
1. برای محافظت از محصولات فلزی در برابر خوردگی، یک لایه نازک از فلز دیگری بر روی سطح آنها اعمال می شود: کروم، نقره، طلا، نیکل و غیره. گاهی اوقات برای اینکه فلزات گران قیمت هدر نرود، یک پوشش چند لایه تولید می شود. به عنوان مثال، قسمت های بیرونی خودرو ابتدا با یک لایه نازک مس، یک لایه نازک نیکل روی مس و یک لایه کروم روی آن قرار می گیرد.
هنگامی که پوشش ها با الکترولیز روی فلز اعمال می شوند، ضخامت و دوام یکسانی دارند. به این ترتیب می توانید محصولاتی با هر شکلی را پوشش دهید. این شاخه از الکتروشیمی کاربردی نامیده می شود آبکاری.
2. پوشش های گالوانیکی علاوه بر محافظت در برابر خوردگی، ظاهر تزئینی زیبایی به محصولات می بخشد.
3. شاخه دیگری از الکتروشیمی که در اصل مشابه آبکاری الکتریکی است، گالوانوپلاستی نام دارد. این فرآیند ساختن کپی دقیق از اقلام مختلف است. برای انجام این کار، جسم را با موم می پوشانند و یک ماتریس به دست می آید. تمام فرورفتگی های شی کپی شده روی ماتریس برآمدگی خواهد بود. سطح ماتریس موم با یک لایه نازک از گرافیت پوشانده شده است و آن را به جریان الکتریکی هدایت می کند.
الکترود گرافیتی حاصل در حمامی از محلول سولفات مس غوطه ور می شود. آند مسی است. در طی الکترولیز، آند مس حل می شود و مس روی کاتد گرافیت رسوب می کند. به این ترتیب یک نسخه مسی دقیق به دست می آید.
آبکاری برای ساخت کلیشه های چاپی، صفحات گرامافون و متالیز کردن اشیاء مختلف استفاده می شود. گالوانوپلاستی توسط دانشمند روسی B.S. Jacobi (1838) کشف شد.
ساخت مهرهای ضبط شامل اعمال یک پوشش نقره ای نازک بر روی یک صفحه پلاستیکی برای رسانایی الکتریکی آن است. سپس یک پوشش نیکل الکترولیتی روی صفحه اعمال می شود.
صفحه حمام الکترولیتی از چه چیزی باید ساخته شود - آند یا کاتد؟
(O t v e t. کاتد.)
4. از الکترولیز برای تولید بسیاری از فلزات استفاده می شود: قلیایی، قلیایی خاکی، آلومینیوم، لانتانیدها و غیره.
5. برای خالص سازی برخی فلزات از ناخالصی ها، فلز دارای ناخالصی به آند متصل می شود. این فلز در طول الکترولیز حل می شود و در کاتد فلز آزاد می شود، در حالی که ناخالصی در محلول باقی می ماند.
6. الکترولیز به طور گسترده برای تولید مواد پیچیده (قلیاها، اسیدهای حاوی اکسیژن) و هالوژن استفاده می شود.
کار عملی(درس دوم)
اهداف درسالکترولیز آب را انجام دهید، گالوانیستی را در عمل نشان دهید، و دانش به دست آمده در درس اول را تثبیت کنید.
تجهیزات.روی میز دانش آموزان: باتری تخت، دو سیم با پایانه، دو الکترود گرافیتی، یک لیوان، لوله های آزمایش، پایه با دو پایه، محلول سولفات سدیم 3 درصد، یک چراغ الکلی، کبریت، یک مشعل.
روی میز معلم: همان + محلول سولفات مس، کلید برنجی، لوله مسی (قطعه مس).
آموزش به دانش آموزان
1. سیم ها را با پایانه ها به الکترودها وصل کنید.
2. الکترودها را در یک لیوان قرار دهید تا با هم تماس نداشته باشند.
3. محلول الکترولیت (سولفات سدیم) را در یک لیوان بریزید.
4. داخل لوله های آزمایش آب بریزید و به صورت وارونه در شیشه ای حاوی الکترولیت پایین بیاورید، آنها را یکی یکی روی الکترودهای گرافیتی قرار دهید و لبه بالایی لوله آزمایش را در پایه سه پایه محکم کنید.
5. پس از نصب دستگاه، انتهای سیم ها را به باتری وصل کنید.
6. رها شدن حباب های گاز را مشاهده کنید: کمتر از آنها در آند نسبت به کاتد آزاد می شوند. پس از اینکه تقریباً تمام آب یک لوله آزمایش با گاز آزاد شده جایگزین شد و در نیمه دیگر، سیم ها را از باتری جدا کنید.
7. لامپ الکل را روشن کنید، لوله آزمایش را که آب تقریباً به طور کامل جابجا شده است را با احتیاط بردارید و آن را به چراغ الکل بیاورید - صدای گاز مشخصی شنیده می شود.
8. یک مشعل روشن کنید. لوله آزمایش دوم را بردارید و گاز را با یک مشعل در حال دود بررسی کنید.
تکالیف دانش آموزی
1. طراحی دستگاه.
2. معادله ای برای الکترولیز آب بنویسید و توضیح دهید که چرا باید الکترولیز در محلول سولفات سدیم انجام شود.
3. معادلات واکنشی را بنویسید که آزاد شدن گازها در الکترودها را منعکس می کند.
آزمایش نمایش معلم
(می تواند توسط بهترین دانش آموزان کلاس اجرا شود
در صورت وجود تجهیزات مناسب)
1. پایانه های سیم را به لوله مسی و آچار برنجی وصل کنید.
2. لوله و کلید را در یک لیوان با محلول سولفات مس (II) قرار دهید.
3. سرهای دیگر سیم ها را به باتری وصل کنید: "منهای" باتری به لوله مسی، "به علاوه" به کلید!
4. رها شدن مس روی سطح کلید را رعایت کنید.
5. پس از اتمام آزمایش، ابتدا پایانه های باتری را جدا کرده، سپس کلید را از محلول خارج کنید.
6. مدار الکترولیز را با یک الکترود محلول جدا کنید:
CuSO 4 = Cu 2 + +
آند (+): Cu 0 - 2 ه= مس 2+،
کاتد (–): Cu 2+ + 2 ه= مس 0.
معادله کلی الکترولیز با آند محلول را نمی توان نوشت.
الکترولیز در محلول سولفات مس (II) انجام شد زیرا:
الف) برای عبور جریان الکتریکی به محلول الکترولیت نیاز است، زیرا آب یک الکترولیت ضعیف است.
ب) هیچ محصول جانبی واکنشی آزاد نخواهد شد، بلکه فقط مس در کاتد آزاد خواهد شد.
7. برای تجمیع مطالب آموخته شده، نموداری از الکترولیز کلرید روی با الکترودهای کربن بنویسید:
ZnCl 2 = Zn 2 + + 2Cl –
کاتد (–): Zn 2 + + 2 ه= روی 0،
2H2O+2 ه= H 2 + 2OH - ،
آند (+): 2Cl – – 2 ه= Cl2.
معادله کلی واکنش را نمی توان در این مورد نوشت، زیرا مشخص نیست که چه بخشی از مقدار کل برق صرف احیای آب می شود و چه بخشی برای احیای یون های روی.
 |
طرح آزمایش نمایشی |
مشق شب
1. معادله ای برای الکترولیز محلولی حاوی مخلوطی از نیترات مس (II) و نیترات نقره با الکترودهای بی اثر بنویسید.
2. معادله الکترولیز محلول هیدروکسید سدیم را بنویسید.
3. برای تمیز کردن یک سکه مسی باید آن را روی یک سیم مسی متصل به قطب منفی باتری آویزان کرد و در محلول 2.5% NaOH غوطه ور کرد و در آن الکترود گرافیتی متصل به قطب مثبت باتری نیز باید غوطه ور شود. نحوه تمیز شدن سکه را توضیح دهید. ( پاسخ. کاهش یون هیدروژن در کاتد رخ می دهد:
2H + + 2 ه= N 2.
هیدروژن با اکسید مس واقع در سطح سکه واکنش می دهد:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O.
این روش بهتر از تمیز کردن با پودر است، زیرا ... سکه پاک نمی شود.)
بارگذاری...