Реакции с перенесением электронов. Электролиз

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Степень окисления – это условный заряд атомов химического элемента в соединении, вычисленный на основе предположения, что все соединения состоят только из ионов.

Степень окисления бывает: «+», «-», «0». I. Степень окисления «0» - ноль: 1. Простые вещества: Н 2, Са, О 2, К… 2. Сложные в-ва (в сумме): Са +2 О -2 (+2 – 2 =0)

Табл. 1:Степени окисления элементов в соединениях: I – группа: С.О. +1 Na +1 Cl, K +1 Cl… II - группа: С.О. +2 Сa +2 Cl 2 … III - группа: С.О. +2 Al +3 Cl 3 … Кислород: С.О. -2 Na +1 2 О -2, Сa +2 О -2. Водород: С.О. +1, с металлами -1. F (фтор) С.О. -1, Cl (хлор) С.О -1 почти всегда.

Схема восстановления перманганат-иона (MnO 4 - ) в различных средах 2KMnO 4 +5Na 2 SO 3 +3H 2 SO 4 2MnSO 4 +K 2 SO 4 +5Na 2 SO 4 +3H 2 O 2KMnO 4 +3Na 2 SO 3 +H 2 O2MnO 2 +3Na 2 SO 4 +2KOH 2KMnO 4 +Na 2 SO 3 +2KOH2K 2 MnO 4 +Na 2 SO 4 +H 2 O MnO 4 - MnO 2 Mn 2+ MnO 4 2- OH - H2OH2O H+H+

А. Метод электронного баланса. Записывают уравнение в ионной форме: КмnO 4 + KNO 2 + H 2 SO 4 = Перманганат калия содержит Mn +7, он может быть только окислителем. Нитрит калия содержит N +3, это промежуточный степень окисления и в этом случае, если Mn +7 – окислитель, то N +3 может быть только восстановителем. Восстановление Mn +7 в кислой среде может проходить до Mn +2, а окисление NO 2 - до NO 3 -. Запишем продукты реакции: Mn е = Mn окислитель; восстановление 10 N е = N восстановитель; окисление. Коэфициенты возле окислителя 2, возле восстановителя – 5: 2KMnO 4 + 5KNO 2 + 3H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 5KNO 3 + 3H 2 O

1. Для связывания атомов кислорода кислородвместимых ионов (молекул) используют: -в кислой среде: ионы Н + : MnO H + + 5e = Mn H 2 O -в нейтральной и щелочной среде: молекулы воды: CrO H 2 O + 3e = Cr OH - 2. Для увеличения атома кислорода используют: -в кислой и нейтральной среде: молекулы воды: AsO H 2 O – 2e = AsO H + -в щелочной среде: гидроксид-ионы ОН - : H 2 PO OH - -4e = PO H 2 O 3. Для увеличпения количества атомов водорода используют: -в кислой среде: ионы Н + : NO H + + 8e = NH 3 + 3H 2 O -в нейтральной и щелочной среде: молекулы воды: NO H 2 O + 6e = NH 3 + 7OH - 4. Для связывания атомов водорода используют: -в нейтральной и щелочной среде: гидроксид-ионы ОН - : AsH 3 + 9OH - -6e = AsO H 2 O -в кисломй среде: такой процесс проходит без участия сторонних ионов: N 2 H 4 – 4e = N 2 + 4H +

Сокрощаем Н 2 О и Н + в левой и правой части

Гальванический элемент Уравнение Нернста

Рівняння процессу Е о,В Алюміній AlO 2 – + 2H 2 O + 3e – = Al + 4OH – Al e – = Al Арсен H 3 AsO 4 + 2H + + 2e – = HAsO 2 + 2H 2 O AsO 4 3– + 2H 2 O + 2e – = AsO 2 – + 4OH – HAsO 2 + 3H + + 3e – = As + 2H 2 O AsO 2 – + 2H 2 O + 3e – = As + 4OH – As + 3H + + 3e – = AsH 3 Бісмут Bi e – = Bi Бром Br 2 + 2e – = 2Br – Гідроген 2H + + 2e – = H 2 Йод 2IO 3 – + 12H e – = I 2 + 6H 2 O 2IO 3 – + 6H 2 O + 10e – = I OH – I 2 + 2e – = 2I – Кобальт Co e – = Co Купрум Cu e – = Cu Cu(OH) 2 + 2e – = Cu + 2OH – –2,35 –1,663 +0,56 –0,71 +0,234 –0,68 –0,60 +0,317 +1,087 0, ,19 +0,21 +0,536 –0,29 +0,345 –0,22 Рівняння процессуЕ о,В Манган MnO 4 – + e – = MnO 4 2– MnO 4 – + 2H 2 O + 3e – = MnO 2 + 4OH – MnO 4 – + 8H + + 5e – = Mn H 2 O MnO 4 2– + 2H 2 O + 2e – = MnO 2 + 4OH – MnO 2 + 4H + + 2e – = Mn H 2 O Нітроген NO 3 – + 2H + + e – = NO 2 + H 2 O NO 3 – + 3H + + 2e – = HNO 2 + H 2 O NO 3 – + H 2 O + 2e – = NO 2 – + 2OH – NO 3 – + 4H + + 3e – = NO + 2H 2 O HNO 2 + H + + e – = NO + H 2 O N 2 + 4H 2 О + 4e – = N 2 H 4 + 4OH – N 2 H 4 + 4H 2 O + 2e – = 2NH 4 OH + 2OH – Оксиген O 2 + 4H + + 4e – = 2H 2 O O 2 + 2H + + 2e – = H 2 O 2 H 2 O 2 + 2H + + 2e – = 2H 2 O Селен H 2 SeO 3 + 4H + + 4e – = Se + 3H 2 O Стибій SbO 2 – + 2H 2 O + 3e – = Sb + 4OH – +0,564 +0,60 +1,51 +0,60 +1,23 +0, –0,01 +0,957 +0,99 –1,15 +0,1 +1,229 +0,682 +1,77 +0,744 –0,675

УравненияЕ о,В Сульфур SO 4 2– + 4H + + 2e – = H 2 SO 3 + H 2 O SO 4 2– + H 2 O + 2e – = SO 3 2– + 2OH – SO 4 2– + 2H + + 2e – = SO 3 2– + H 2 O SO 4 2– + 10H + + 8e – = H 2 S + 4H 2 O SO 4 2– + 8H + + 8e – = S 2– + 4H 2 O SO 3 2– + 3H 2 O + 4e – = S + 6OH – S + 2H + + 2e – = H 2 S S + 2e – = S 2– Ферум Fe 3+ + e – = Fe 2+ Фосфор HPO 3 2– + 2H 2 O + 2e – = H 2 PO 2 – + 3OH – H 2 PO 2 – + e – = P + 2OH – Хлор ClO 4 – + 4H 2 O + 8e – = Cl – + 8OH – ClO 4 – + 8H + + 8e – = Cl – + 8H 2 O ClO 3 – + 6H + + 6e – = Cl – + 3H 2 O ClO 3 – + 3H 2 O + 6e – = Cl – + 6OH – HClO + H + + 2e – = Cl – + H 2 O ClO – + H 2 O + 2e – = Cl – + 2OH – Cl 2 + 2e – = Cl – +0,17 –0,93 +0,22 +0,31 +0,149 –0,66 +0,171 –0,476 +0,771 –1,57 –2,05 +0,56 +1,38 +1,45 +0,63 +1,5 +0,88 +1,359 УравненияЕ о,В Хром Cr 2 O 7 2– + 14H + + 6e – = 2Cr H 2 O CrO 4 2– + 8H + + 3e – = Cr H 2 O CrO 4 2– + 4H + + 3e – = CrO 2 – + 2H 2 O CrO 4 2– + 4H 2 O + 3e – = Cr(OH) 3 + 5OH – Cr(OH) 3 + 3e – = Cr + 3OH – Cr e – = Cr Цинк Zn e – = Zn Zn(OH) 2 + 2e – = Zn + 2OH – ZnO 2 2– + 2H 2 O + 2e – = Zn + 4OH – +1,33 +1,477 +0,945 –0,13 –1,3 –0,74 –0,764 –1,245 –1,216

Электрохимический ряд металлов металл Li + /Li Rb + /Rb K + /K Cs + /Cs Ra 2+ /Ra Ba 2+ /Ba Sr 2+ /Sr Ca 2+ /Ca Na + /Na Ac 3+ /Ac La 3+ /La Y 3+ /Y E °,В 3,045 2,925 2,924 2,923 2,916 2,905 2,888 2,864 2,771 2,600 2,522 2,372 Mg 2+ /Mg Sc 3+ /Sc Be 2+ /Be Al 3+ /Al Ti 3+ /Ti Mn 2+ /Mn Cr 2+ /Cr Zn 2+ /Zn Ga 3+ /Ga Fe 2+ /Fe Cd 2+ /Cd In 3+ /In Co 2+ /Co 2,370 2,077 1,847 1,700 1,208 1,192 0,852 0,763 0,560 0,441 0,404 0,338 0,277 Ni 2+ /Ni Sn 2+ /Sn Pb 2+ /Pb H + /H 2 Sb III /Sb Re III /Re Bi III /Bi Cu 2+ /Cu Hg 2+ /Hg Ag + /Ag Rh 3+ /Rh Pd 2+ /Pd Pt II /Pt Au + /Au 0,234 0,141 0,126 ±0,000 +0,240 +0,300 +0,317 +0,338 +0,796 +0,799 +0,800 +0,915 +0,963 +1,691

Электролиз расплавов электролитов Электролиз расплавов растворов Схема электролиза расплава NaCl: NaClNa+ + Cl- на аноде: 2Cl - - 2e = Cl 2 на катоде: 2Na + + 2e = 2Na 2Na + + 2Cl - 2Na +Cl 2 2NaCl 2Na + Cl 2

Терминология Электро́лиз физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

Примеры электролиза расплавов:

Примеры электролиза растворов солей:

Электролиз воды

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА Электролиз нашел широкое применение в технике, например в металлургии, химической промышленности и т. д.

1. Покрытие металлов слоем другого металла при помощи электролиза (гальваностегия).

2. Получение копий с предметов при помощи электролиза (гальванопластика). 3. Рафинирование (очистка) металлов.

Схематическое изображение электрохимической ячейки для исследования электролиза

Схема электролиза расплава NaCl

Электролиз CuCl 2

Li K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb Cu Ag Hg Pt Au Электролиз растворов электролитов I III II ІКатионы Ме (от Li до Al включительно) не восстанавливаются, а восстанавливается только Н + и Н 2 О 2Н + +2 еН 2 2Н 2 О+2 е Н 2 +2ОН - ІІКатионы Ме (от Mn до Pb включительно) восстановляются одновременно с Н 2 О Zn 2+ +2e Zn 0 Pb 2+ +2e Pb 0 2Н 2 О+2 е Н 2 +2ОН - ІІІКатионы Ме (от Cu до Au включительно) легко полностью восстанавливаются Cu 2+ +2e Cu 0 Au 2+ +2e Au 0 Процессы на катоде

Процессы на аноде Cl -, Br -, I -, S 2-, CN - Анионы бескислородных кислот, кроме F -, легко окисляются 2Cl -2e Cl 2 SO 4 2-, NO 2 -, NO 3 -, PO 4 3-, ClO 4 - Анионы кислородсодержащих кислот не окисляются. В процессе участие берет ОН - и молекулы Н 2 О 4ОН е О 2 +2Н 2 О 2Н 2 О – 4 е О 2 +4Н +