«Бейорганикалық химияның фундаменталды сұрақтары» пәнінен дәрістер жинағы Әдістемелік нұСҚау шымкент, 2015 ж
жүктеу/скачать 1.65 Mb.
|
| Электролиз.
Жоспар:
2. Электрондық баланс әдісі. 3. Иондық –электрондық әдіс. 4. ТТР-дың ерекше жағдайлары. Тотығу – тотықсыздану реакцияларының ертінді ортасына байланысты жүруі. Электролиз Тотығу – тотықсыздану реакцияларының теңдеуін құру үшін тотық-сыздандырғыш пен тотықтырғышты және олардың беретін және қосып алатын сандарын анықтау керек. Тотықсыздандырғыштың беретін және тотықтырғыштың қосып алатын электрон саны олардың реакцияға дейінгі және реакциядан кейінгі тотығу дәрежелерінің өзгеруі арқылы анықталады. Тотықсыздандырғыш пен тотықтырғыштың коэффиценттерін табу үшін мына ережелерді қолданылады: 1.Тотықсыздандырғыш беретін электрондарының жалпы саны тотықтырғыштың қосып алатын электрондарының жалпы санына тең. 2.Тотығу- тотықсыздану реакцияларын теңестірудің екі тәсілі бар: электронды баланс және ионды- электронды тәсілдер. Екі тәсілдің де негізі де бірдей - ол тотығу – тотықсыздану процесінде тотықсыздандырғыш берген электрон саны тотықтырғыш қосып алған электрон санына тең болу керек. Электрондық баланс әдісі бойынша тотығу- тотықсыздану реакцияларының теңдеулерін құруды бірнеше мысалдар арқылы көрсетуге болады. 7+ +2 H2S-2+KMnO4+H2SO4 So+MnSO4+K2SO4+H2O Реакцияға қатысқан және шыққан заттардың ішіндегі тотығу дәрежесі өзгерген атомдарын ғана белгілеп жазу орынды. Енді коэффиценттерді табайық S2—2e So 5 тотықсыздандырғыш Mn+7+5e Mn+2 2 тотықтырғыш Анықталған коэфиценті бойынша тотығу-тотықсыздану реакцияларына қатысқан атомдардың санын теңестіреміз. 5Н2S-2+2KMnO4+H2SO4 5So+2MnSO4+K2SO4+H2O Реакцияға қатысқан бірақ тотығу дәрежесі өзгермеген атомдары бар заттардың коэффиценттері осы болған коэффиценттер арқылы шығарылады. Теңдіктің сол жағындағы Н2SO4-тің алдындағы коэфицент 1 тең, ал реакция өнімдерін 3 SO42- қажет екендігі көрініп тұр, оны бастапқы қышқыл молекулалары береді. Сондықтан 3 деген коэфицентті H2SO4 алдына қоямыз, енді есепке алынбаған сутек атомдарының санын анықтаймыз. Реакцияға 16 Н-на сай 8 молекула су шығады.О ған қажет 8 оттегі атомдары 2 КМnO4тең алынады. 5Н2S2-+2KMnO4+3H2SO4 5So+2MnSO4+K2SO4+8H2O Осылайша реакцияға қатысқан және одан шыққан заттардың атомдарын түгелдей санап, теңестірдік. Іс жүзінде химиялық реакция теңдеуін бірнеше рет қайталап жазудың қажеті болмайды, бірден тотығу- тотықсыздану коэффиценттерін қойып, қалғандарын соған қарап теңестіру керек. Мысал ретінде қорғасын сульфиді мен сутек асқын тотығын реакциясын қарастырамыз: 2.PbS-2+H2O2-2 PbSO4+H2O S-2-8e S6+ 1 тотықсыздандырғыш 8 О2-2+2е 2О2- 4 тотықтырғыш PbS+4H2O2 PbSO4+H2O +3 -1 +6 3. 2KCrO2+3Br2o+8KOH 6KBr+2K2CrO4+4H2O Cr+3-3e Cr+6 2 тотықсыздандырғыш 6 Bro+2e 2Br1- 3 тотықтырғыш Иондық- электрондық әдіс. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының теңдеулерін иондық-электрондық әдіспен құрғанда тотығу дәрежесі пайдаланылмайды. Тотығу- тотықсыздану реакцияларының иондық теңдеуін құру үшін келесідей әдістерді біртіндеп іске асырады: 1.Тотықсыздандырғыш пен тотықтырғыштан ғана тұратын реакцияның схемасын жазу. Сонымен қатар реакцияның қандай ортада (қышқылдық,негіздік немесе бейтарап) жүретінін анықтап, реакция Н+, ОН—иондары немесе Н2О молекуласы қатысуы мүмкін екендігін естен шығармау керек. 2.Тотықсыздандырғыштың тотығуын, тотықтырғыштың тотықсыздануын жеке теңдеулер түрінде көрсету. 3.Әр теңдеудің сол және оң жағындағы элементтердің атом сандарын теңестіру. 4.Әр теңдеудің сол және оң жағындағы заттардың санын теңестіру керек. Ол үшін әр теңдеудің сол жағына қажетті электрон қосу немесе алу керек. Электрон қосып алу теріс зарядтар санын өсіреді, ал электрон беру оң зарядтардың жалпы санын өсіреді. 5.Тиісті көбейткіштерді пайдалана отырып екі теңдеудің де электрондар санын теңестіру қажет. 6.Осындай дайындалған тотықсыздандырғыштардың тотығу теңдеуін және тотықтырғыштың тотықсыздану теңдеуін мүшелеп қосып тотығу- тотықсыздану реакцияларының жалпы иондық теңдеуін құрайды. Тотығу- тотықсыздану реакциясының теңдеуінің дұрыстығын мынадай белгілер дәлелдейді: А) теңдеудің екі жағындағы әр элементтің атом сандары өзара тең болу керек. Б) теңдеудің сол жағындағы иондардың зарядтарының алгебралық қосындысы оң жақтағы иондардың зарядтарының алгебралық қосындысына тең болу керек. Мысалы: КМnO4+FeSO4+H2SO4 MnSO4+Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O Тотықсыздандырғыштың тотығу теңдеуін жазамыз: екі зарядты Ғе2+ ионы Ғе3+ ионына дейін тотығады: Ғе+2 Ғе3+ Темірдің сол және оң жақтағы атомдарына тең, ал зарядтарын теңестіру үшін сол жақтан бір электрон алып тастаймыз, енді екі жақтың зарядтары тең болады. Ғе2+-е Ғе3+ тотықсыздандырғыш/ тотығу процесі. Тотықтырғыш MnO4-ионы Mn2+ионына айналады. MnO4- Mn+2 Қышқылдық ортадағы перманганат иондары оттек иондары сутек иондары мен қосылып су молекуласын түзеді. MnO4-+8H+ Mn2++4H2O Cол жақта 7+, оң жақта 2+зарядтар бар деп оң жақтарындағы зарядтардың жалпы сандары өзара тең болуы үшін сол жаққа 5 электрон қосамыз. MnO4-+8H+ +5e Mn2++4H2O тотықсыздану процесі Енді тотығу және тотықсыздану процесіндегі электрон сандарын теңестіру үшін екі теңдеуді тиісті көбейткіштерге көбейтеміз. Қажетті көбейткіштерді тотықсыздандырғыштың берген және тотықтырғыштың қосып алған электрондарының сандарына бөлінетін кіші ортақ бөлім 5-ке тең. Бірақ егер берілетін және қосып алынатын электрондар саны тақ болып, ал реакция нәтижесінде түзілетін тотықтырғыштың немесе тотықсыздандырғыштың саны жұп болса, тақ коэфиценттерді екіге көбейту керек. Ғ е2+-е Ғе3+ 5 10 MnO4-+8H++5e Mn2++4H2O 1 2 Әр теңдеуді тиісті коэффиценттерге көбейтіп жазамыз да екі теңдеуді мүшелеп қосып тотығу – тотықсыздану реакциясының жалпы иондық теңдеуін жазамыз: 10Ғе2+-10е→ 10Ғе3+ 2MnO4-+16H++10e→ 2Mn2++8H2O 10Fe2++2MnO4-+16H+ → 2Mn2++8H2O+10Fe3+ 2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4 → 2MnSO4+5Fe2 Тотығу – тотықсыздану реакцияларының ерекше жағдайлары Арнайы жағдайларда тотығу- тотықсыздану реакцияларын теңестіру үшін қосымша түсініктер енгізу керек. 1.Егер тотысыздандырғыштың беретін электрон саны мен тотықтырғыштың қосып алатын электрон саны бірдей санға бөлінетін болса, онда оларды осы санға бөліп, негізгі коэфиценттерді табады. 5+ 2- - - 6+ 2- 4HCIO3+3H2S=4HCI-+3H2SO4 CI5++6e CI- 8 4 тотықтырғыш S-2-8e S6+ 6 3 тотықсыздандырғыш Негізгі коэффицент 8 бен 6 емес, ал 4 пен 3. 2. Егер берілетін және қосып алатын электрон саны тақ болса, ал реакция нәтижесінде түзілетін тотықтырғыш немесе тотықсыздандырғыштың саны жұп болса, тақ коефиценттерді екіге көбейтеді, мысалы: 2+ 5+ 3+ 2+ 6FeSO4+2HNO3+3H2SO4 3Fe2(SO4)3+2NO+H2O Fe2+-1e Fe3+ 3 6 N5++3e N2+ 1 2 3.Тотықсыздандырғыш немес тотықтырғыш реакция нәтижесінде түзілетін заттармен байланысу үшін жұмсалады. 2+ 5+ 3+ 2+ 3Fe(NO3)2+HNO3+3HNO3 3Fe(NO3)3+NO+2H2O F e2+-1e Fe3+ 3 N5++3e N2+ 1 Бұл реакцияда азот қышқылының бір молекуласы темір ионын тотықтыруға, ал үш молекуласы тотығу дәрежесін өзгертпей тек үш зарядтты темір иондарын байланыстыруға жұмсалады. 4.Бір мезгілде тотықсыздандырғыштың оң ионы да теріс ионы да тотығады. Мысал ретінде мышьяк (ІІІ)сульфидінің концентірлі азот қышқылымен әрекеттесу реакциясының теңдеуін келтіреміз. 3+ 2- 5+ 5+ 6+ 4+ As2S3+28HNO3 2H3AsO4+3H2SO4+28NO2+8H2O 2As3+-4e 2As5+ 3S2-+24e 3S6+ 28 1 N+5+ e N4+ 1 28 Тотығу – тотықсыздану реакцияларының ертінді ортасына байланысты жүруі. Орта қышқылдығын – қышқыл, сілтілігін- сілті, ал бейтарап болуын- су молекулаларымен байланыстырады. 1.Қышқыл ортада КМnO4 пен күкіртті сутегінің әрекеттесу теңдеуін ē электрон теңгеру әдісімен теңестіреміз: KMnO4+H2S+H2SO4 Ең алдымен тотықтырғыш және тотықсыздандырғышты анықтап тотығу дәрежелерін жазамыз. Қышқылдық ортада марганец тотығу дәрежсін 7+ тен 2+ ке дейін өзгертетінін ескертіп, төмендегідей электрондық теңдік жазамыз: Mn7++5e→ Mn2+ Ал тотықсыздандырғыш күкіртті сутегінің күкірт тотығу дәрежесін 2-ден бірінші кезекте «О»ге онан соң «2+»-ке, «4+»-ке өткізе алады.Олай болса, бұл үшін мына теңдік орынды: S2—2e→ So Электронды теңдеу құрып, электрондарды теңестіреміз: Тотықтырғыш Mn7++5e→ Mn2+ 2 Тотықсыздандырғыш S2—2e→ So 5 2Mn7++5S2- → 2Mn2++5So Орта –қышқыл (күкірт қышқылы). Күкірт қышқылы 2Н+және SO42- иондарынан тұрады. Жүйедегі Mn2+ және К+ иондары SO42- иондарымен қосылып MnSO4 және K2SO4 түзеді. Осыны ескеріп, теңдеуді төмендегідей түрде жазамыз: 2KMnO4+5H2S+H2SO4 → 2MnSO4+K2SO4+5S Теңдіктің оң жағындағы SO42- топшасы үшеу, сол жағында біреу, енді SO4 ті теңестіреміз: 2KMnO4+5H2S+3H2SO4 → 2MnSO4+K2SO4+5S Сутегі және оттегі атомдарын санаймыз. Сутегі сол жақта 16, оң жақта жоқ. Осы себепті оң жағына 8Н2О молекуласын қосып жазамыз. 2KMnO4+5H2S+3H2SO4 → 2MnSO4+K2SO4+5S+8Н2О 2.Сілтілік ортада натрий сульфитінің KMnO4 арқылы тотығуы. Реакцияға қатысатын және түзілетін заттарды жазып, тотықсыдандырғыш және тотықтырғыштың тотығу дәрежелерін анықтаймыз. 4+ 7+ 6+ 6+ Na2SO3+KMnO4+KOH Na2SO4+K2MnO4+H2O Орта Бұл реакцияда күкірт тотықсыздандырғыш, Mn-тотықтырғыш. Күкірттің тотығу дәрежесі 4+ тен 6+ ке дейін жоғарылап тотығады, ал сілтілік ортада Mn 7+ тен 6+ ке дейін ғана өзгеріп тотықсызданады. S4+-2e S6+ 1 Mn7++1e Mn6+ 2 Na2SO3+2KMnO4+KOH→ Na2SO4+2K2MnO4+H2O Оң жақтағы калийдің санына сәйкес сілтінің алдына «2» қойсақ, реакция теңдеуінің соңғы түрі шығады: Na2SO3+2KMnO4+2KOH Na2SO4+2K2MnO4+H2O 3. Осы реакцияны бейтарап ортада да жүргізуге болады. Бейтарап ортада марганецтің тотығу дәрежесі 7+ тен 4+ке дейін өзгереді. Реакция теңдеуін жазып, коефиценттерді тауып, теңестіреміз: 3Na2SO3+2KMnO4+H2О 2Na2SO4+2MnO2+2KOH S4+-2e S6+ 3 Тотықсыздандырғыш Mn7++3e Mn4+ 2 Тотықтырғыш Күрделі заттардың тотықтырғыштық не тотықсыздандырғыштық қасиеті оның құрамындағы элементтің тотығу дәрежесіне байланысты. Егер молекуласындағы атом оң жоғары тотығу дәрежесін көрсетсе, ол зат тек тотықтырғыш бола алады. Керісінше молекула құрамындағы атом ең төмен тотығу дәрежесін көрсетсе, онда ол тек тотықсыздандырғыш бола алады. Молекула құрамындағы атом аралық тотығу дәрежесін көрсетсе, онда ол зат жағдайларға байланысты тотықтырғыш та, тотықсыздандырғыш та болады. Мысалы: HNO3, HNO2, NH3. HNO3-молекуласында азот атомының тотығу дәрежесі ең жоғары (+5). Демек, ол тек электрон қосып алып тотықтырғыш болады. NH3-те азот ең төмен (-3)тотығу дәрежесін көрсетеді де, ол тек электрон беріп тотықсыдандырғыш болады. HNO2 –де азоттың тотығу дәрежесі аралық (+3) болғандықтан, ол электрон беріп тотықсыздандырғыш, сонымен қатар, қосып алып тотықтырғыш болуы мүмкін. Маңызды тотықтырғыштар мен тотықсыздандырғыштар. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының жүруінің басты шарты, оған міндетті түрде тотықтырғыш және тотықсыздандырғыш қатысу керек. Калий перманганаты- KMnO4 бейорганикалық және органикалық заттарды тотықтырады: Азот, күкірт, дихромқышқылы – бос күйіндегі металдар мен бейметалдар, сан алуан заттарды тотықтырады. Сутек пероксиді - жұмсақ тотықтырғыш: Тұзқышқылы HCI, HNO3,H2SO4 практикалық маңызы зор тотықтырғыштарға жатады. Тұз қышқылында тотықтырғыш элемент- сутек, азот қышқылында- азот, сұйылтылған H2SO4-сутек, концентрлі H2SO4-күкірт. Сондықтан НСІ және H2SO4 (сұйылтылған) қышқылдарының тотықсыздану процесі келесідей болады: 2Н++2е Н2 Азот қышқылында тотықсыздану процесі NO3-+4H++3e NO+2H2O Концентрлі H2SO4 тотықсыздану процесі SO42-+4H++2e SO2+H2O Тотықтырғыштарға: хлорлау қышқылы НСІО3 және оның тұздары, галогендер, калий және натрий гипохлориді NaCIO, KCIO, мен гипобромидтері NaBrO, KBrO: пероксокүкірт H2SO5, H2S2O8 қышқылдары және оның аммоний тұздары (NH4)2S2O8 жатады Э л е к т р о л и з . Электролиз дегеніміз электролит арқылы ток өткенде электроттарда жүретін тотығу-тотықсыздану реакциялары. Электролиз кезінде катиондар катодтан электрондарды үздіксіз алып отыратындықтан,ал аниондар анодқа үздіксіз электрондарын беріп отыратындықтан сыртқы өткізгіш бойымен үздіксіз электрондар ағыны немесе электр тогының жүруі қамтасыз етіледі. Электр тогының тотықсыздандырғыш және тотықтырғыш әрекеті химиялық тотықсыздандырғыштар мен тотықтырғыштар әрекетіне қарағанда көптеген есе күшті болады. Сондықтан химиялық әдіспен алуға болмайтын көптеген заттарды электролиз жолымен алады. Электролиттерді электролиздегенде еритін немесе ерімейтін анод қолданылады. Еритін анод электролиз кезінде электрондарын беріп тотығып катион түрінде ертіндіге көшеді, ал ерімейтін анодтың материалдарында өзгеріс болмайды, оның бетінде басқа аниондар тотығады. Ерімейтін анод ретінде графит, платина, иридий қолданылады. Енді ерімейтін анодты пайдаланып электролиттерді элетролиздеудің бірнеше мысалдарын қарастырайық. Оттексіз қышқылдардың тұздарын (BaCI, K2S т.б.) электролиздегенде балқымада екі-ақ түрлі ион болатындықтан катодта металл, анодта металл емес болып бөлінеді. Балқыған түрін электролиздегенде катодта натий иондары тотықсыданады,анодта хлор иондары тотығады. Катодта: 2Na++2e=2Nao Анодта: 2СІ- -2е-=CI2o Сілтілік және сілтілік жер металдарын металургияда осы әдіспен алады. Электролиттердің судағы ертінділерін электолиздеу күрделірек. Мұнда электролит иондарынан басқасымен электролидегенде катода газ күйіндегі суткек, анодта газ күйіндеегі сутек, анодта газ күйіндегі хлор бөлінеді: ал ертіндегі Na+ және ОН- иондары NaOH түзеді. Бақылау сұрақтары: 1. Маңызды тотықтырғыштар мен тотықсыздандырғыштар. 2. Тотығутотықсыздану реакцияларының ертінді ортасына байланысты жүруі. 3. Иондық- электрондық әдіс. жүктеу/скачать 1.65 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|