Ионное произведение воды рН и рОН растворов. Диссоциация воды. Водородный показатель. Среды водных растворов электролитов Электрическая диссоциация воды
Чистая вода, хоть и плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться (диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического тока в чистой воде (ниже под диссоциацией подразумевается электролитическая диссоциация - распад на ионы):
Водородный показатель (рН) величина, характеризующая активность или концентрацию ионов водорода в растворах. Водородный показатель обозначается рН. Водородный показатель численно равен отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода, выраженной в молях на литр: pH=-lg[ H+ ] Если [ H+ ]>10-7моль/л, [ OH-]<10-7моль/л -среда кислая; рН<7.Если [ H+ ]<10-7 моль/л, [ OH-]>10-7моль/л -среда щелочная; рН>7. Гидролиз солей - это химическое взаимодействие ионов соли с ионами воды, приводящее к образованию слабого электролита. 1). Гидролиз не возможенСоль, образованная сильным основанием и сильной кислотой (KBr , NaCl , NaNO3 ), гидролизу подвергаться не будет, так как в этом случае слабый электролит не образуется.рН таких растворов = 7. Реакция среды остается нейтральной. 2). Гидролиз по катиону (в реакцию с водой вступает только катион). В соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой
(FeCl2 , NH4Cl , Al2(SO4)3 ,MgSO4 )
гидролизу подвергается катион:
FeCl2 + HOH <=>Fe(OH)Cl + HCl Fe2+ + 2Cl- + H+ + OH- <=> FeOH+ + 2Cl- + Н+
В результате гидролиза образуется слабый электролит, ион H+ и другие ионы. рН раствора < 7 (раствор приобретает кислую реакцию). 3). Гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион). Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой
(КClO , K2SiO3 , Na2CO3 ,CH3COONa )
подвергается гидролизу по аниону, в результате чего образуется слабый электролит, гидроксид-ион ОН- и другие ионы.
K2SiO3 + НОH <=>KHSiO3 + KОН 2K+ +SiO32- + Н+ + ОH-<=> НSiO3- + 2K+ + ОН-
рН таких растворов > 7 (раствор приобретает щелочную реакцию).4). Совместный гидролиз (в реакцию с водой вступает и катион и анион). Соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой
(СН 3СООNН 4 , (NН 4)2СО 3 , Al2S3 ),
гидролизуется и по катиону, и по аниону. В результате образуются малодиссоциирующие основание и кислота. рН растворов таких солей зависит от относительной силы кислоты и основания. Мерой силы кислоты и основания является константа диссоциации соответствующего реактива. Реакция среды этих растворов может быть нейтральной, слабокислой или слабощелочной:
Al2S3 + 6H2O =>2Al(OH)3v+ 3H2S^
Гидролиз - процесс обратимый. Гидролиз протекает необратимо, если в результате реакции образуется нерастворимое основание и (или) летучая кислота
Частным случаем диссоциации (процесса распада более крупных частиц вещества — молекул ионов или радикалов — на частицы меньшего размера) является электролитическая диссоциация, при которой нейтральные молекулы вещества, называемого электролитом, в растворе (в результате воздействия молекул полярного растворителя) распадаются на заряженные частицы: катионы и анионы. Этим объясняется способность проводить ток.
Принято делить все электролиты на две группы: слабые и сильные. Вода относится к слабым электролитам, диссоциация воды характеризуется небольшим количеством диссоциированных молекул, так как они достаточно стойкие и практически не распадаются на ионы. Чистая (без примесей) вода слабо проводит электрический ток. Это обусловлено химической природой самой молекулы, когда положительно поляризованные атомы водорода внедрены в электронную оболочку сравнительно небольшого атома кислорода, который поляризован отрицательно.
Сила и слабость электролитов характеризуется (обозначается α, часто эта величина выражается в % от 0 до 100 или в долях единицы от 0 до 1) — способностью распадаться на ионы, то есть отношением количества распавшихся частиц к числу частиц до распада. Такие вещества, как кислоты, соли и основания под действием полярных распадаются на ионы полностью. Диссоциация воды сопровождается распадом молекул Н2О на протон Н+ и гидроксильную группу ОН-. Если представить уравнение диссоциации электролита в виде: М=К++А- , тогда диссоциация воды может быть выражена уравнением: Н2О↔Н++ОН-, а уравнение, с помощью которого рассчитывается степень диссоциации воды, можно представить в двух видах (через концентрацию образовавшихся протонов или концентрацию образовавшихся гидроксильных групп): α=[Н+]/[Н2О] или α=[ОН-]/[Н2О]. Так как на величину α влияет не только химическая природа вещества, но и концентрация раствора или его температура, то принято говорить о кажущейся (мнимой) степени диссоциации.
Склонность молекул слабых электролитов, включая воду, распадаться на ионы в большей степени характеризуется константой диссоциации (частный случай константы равновесия), которую принято обозначать, как Кд. Для расчета этой величины применяется закон действующих масс, который устанавливает соотношение между массами полученных и исходных веществ. Электролитическая диссоциация воды — это распад исходных молекул воды на протоны водорода и гидроксильную группу, поэтому выражается уравнением: Кд = [Н+] . [ОН-]/[Н2О]. Эта величина для воды является постоянной и зависит только от температуры, при температуре, равной 25оС, Кд=1.86.10-16.
Зная молярную массу воды (18 грамм/моль), а также пренебрегая концентрацией диссоциированных молекул и принимая массу 1 дм3 воды за 1000 г, можно рассчитать концентрацию недиссоциированных молекул в 1 дм3 воды: [Н2О]=1000/18,0153=55,51 моль/дм3. Тогда из уравнения константы диссоциации можно найти произведение концентраций протонов и гидроксильных групп: [Н+].[ОН-]=1,86.10-16.55,51=1.10-14. При извлечении квадратного корня из полученной величины получают концентрацию протонов (ионов водорода), определяющую кислотность раствора и равную концентрации гидроксильных групп: [Н+]=[ОН-]=1.10-7.
Но в природе воды такой чистоты не существует из-за присутствия в ней растворенных газов или загрязнения воды другими веществами (фактически вода — это раствор различных электролитов), поэтому при 25оС концентрация протонов водорода или концентрация гидроксильных групп отличается от величины 1.10-7. То есть кислотность воды обусловлена протеканием не только такого процесса, как диссоциация воды. является отрицательным логарифмом концентрации водородных ионов (рН), он введен для оценки кислотности или щелочности воды и водных растворов, так как числами с отрицательными степенями пользоваться затруднительно. Для чистой воды рН=7, но так как в природе чистой воды нет, и диссоциация воды протекает наряду с распадом других растворенных электролитов, то водородный показатель может быть меньше или больше 7, то есть для воды, практически, рН≠7.
Диссоциация воды. Водородный показатель.
В ода является очень слабым электролитом. (Электролит вещество, раствор или расплав которого проводит электрический ток). Вода диссоциирует (распадается) на составляющие ее ионы:
H 2 O ↔ Н + + ОН -
Ионное произведение воды К W =[ Н + ] · [ОН - ] = 10 -14 = const (в квадратных скобках условно указана молярная концентрация ионов моль/л). На практике применяют водородный показатель для определения среды. Водородный показатель отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода: рН= - lg [ Н + ] и находится в пределах 0<рН<14
|
Ионы в растворе |
среда |
рН |
|
[ Н + ] > [ОН - ] |
Кислая |
рН < 7 |
|
[ Н + ] = [ОН - ]=10 -7 моль/л |
Нейтральная |
рН= - lg [ Н + ] = - lg 10 -7 = - (- 7) = 7 |
|
[ОН - ] > [ Н + ] |
Щелочная |
pH > 7 |
|
где |
рН |
где |
рН |
|
желудок |
Дождь |
5,5-6,5 |
|
|
кишечник |
8,5 - 9 |
6-6,5-7 |
|
|
кожа |
5,5 -6 |
8-8,5 |
|
|
кровь |
7,35-7,45 |
Почва |
4-10 |
Гидролиз
Взаимодействие ионов соли с ионами воды, при котором происходит изменение водородного показателя рН, называется гидролизом. Это обратимая реакция.
Если при растворении соли рН не меняется (остается рН=7), то гидролиз не происходит.
Наличие в соли слабого иона обуславливает гидролиз - именно слабый ион присоединяет к себе противоположно заряженный ион воды, образуя при этом новую частицу (с зарядом или без него), а оставшийся ион воды организует среду: Н + - кислую, ОН − - щелочную.
Сильные электролиты.
|
Сильные кислоты |
Сильные основания |
|
HCl ↔ Н + + Cl − |
NaOH↔ Na + + ОН − |
|
H 2 SO 4 ↔ 2 Н + + SO 4 2− |
KOH↔ K + + ОН − |
|
HNO 3 ↔ Н + + NO 3 − |
Если в таблице частицы нет, то это будет слабая частица (слабый ион).
Соль состоит из катиона (положительный ион) и аниона (отрицательный ион):
Ме + n К.О. - n (кислотный остаток)
Возможны 4 комбинации соли: 1. сильный + и сильный −
2. сильный + и слабый −
3. слабый + и сильный −
4.слабый + и слабый −
Рассмотрим реакции с такими вариациями ионов:
1. NaCl + H 2 O гидролиза нет, так как нет слабой частицы в соли, и не меняется рН (равен 7)
силь+силь
реакция нейтральная, и идет диссоциация на ионы: NaCl + H 2 O ↔ Na + + Cl − + H 2 O
2. гидролиз соды (технической)
Na 2 CO 3 + H 2 O ↔
Сильн+слаб
CO 3 2− + Н + ОН - ↔ Н + CO 3 2− − + ОН - среда щелочная, рН>7 , нужно далее написать в молекулярном виде
Na 2 CO 3 + H 2 O ↔ Na + Н + CO 3 2− О + Na + ОН - О
3. Гидролиз сульфата цинка
ZnSO 4 + H 2 O ↔
Слаб+сильн
Zn +2 + Н + ОН - ↔ Zn +2 ОН - + + Н + среда кислая, рН<7, нужно далее написать в молекулярном виде
2 ZnSO 4 +2 H 2 O ↔ (Zn +2 ОН - ) + 2 SO 4 2- О + Н 2 + SO 4 2- О
4. гидролиз карбоната алюминия идет до конца, так как соль составлены из двух слабых частиц.
Al 2 (С O 3 ) 3 + 6H 2 O ↔ 2Al(OH) 3 + 3H 2 CO 3
Электрохимия
Если пластину металла поместить в раствор его соли, то на границе твердой и жидкой фаз образуется двойной электрический слой, величину которого оценивают значением электродного потенциала φ. Для многих металлов электродные потенциалы определены с помощью водородного электрода, потенциал которого принят равным нулю φ=0. Данные электродных потенциалов представлены в таблице №3 Приложения в методике 4/23/2 «Рабочая программа и задание для контрольной работы».
Стандартные электродные потенциалы ( 0 )
некоторых металлов (ряд напряжений) при 298К.
|
Электродная полуреакция |
Электродная полуреакция |
||
|
Li + (водн.) + 1 e - = Li (тв.) |
3.045 |
Cd 2+ (водн.) + 2 e - = Cd (тв.) |
0.403 |
|
Rb + (водн.) + 1 e - = Rb (тв.) |
2.925 |
Co 2+ (водн .) + 2e - = Co (тв .) |
0.277 |
|
K + (водн .) + 1 e - = K (тв.) |
2.924 |
Ni 2+ (водн.) + 2 e - = Ni (тв.) |
0.250 |
|
Cs + (водн.) + 1 e - = Cs (тв.) |
2.923 |
Sn 2+ (водн.) + 2 e - = Sn (тв.) |
0.136 |
|
Ba 2+ (водн.) + 2 e - = Ba (тв.) |
2.905 |
Pb 2+ (водн.) + 2 e - = Pb (тв.) |
0.126 |
|
Ca 2+ (водн.) + 2 e - = Ca (тв.) |
2.866 |
Fe 3+ (водн.) + 3 e - = Fe (тв.) |
0.037 |
|
Na + (водн.) + e - = Na (тв.) |
2.714 |
2 H + (водн.) + 2 e - = H 2 (г.) |
0.000 |
|
Mg 2+ (водн.) + 2 e - = Mg (тв.) |
2.363 |
Sb 3+ (водн.) + 3 e - = Sb (тв.) |
0.200 |
|
Al 3+ (водн.) + 3 e - = Al (тв.) |
1.663 |
Bi 3+ (водн.) + 3 e - = Bi (тв.) |
0.215 |
|
Ti 2+ (водн.) + 2 e - = Ti (тв.) |
1.630 |
Cu 2+ (водн.) + 2 e - = С u (тв.) |
0.337 |
|
Zr 4+ (водн.) + 4 e - = Zr (тв.) |
1.539 |
Cu + (водн.) + e - = Cu (тв.) |
0.520 |
|
Mn 2+ (водн.) + 2 e - = Mn (тв.) |
1.179 |
Ag + (водн.) + e - = Ag (тв.) |
0.799 |
|
V 2+ (водн.) + 2 e - = V (тв.) |
1.175 |
Hg 2+ (водн.) + 2 e - = Hg (ж.) |
0.850 |
|
Cr 2+ (водн.) + 2 e - = Cr (тв.) |
0.913 |
Pd 2+ (водн.) + 2 e - = Pd (тв.) |
0,987 |
|
Zn 2+ (водн.) + 2 e - = Zn (тв.) |
0.763 |
Pt 2+ (водн.) + 2 e - = Pt (тв.) |
1,188 |
|
Cr 3+ (водн.) + 3 e - = Cr (тв.) |
0.744 |
Au 3+ (водн.) + 3 e - = Au (тв.) |
1,498 |
|
Fe 2+ (водн.) + 2 e - = Fe (тв.) |
0.440 |
Au + (водн.) + e - = Au (тв.) |
1,692 |
Электродные потенциалы со знаком «минус» относятся к тем металлам, которые вытесняют водород из кислот. В заголовке таблицы «Стандартные электродные потенциалы» соответствуют потенциалам, определенных в стандартных условиях: температура t =25 0 C (Т = 298 К), давление Р = 1 атм, концентрация раствора, в который погружен электрод С = 1 моль/л. φ 0 --- ст. усл.
Чем меньше электродный потенциал φ, тем активнее металл, тем большим восстановителем он является.
Пример . Какой металл более активный цинк или алюминий? Ответ: Алюминий, так как его потенциал (по таблице №3) меньше, чем у цинка.
Гальванические элементы.
Гальваническим элементом (ГЭ) называют устройство, в котором энергия химической реакции непосредственно превращается в электрическую. ГЭ состоит из соединенных между собой металлических электродов, погруженных в растворы их соли. Пластины металлов соединены через показывающий прибор. Полуэлементы соединяются в электрическую цепь с помощью трубки, заполненной токопроводящим раствором (так называемого солевого мостика). На рис.1. приведена схема медно-цинкового гальванического элемента (Якоби-Даниэля). − Zn / Zn 2+ / / Cu 2+ / Cu +
Zn Cu
- +
ZnSO 4 CuSO 4
Рис. 1. Схема гальванического элемента: 1 - электрод (Zn); 2- сосуд с раствором ZnSO 4 ; 3 - солевой мостик; 4- сосуд с раствором CuSO 4 ; 5- электрод (Си).
Выписываем значения электродных потенциалов для цинка и меди из таблицы №3:
0 = 0,337 В 0 = −0,763 В
Cu 2+ / Cu 0 Zn 2+ / Zn 0
Металл, имеющий меньшее значение электродного потенциала считается анодом и он окисляется.
Видим, что значение потенциала для цинка меньше, чем для меди, делаем вывод, что цинк
анод (выполняет функцию отрицательного электрода) А Zn 0 - 2ē Zn 2+
Металл, имеющий большее значение электродного потенциала считается к атодом и он восстанавливается.
Реакция на правом электроде для меди, так как он катод (выполняет функцию положительного электрода) соответствует процессу восстановления:
К Сu 2+ + 2ē Cu 0
Гальванические элементы изображаются следующей записью:
− Zn 0 / ZnSO 4 / / CuSO 4 / Cu 0 + или в ионной форме: − Zn 0 / Zn 2+ / / Cu 2+ / Cu 0
в которой вертикальные линии символизируют границу металл - раствор, а двойная - границу между растворами электролитов.
Работа ГЭ оценивается величиной его Э.Д.С.(наибольшее напряжение, которое может дать ГЭ). ЭДС гальванического элемента представляет собой разность электродных потенциалов окислителя и восстановителя, то есть равна разности электродных потенциалов катода и анода.
Е = К 0 − А 0 (1) Е теор = К расч − А расч
Электродный потенциал металла зависит от концентрации его ионов в растворе.
Эта зависимость выражается уравнением Нернста:
где - стандартный потенциал металла, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, n - число рабочих электронов , переходящих от анода к катоду, F - число Фарадея 1 F = 96500 Кл, С - концентрация ионов металла.
Если в приведенном уравнении заменить константы R и F их численным значениями, а натуральный логарифм десятичным, то оно примет следующий вид:
Если концентрации растворов у электродов неодинаковы, то сначала рассчитывают новые значения потенциалов для катода и анода с поправкой на концентрацию по уравнению Нернста, а затем подставляют в уравнение (1).
Концентрационный гальванический элемент (КГЭ) состоит из двух пластин одного металла, погруженных в растворы его соли, которые отличаются лишь концентрацией. − Zn 0 / Zn 2+ / / Zn 2+ / Zn 0 +
Zn Zn
- +
ZnSO 4 Zn SO 4
С 1 С 2 Рис. 2. Схема гальванического элемента:1,5 - электроды (Zn); 2, 4 - сосуды с раствором ZnSO 4 ; 3 - солевой мостик.
Электрод, который погружен в раствор с меньшей концентрацией считается анодом.
Допустим, С 1 < С 2 , тогда левый электрод 1 является анодом, а правый электрод 2 будет катодом. КГЭ работает до тех пор, пока не выровняются концентрации С 1 = C 2 .
Коррозия металлов
это разрушение (окисление) металлов под действием окружающей среды.
Поляризация замедление коррозии за счет образования на поверхности металла: 1) тонкой, невидимой глазом, пленки, которая препятствует дальнейшему проникновению окислителя; такая пленка есть у Al , Ti , Zn , Sn , Pb , Mn , Cd , Tl .
2) толстого слоя продуктов коррозии (видим), который затрудняет подход к самому металлу. В этом случае степень поляризации зависит от пористости этого слоя. Например, зеленая патина на меди имеет состав (CuOH ) 2 CO 3 и пористость ее меньше, чем у железа (продукт ржавчина Fe 2 O 3 · nH 2 O ), следовательно патина лучше защищает медь, чем ржавчина железо.
Деполяризация ускорение коррозии. Различают водородную и кислородную.
1) Водородная деполяризация происходит в кислых средах (разбавленные кислоты HCl , H 2 SO 4 , HNO 3 и т.д.). При электрохимической коррозии, так как во многие металлы вводят лигирующие металлические добавки и за счет разности потенциалов образуются микрогальванические элементы, на катоде происходит восстановление среды, то есть восстановление водорода из кислоты:
К 2Н + + 2ē Н 0 2 ,
а на аноде А окисление металла .
2) Кислородная деполяризация происходит в нейтральных и слабощелочных средах (рассматриваем атмосферную коррозию)
К 2Н 2 О + + O 2 + 4ē 4ОН − ,
А Fe 0 - 2ē Fe 2+ окисление железа до Fe 2+ в начале коррозии, только потом, со временем, происходит доокисление до Fe 3+ .
Продукт коррозии Fe (OH ) 2 + O 2 → Fe (OH ) 3 или Fe 2 O 3 · nH 2 O бурая ржа .
ВЫВОД: коррозия (окисление) металла всегда анодный процесс, а на катоде происходит восстановление среды.
Многие концентрированные кислоты пассивируют (блокируют, резко уменьшают скорость коррозии) многие металлы. Так концентрированная серная кислота пассивирует железо: на поверхности образуется плотная тонкая пленка FeSO 4 , которая препятствует проникновению серной кислоты.
Влияние водородного показателя на скорость коррозии.
График 1 для металлов Al , Zn , Sn , Pb . Эти металлы устойчивы в нейтральной среде за счет амфотерности (стоят между истинными металлами и неметаллами в таблице Менделеева) и продукты коррозии реагируют и с кислотами и со щелочами. Таким образом, необходимо подготавливать воду для работы с теплообменниками из алюминия (поправка: Al устойчив при рН=7; Pb при рН=8; Sn при рН=9; характер кривой тот же).
скорость V КОР
коррозии
V КОР
| |
0 7 pH 0 7 pH
График 1. График 2.
На графике 2 представлена кривая для железа: он устойчив в сильнощелочных средах.
Способы защиты металлов от коррозии.
- Легирование металлов введение металлических добавок в основной металл, с целью получения новых свойств: а) увеличение твердости рельсы, колесо Mn , W , Zn , Cr , Mo и т.д.; б) усиление коррозионной устойчивости различные типы нержавеющей стали; в) появление пластичности и мягкости; г) ферромагнитные свойства.
- Введение ингибиторов коррозии веществ, которые уменьшают агрессию среды: поглотители кислорода в растворе Na 2 SO 3 ; катодные замедлители образуют пленку на металле (хроматы, бихроматы K 2 Cr 2 O 7 , нитриты и т. д.); для кислых сред применяют органические соединения (катапин).
- Неметаллические покрытия : лаки, краски, смазки, воски, пасты, полимеры, резины, эбониты. Защита резиной и эбонитом называется гуммированием.
- Электрохимическая защита : а) металлические покрытия ; б) протекторная защита; в) катодная защита.
- Защита от блуждающих токов : считается что 50% коррозии на ж/д транспорте происходит за счет блуждающих токов, подвергаются все части подвижного состава и то, что находится в земле. Идея защиты состоит в отведении части токов через направляющие в земле, которые подсоединены к диоду, который организует прохождение тока в одном направлении (отсос).
- Защита от микробиологической коррозии : лаки- краски на основе полимеров, воздухообмен, температурный режим не выше 20 0 С и влажность не более 80%, консерванты с применением ингибиторов, протекторная и катодная защита.
Протекторная защита: I - стальная конструкция, Катодная защита: I - труба с покрытием,
2- протектор, 3- наполнитель, 4- электрический 2- соединительные провода, 3- источник
контакт с конструкцией, 5 контрольно- постоянного тока, 4- анод.
измерительный вывод (I ПЗ ток протекторной Механизм: электролиз
защиты). Механизм: ГЭ
При протекторной (анодной) электрохимической защите к защищаемой конструкции металла присоединяют протектор - металл с более отрицательным значением электродного потенциала . Активность металла, выбранного в качестве защиты, может быть оценена радиусом действия протектора, т.е. тем расстоянием, на которое распространяется действие выбранного металла. Для протекторной защиты стали используется чаще всего цинк, а также алюминий, кадмий и магний. Радиус действия протекторной защиты составляет примерно 50 м.
При защите кабелей, трубопроводов и других конструкций, находящихся в грунте, протекторы из цинка устанавливаются в заполнитель состава: 25%CaSO 4 ·2Н 2 О, 28%Na 2 SО 4 · 10 Н 2 О, 50%глины. Протекторы для установки в грунт обычно изготовляют в виде цилиндров. Для контакта с соединительным проводом, который обычно припаивается, в протекторе имеется стальной оцинкованный сердечник.
Скорость коррозии при анодной защите может быть снижена до минимальной величины, соответствующей току полной поляризации, но никогда не уменьшается до нуля, как в случае катодной защиты.
Катодная электрохимическая защита применяется для предохранения металлических изделий, находящихся в почве. Она осуществляется присоединением металлоконструкций к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока. При катодной защите в качестве вспомогательного электрода (анода) используют нерастворимые материалы (графит, уголь) или растворяющийся металлический лом (рельсы, старые трубы), который периодически нужно возобновлять. В случае борьбы с подземной коррозией положительный полюс внешнего источника тока заземляют. Радиус действия катодной защиты составляют около 2 км.
Защита от блуждающих токов : I выпрямительная подстанция, 2- воздушная контактная сеть, 3- рельсы, 4- почва, 5- блуждающий ток, 6- трубопровод, 7- диод, 8- металлическая перемычка.
Для защиты подземных металлических сооружений от разрушения блуждающими токами используется электродренажная защита . Она осуществляется соединением металлическим проводником анодного участка подземного сооружения (трубы) с источником блуждающих токов, например, рельсом. Ток проходит по металлическому проводнику, вследствие чего устраняется разность потенциалов земля-рельс, а значит, и опасность коррозии. Так как на электрифицированных железных дорогах ток часто может менять свое направление, то для большей надежности защиты применяют поляризованный электрический дренаж. Для этого в металлические соединения включают выпрямитель, например, кремниевый или германиевый диод, который гарантирует прохождение тока только в нужном направлении.
ЭЛЕКТРОЛИЗ
Это превращение вещества под действием электрического тока. При этом на катоде восстанавливаются положительные частицы (катионы) , а на аноде окисляются отрицательные частицы (анионы ).
При электролизе применяются растворимые (металлические) и нерастворимые (угольные) электроды. Растворимость электрода важна только для анодного процесса . По умолчанию применяются угольные электроды.
Первый закон Фарадея .
При пропускании через раствор или расплав вещества количества электричества 1 F = 96500 Кл на катоде и на аноде выделяется по одному эквиваленту продуктов электролиза.
Второй закон Фарадея.
Масса или объем продукта электролиза прямо пропорционально зависит от силы тока, времени пропускания электричества и природы продукта электролиза.
и,
Где I сила тока , А; t время, с ; Э прод массовый эквивалент , г; Э V прод объемный эквивалент, л. Выход по току
Для электролиза характерны высокие значения выхода по току: 97- 99%.
Электролиз применяется для получения высокочистых веществ, металлов, для нанесения покрытий, гальваностегия, гальванопластика, разделение смесей веществ, для проведения электрокоагуляции, для выработки водорода как альтернативного топлива, в катодной защите от коррозии и т.д..
Правила написания уравнений электролиза для водных растворов.
- Восстановление катионов на катоде.
а) Если металл соли стоит в «ряду напряжений» до Al включительно, то на катоде восстанавливается водород из воды, а металл остается в растворе:
К 2Н + + 2ē → Н 0 2
б ) Если металл соли стоит в «ряду напряжений» от Ti до Н включительно, то на катоде восстанавливается и водород из воды и металл:
К 2Н + + 2ē → Н 0 2 и Cr 3+ + 3ē → Cr 0
в) Если металл соли стоит в «ряду напряжений» после водорода, то на катоде восстанавливается один металл:
К Ag + + 1 ē → Ag 0
- Окисление анионов на аноде
а) для нерастворимых (угольных) электродов :
S 2- , I - , Br - , Cl - , OH - , NO 3 - , SO 4 2- , PO 4 3-
возрастание трудности окисления анионов.
б) для растворимых(металлических) электродов :
анионы соли остаются в растворе, а окисляется материал растворимого металлического анода .
PAGE 7
катион
+
анион −
Химически чистая вода обладает хотя и ничтожной, но измеримой электропроводностью, так как вода в незначительной степени диссоциирует на ионы. Так при комнатной температуре лишь примерно одна из 10 8 молекул воды находится в диссоциированной форме. Процесс электролитической диссоциации воды возможен благодаря достаточно высокой полярности связей О-Н и наличию между молекулами воды системы водородных связей. Уравнение диссоциации воды записывается так:
2H 2 O ↔ H 3 O + + OH - ,
где H 3 O + - катион гидроксония водорода.
Уравнение диссоциации воды можно записать в более простой форме:
H 2 O ↔ H + + OH - .
Присутствие в воде ионов водорода и гидроксида придают ей специфические свойства амфолита, т.е. способность выполнять функции слабой кислоты и слабого основания. Константа диссоциации воды при температуре 22 0 С:
где и – равновесные концентрации в г-ион/л соответственно катионов водорода и гидроксо-анионов, а – равновесная концентрация воды в моль/л. Учитывая, что степень диссоциации воды чрезвычайно мала, равновесную концентрацию недиссоциированных молекул воды вполне можно приравнять к общему количеству воды, заключающемуся в 1 л ее:
Теперь выражение (1) можно записать в следующем виде:
отсюда = (1,8 10 -16) 55,56 = 10 -14 г-ион 2 /л 2 .
Произведение концентраций ионов водорода и гидроксо-ионов является константой не только для воды, но и для водных растворов солей, кислот и щелочей. Эта величина называется ионным произведением воды или константой воды. Следовательно: К Н2О = = 10 -14 г-ион 2 /л 2 .
Для нейтральных сред = = 10 -7 г-ион/л. В кислых средах > , а в щелочных < . При этом в любых средах произведение концентраций ионов водорода и гидроксо-ионов при данной температуре остается постоянным и равным 10 -14 г-ион 2 /л 2 . Таким образом, пользуясь ионным произведением воды, любую реакцию среды (нейтральную, кислую или щелочную) можно количественно выразить при помощи концентрации водородных ионов.
1.2. Водородный показатель – рН
Для количественной характеристики реакции среды обычно приводят не концентрации водородных ионов, а применяют некоторый условный показатель, обозначаемый через рН и называемый водородным показателем. Он представляет собой отрицательный десятичный логарифм концентрации катионов водорода рН = - lg .
Для нейтральной среды рН = -lg 10 -7 = 7;
для кислотной - рН < 7;
для щелочной - рН >7.
Аналогично вводится понятие гидроксильного показателя рОН = - lg [ОH - ].
рН + рОН = 14.
Определение рН имеет колоссальное значение в технике и, в частности, в строительном деле. Обычно величину рН измеряют при помощи индикаторов - веществ, способных менять свою окраску в зависимости от концентрации ионов водорода. Индикаторами являются слабые кислоты и основания, молекулы и ионы которых окрашены в разный цвет (табл. 1).
Таблица 1
Однако индикаторы дают не точное определение значения рН, поэтому современные измерения рН производятся при использовании электрохимических методов, точность которых составляет ±0,01 единицы рН.
Иомнное произведемние водым -- произведение концентраций ионов водорода Н+ и ионов гидроксида OH? в воде или в водных растворах, константа автопротолиза воды. Вывод значения ионного произведения воды
Вода, хотя и является слабым электролитом, в небольшой степени диссоциирует:
H2O + H2O - H3O+ + OH?илиH2O - H+ + OH?
Равновесие этой реакции сильно смещено влево. Константу диссоциации воды можно вычислить по формуле:
Концентрация ионов гидроксония (протонов);
Концентрация гидроксид-ионов;
Концентрация воды (в молекулярной форме) в воде;
Концентрация воды в воде, учитывая её малую степень диссоциации, величина практически постоянная и составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55,56 моль/л.
При 25 °C константа диссоциации воды равна 1,8Ч10?16моль/л. Уравнение (1) можно переписать как: Обозначим произведение K· = Kв = 1,8Ч10?16 моль/л·55,56 моль/л = 10?14мольІ/лІ = · (при 25 °C).
Константа Kв, равная произведению концентраций протонов и гидроксид-ионов, называется ионным произведением воды. Она является постоянной не только для чистой воды, но также и для разбавленных водных растворов веществ. C повышением температуры диссоциация воды увеличивается, следовательно, растёт и Kв, при понижении температуры -- наоборот. Практическое значение ионного произведения воды
Практическое значение ионного произведения воды велико, так как оно позволяет при известной кислотности (щёлочности) любого раствора (то есть при известной концентрации или ) найти соответственно концентрации или . Хотя в большинстве случаев для удобства представления пользуются не абсолютными значениями концентраций, а взятыми с обратными знаком их десятичными логарифмами -- соответственно, водородным показателем (pH) и гидроксильным показателем (pOH).
Так как Kв -- константа, при добавлении к раствору кислоты (ионов H+), концентрация гидроксид-ионов OH? будет падать и наоборот. В нейтральной среде = = моль/л. При концентрации > 10?7 моль/л (соответственно, концентрации < 10?7 моль/л) среда будет кислой; При концентрации > 10?7 моль/л (соответственно, концентрации < 10?7 моль/л) -- щелочной.
Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель рН
Вода представляет собой слабый амфотерный электролит:
Н2О Н+ + ОН-или, более точно:2Н2О Н3О+ + ОН-
Константа диссоциации воды при 25оС равна: Такое значение константы соответствует диссоциации одной из ста миллионов молекул воды, поэтому концентрацию воды можно считать постоянной и равной 55,55 моль/л (плотность воды 1000 г/л, масса 1 л 1000 г, количество вещества воды 1000г:18г/моль=55,55 моль, С=55,55 моль: 1 л = 55,55 моль/л). Тогда
Эта величина постоянная при данной температуре (25оС), она называется ионным произведением воды KW:
Диссоциация воды - процесс эндотермический, поэтому с повышением температуры в соответствии с принципом Ле-Шателье диссоциация усиливается, ионное произведение возрастает и достигает при 100оС значения 10-13.
В чистой воде при 25оС концентрации ионов водорода и гидроксила равны между собой:
10-7 моль/л Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксила равны между собой, называются нейтральными. Если к чистой воде прибавить кислоту, концентрация ионов водорда повысится и станет больше, чем 10-7 моль/л, среда станет кислой, при этом концентрация ионов гидроксила мгновенно изменится так, чтобы ионное произведение воды сохранило свое значение 10-14. Тоже самое будет происходить и при добавлении к чистой воде щелочи. Концентрации ионов водорода и гидроксила связаны между собой через ионное произведение, поэтому, зная концентрацию одного из ионов, легко вычислить концентрацию другого. Например, если = 10-3 моль/л, то = KW/ = 10-14/10-3 = 10-11 моль/л, или, если = 10-2 моль/л, то = KW/ = 10-14/10-2 = 10-12 моль/л. Таким образом, концентрация ионов водорода или гидроксила может служить количественной характеристикой кислотности или щелочности среды.
На практике пользуются не концентрациями ионов водорода или гидроксила, а водородным рН или гидроксильным рОН показателями.Водородный показатель рН равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода:
Гидроксильный показатель рОН равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов гидроксила:
рОН = - lg
Легко показать, прологарифмировав ионное произведение воды, что
рН + рОН = 14
Если рН среды равен 7 - среда нейтральная, если меньше 7 - кислая, причем чем меньше рН, тем выше концентрация ионов водорода. pН больше 7 - среда щелочная, чем больше рН, тем выше концентрация ионов гидроксила. Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но всё же обладает измеримой электропроводностью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы. По величине электропроводности чистой воды можно определить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в воде.
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул в воде практически равна общей концентрации воды, поэтому из выражения для константы диссоциации воды получакм, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется ионным произведением воды.
Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными. В кисдых растворах больше ионов водорода, в щелочных - гидроксид-ионов. Но произведение их концентраций всегда постоянно. Это означает, что если известна концентрация ионов водорода в водном растворе, то тем самым и определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому как степень кислотности, так и степень щёлочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода:
Кислотность или щёлочность раствора можно выразить более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают её десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Последняя величина называется водородным показателем и обозначается рН:. Отсюда ясно, что в нейтральном растворе pH=7; в кислых растворах рН<7 и тем меньше, чем кислее раствор; в щелочных растворах рН>7, и тем больше, чем больше щёлочность раствора.
Для измерения рН существуют различные методы. Приближённо реакцию раствора можно определить с помощью специальных реакторов, называемых индикаторами, окраска которых меняется в зависимости от концентрации ионов водорода. Наиболее распространены метиловый оранжевый, метиловый красный, фенолфталеин и лакмус.
