Контрольная работа по "Химии"

В любой окислительно-восстановительной  реакции принимают участие две  сопряжённые окислительно-восстановительные пары, между которыми имеет место конкуренция за электроны, в результате чего протекают две полуреакции: одна связана с присоединением электронов, т.е. восстановлением, другая — с отдачей электронов, т.е. окислением.

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал, т.е. потенциал, измеренный или чаще вычисленный при стандартных условиях. 

 

В стандартных условиях концентрации всех частиц в растворе по определению  равны 1 моль/л, и второе слагаемое  в правой части уравнения обращается в нуль.  

В нестандартных условиях, когда хотя бы одна из концентраций не равна 1 моль/л, определяемый уравнением Нернста потенциал отличается от стандартного. Потенциал в нестандартных  условиях часто называют реальным потенциалом. 

 

Термином «электрохимический потенциал», строго говоря, пользоваться не рекомендуется, так как он закреплен за другой величиной (суммой химического потенциала иона и произведением его заряда на электрический потенциал).

 

Если в ОВР принимают  участие один или несколько газов, их стандартными состояниями являются состояния при давлении 1 атм = 101300 Па. Температура при определении стандартных состояний и стандартных потенциалов не стандартизуется и может быть любой, но таблицы стандартных потенциалов в справочниках составлены для Т=298 К (25 ^оС).

Окислительно-восстановительные условия  имеют важное таксономическое значение для геохимической классификации вод и ландшафтов. Это объясняется огромным энергетическим эффектом окислительно-восстановительных реакций, коренным образом меняющим геохимическую обстановку в водах.

Данные Еh природных вод позволяют судить о миграционной способности элементов и, наоборот, по условиям миграции хотя бы одного элемента с переменной валентностью можно говорить о величине Еh вод (а следовательно и о миграции в них других элементов). Так, низкая величина Еh в северных болотах определяет миграцию в них железа двухвалентного, кобальта двухвалентного, никеля двухвалентного. Кислородные щелочные почвенные и грунтовые воды степей и пустынь неблагоприятны для миграции железа двухвалентного, который в них находится в форме трехвалентного, образующей труднорастворимые минералы. Такие воды благоприятны для миграции селена, молибдена, урана, входящих в состав комплексных анионов.

В ландшафте Еh обычно колеблется от +0,7 до – 0,5 В. Поверхностные и грунтовые  воды, содержащие свободный кислород, чаще всего имеют более узкий  интервал Еh – от +0,150 до +0,700 В. Трещинно-грунтовые  воды изверженных пород даже на глубине 250-300 м имеют Еh более 0. Еh солончаков или соляных озер, болот часто  значительно ниже 0, местами до –1,5 В. В этих условиях развиваются процессы восстановления SO₄^2-, Fe³⁺ и других ионов.

Окислительная обстановка характеризуется присутствием в водах свободного кислорода, поступающего из воздуха за счет естественной растворимости или за счет фотосинтеза водных растений. Еh выше 0,15 В, часто выше 0,4 В. Железо чаще всего находится в форме трехвалентного железа.

 

Восстановительная глеевая обстановка без H₂S (класс глеевых вод) создается в пресных водах, не содержащих или мало содержащих свободного кислорода и богатых органическими остатками. Микроорганизмы окисляют органические вещества за счет кислорода органических и неорганических соединений. В водах появляются метан, железо двухвалентное, водород, марганец и другие ионы и соединения.

Так как воды содержат мало SO₄^2- , то сероводород не образуется или образуется в очень малых количествах; высокую подвижность приобретают железо и марганец, отчасти и другие металлы, входящие в состав органических комплексов. В почвах, осадках и коре выветриванияразвивается оглеение.

Эти воды особенно характерны для болот тундр, тайги, широколиственных лесов,влажных тропиков и лесостепи (Еh ниже +0,4 В, местами ниже 0). Цвет оглеенных почв и пород белый, сизый, серый, зеленый, пестрый (с охристыми пятнами).

Восстановительная сероводородная обстановка с H₂S (класс сероводородных (сульфидных) вод) создается в бескислородных водах, богатых SO₄^2-, где микробиологическое окисление органических веществ осуществляется частично за счет восстановления сульфатов (десульфуризации).

Появление в  водах H₂S (иногда до 2 г/л и более) приводит к осаждению металлов. Оглеение не развивается. В геохимическом отношении данная обстановка противоположна предыдущей. Величины Еh низкие, часто ниже 0, причем Еh может быть таким же, как и во втором классе. Следовательно, только величина Еh не определяет условий миграции элементов: при одном и том же Еh, но при разном содержании сероводорода элемент может и мигрировать, и осаждаться.

Сероводородные  воды характерны для солончаков и  илов соленых озер степей и пустынь, для глубоких подземных воднекоторых районов, для побережий, подпитываемых морскими водами (например, для мангров) и других условий.

Расчет окислительно – восстановительного показателя (rH₂) воды, величину окислительно – восстановительного потенциала E_h по величине рН и содержанию растворенного в воде кислорода (P₀₂)^-, с указанием преобладающих процессов в воде (окислительных или восстановительных)

рН	P02, мг/л
4,0	7,45

Для характеристики окислительно – восстановительных свойств  воды приняты величины E_h - окислительно – восстановительный потенциал и rH₂ = -lg pH, (отрицательный десятичный логарифм давления молекулярного водорода, причем давление выражено в атмосферах). Соотношение E_h – рН обычно является линейным и имеет вид

 

Величины Е₀ равны для сильнокислой среды 1,234В, нейтральной 0,825В и сильнощелочной 0,407В.

А rH₂ связано с E_h формулой:

Решение: Величина Е₀ формулы связывающей E_h и рН, равна в этом случае 1,234В. Найдем значение E_h:

 

Рассчитаем rH₂

 

Восстановительные процессы в данном водоеме протекают слабее, чем окислительные, о чем говорит величина rH₂ = 43, что больше рубежного значения 28,0.

 

Задача 39. Представление в общем виде строения мицеллы коллоидного раствора. Формулировка правила, определяющего коагуляцию коллоидных растворов электролитами.

Коллоидные системы состоят  из дисперсной фазы и дисперсионной  среды. Частицу дисперсной фазы вместе с окружающим ее двойным электрическим  слоем называют мицеллой.Мицелла – сложное структурное образование, состоящее из агрегата, отенциалопределяющих ионов и противоионов.Внутреннюю часть мицеллы составляет  агрегат основного вещества. Как правило, агрегат состоит из большого числа молекул или атомов кристаллического или аморфного строения. Агрегат электронейтрален, но обладает большой адсорбционной способностью и способен адсорбировать на своей поверхности ионы из раствора – потенциалопределяющие ионы (ПОИ). При выборе потенциалопределяющих ионов пользуются эмпирическим  правилом Фаянса-Панета-Пескова: «На твердой поверхности агрегата в первую очередь адсорбируются ионы, которые:

1. входят в состав агрегата;

2. способны достраивать кристаллическую решетку агрегата;

3. образуют малорастворимое соединение с ионами агрегата;

4. изоморфны с ионами  агрегата;

Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет  ядро мицеллы. Ядро мицеллы,  обладающее большим зарядом, притягивает ионы противоположного заряда – противоионы (ПИ) из раствора.

Часть противоионов находится  в непосредственной близости от ядра, прочно связана с ним за счет адсорбционных и электростатических сил, и образует плотную часть двойного электрического слоя (адсорбционный слой).

Ядро с противоионами  плотной асти двойного электрического слоя образуют  гранулу или коллоидную частицу. Знак заряда коллоидной частицы определяется знаком заряда потенциалопределяющих ионов. Коллоидную частицу (гранулу) окружают  противоионы диффузного слоя – остальная часть 13противоионов, подвергающихся броуновскому движению и менее прочно связанных с ядром.

В целом образуется мицелла. Мицелла в отличие от коллоидной частицы электронейтральна.

Строение коллоидной мицеллы.

Коагуляцией называется процесс слипания частиц с образованием крупных агрегатов. В результате коагуляции система теряет свою седиментационную устойчивость, так как частицы становятся слишком крупными и не могут участвовать в броуновском движении.

Коагуляция  является самопроизвольным процессом, так как она приводит к уменьшению межфазной поверхности и, следовательно, к уменьшению свободной поверхностной энергии.

Различают две стадии коагуляции.

1 стадия - скрытая коагуляция. На этой  стадии частицы укрупняются, но  еще не теряют своей седиментационной устойчивости.

2 стадия - явная коагуляция. На этой стадии  частицы теряют свою седиментационную устойчивость. Если плотность частиц больше плотности дисперсионной среды, образуется осадок.

Причины коагуляции многообразны. Едва ли существует какое либо внешнее воздействие, которое при достаточной интенсивности не вызывало бы коагуляцию.

Правила коагуляции:

Все сильные электролиты, добавленные  к золю в достаточном количестве, вызывают его коагуляцию.

Минимальная концентрация электролита, при которой  начинается коагуляция, называется порогом коагуляции C_k.

Иногда  вместо порога коагуляции используют величину V_K, называемую коагулирующей способностью. Это объем золя, который коагулирует под действием 1 моля электролита: т.е. чем меньше порог коагуляции, тем больше коагулирующая способность электролита.

 

Подбор для  указанных в таблице коллоидных растворов самого сильного коагулятора из числа приведенных:   NaCl,  Na₂SO₄,  CaCl₂,  AlCl₃,  Na₃PO₄.

Ядро частицы	Потенциалоопредиляющий  ион	Противоион
MnS	HS-	Na2+

 

Решение: В соответствии с правилом Панета и Фаянса потенциалоопредиляющими ионами будут ионы S^2-, поскольку они входят в состав ядра мицеллы золя MnS.

Схема строения мицеллы золя MnS    может быть представлена в виде формулы:

                                   Адсорбционный          диффузный слой

(m[MnS])      nHS^2-    ((n-1)Na²⁺)     x Na²⁺

      Ядро          потенциало-             противоионы

                      определяю-

                       щие ионы

 

     коллоидная  частица

                                         мицелла

где m – количество молекул в ядре частицы;

n – количество потенциалопределяющих ионов;

(n – 1) – количество противоионов, входящих в адсорбциооный слой;

х – количество противоионов, образующих внешний, диффузионный слой ионов.

Отсюда наиболее сильным  коагулятором, из числа приведенных, является Na₂SO₄.

 

Задача 47. Перечисление основных видов ионов, содержащихся в природных водах. Классификация природных вод по преобладающим в них ионам по Алекину. Какими ионами обусловлена жесткость воды (временная и постоянная)?

Жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция (Са2+), магния (Mg2+), стронция (Sr2+), бария (Ва2+), железа (Fe3+), марганца (Mn2+). Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов – и даже их суммы.

Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция  и магния – общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой  кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция  и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Однако при значении жесткости воды более 9 ммоль/л нужно  учитывать содержание в воде стронция и других щелочноземельных металлов.  

По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом.  

В России жесткость воды выражают в ммоль/л. 

В жесткой воде обычное натриевое мыло превращается (в присутствии ионов кальция) в нерастворимое «кальциевое мыло», образующее бесполезные хлопья. И, пока таким способом не устранится вся кальциевая жесткость воды, образование пены не начнется. На 1 ммоль/л жесткости воды для такого умягчения воды теоретически затрачивается 305 мг мыла, практически – до 530. 

Но, конечно, основные неприятности – от накипеобразования. Международные своды нормативов качества воды не нормируют жесткость воды – только отдельно содержание в воде ионов кальция (Са2+) и магния (Mg2+): нормы качества питьевой воды Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), такие же нормы Европейского Союза (ЕС), стандарты ИСО, а также Национальные нормы питьевой воды США. 

По значению общей жесткости природные воды делят на группы

	Группа воды Единица измерения, моль/л Очень мягкая До 1,5 Мягкая Более 1,5 до 4,0 Средней жесткости Более 4,0 до 8,0 Жесткая Более 8,0 до 12,0 Очень жесткая Более 12,0