М-21 хімія 30.09.22

 30.09.2022

Комбіноване заняття (2 год.)

Тема 8.3. Гідроліз солей. Гальванічний елемент.

Опрацювати: Хімія 11 клас (за посиланням «Підручники»), §§12, 13 с.65-79 

Виконати (письмово):

1. Відповісти на запитання, що зустрічаються по ходу лекції.

2. У чому полягає суть гідролізу солі?

3. У наведеному переліку виберіть формули солей, що зазнають гідролізу: BaCl₂, KNO₃, HCOONH₄, Al₂(SO₄)₃, Na₂SO₃.

4. Складіть молекулярні та йонно-молекулярні рівняння гідролізу таких солей:

а) барій ацетату;

б) плюмбум нітрату.

5. Що таке гальванічний елемент?

6. Що робити з використаною батарейкою?

 

При вивченні властивостей органічних речовин ви дізналися, що за певних умов жири, вуглеводи, білки зазнають гідролізу, тобто взаємодіють з водою. Такі процеси відбуваються при нагріванні й наявності кислоти або лугу, а в живих організмах — за участю ферментів. Під час гідролізу жирів утворюються гліцерин і карбонові кислоти, сахароза за дії води перетворюється на глюкозу і фруктозу, а кінцевими продуктами гідролізу білків є амінокислоти:

білок →поліпептиди →дипептиди →амінокислоти.

Гідроліз солей відрізняється від гідролізу органічних речовин, оскільки відбувається в гідратованих йонах, що утворюються під час розчинення солі у воді.

У гідратних оболонках деяких йонів за дії катіона чи аніона солі ковалентний зв’язок у молекулі води Н–ОН руйнується. В одному випадку йон Н⁺, що утворюється при цьому, сполучається з аніоном солі, а йон ОН^– надходить у розчин. В іншому випадку відбувається протилежне — йон ОН^– з’єднується з катіоном солі, а в розчині з’являється йон Н⁺. Такою є суть гідролізу солей, унаслідок якого в розчинах виникає лужне або кисле середовище.

Залежно від особливостей гідролізу виокремлюють три типи солей (за їх походженням):

І тип                                    ІІ тип                                                  IІІ тип

CH₃COONa                         NН₄Cl                                              CH₃COONН₄

CH₃COOH /NaОН          NH₄OH/ НCl                                   CH₃COOH/ NН₄ОН

слабка       сильна        слабка    сильна                                слабка      слабка

кислота     основа        основа    кислота                              кислота     основа

 

Гідроліз солей І типу, утворених сильною основою і слабкою кислотою. Розглянемо взаємодію з водою натрій ацетату CH3COONa. Водний розчин цієї солі містить йони Na⁺ і CH3COO^–. Частина ацетат-іонів (вони походять від слабкої кислоти) взаємодіє із молекулами води з утворенням молекул кислоти:

CH3COO^– + Н–ОН ↔ CH₃COOH + OH^–.

Йони ОН^–, що накопичуються в розчині натрій ацетату, забарвлюють індикатор у відповідний колір. Отже, середовище розчинів таких солей визначається сильним електролітом, від якого походить сіль.

Розчин солі, утвореної сильною основою і слабкою кислотою, має лужне середовище (значення рН > 7).

З молекулярного рівняння гідролізу натрій ацетату

CH₃COONa + Н–ОН ↔ CH3COOH + NaOH

випливає, що гідроліз солі можна класифікувати як реакцію обміну між сіллю і водою.

Взаємодія натрій ацетату з водою є оборотною реакцією, оскільки серед реагентів і продуктів наявні слабкі електроліти — вода і оцтова кислота.

Гідроліз солей ІІ типу, утворених слабкою основою і сильною кислотою. До солей цього типу належить амоній хлорид NН₄Cl. Розчин сполуки містить катіони NН₄⁺ і аніони Cl^–. Невелика частина йонів амонію (вони походять від

слабкої амонійної основи) взаємодіє з молекулами води, а в розчині з’являються йони Н⁺:

NН₄⁺ + НО–Н ↔ NН₄ОН + Н⁺.

Молекулярне рівняння гідролізу амоній хлориду:

NН₄Cl + Н–ОН ↔ NН₄ОН + НCl.

Отже, розчин солі, утвореної слабкою основою і сильною кислотою, має кисле середовище (значення рН < 7).

? У водному розчині якої солі — Na₂S чи NН₄NO₃ — значення рН менше 7?

 

Гідроліз солей ІІІ типу, утворених слабкими основою і кислотою. Розглянемо гідроліз солі такого типу на прикладі амоній ацетату

CH₃COONН₄. Катіони NН₄⁺ і аніони CH₃COO^– цієї солі походять від слабких електролітів, тому обидва йони реагують з молекулами води. Рівняння гідролізу цієї солі:

CH₃COO^– + NН₄⁺ + Н–ОН ↔ CH₃COOН + NН₄ОН;

CH₃COONН₄ + Н–ОН ↔ CH₃COOН + NН₄ОН.

Водний розчин амоній ацетату має нейтральне середовище (рН = 7), оскільки ступінь дисоціації оцтової кислоти й амонійної основи дуже малий і майже однаковий.

Залежно від здатності до дисоціації слабких електролітів середовище водних розчинів солей, утворених слабкими основою і кислотою, може бути нейтральним, слабколужним або слабкокислим.

Із наведених прикладів взаємодії солей з водою випливає висновок:

гідроліз солі — реакція солі з водою, продуктами якої є сполука основного характеру і сполука кислотного характеру.

Відношення до води солей, утворених сильними основою і кислотою. Сполуки цього типу складаються з катіонів і аніонів, які не вступають у хімічну реакцію з водою. Тому солі NaCl, K₂SO₄, Ba(NO₃)₂, LiI та багато інших не зазнають гідролізу. Водні розчини цих солей нейтральні.

Гідроліз солей у ґрунті. Малі кількості деяких солей містяться в ґрунтовому розчині. Їх гідроліз незначною мірою впливає на рН ґрунту. Наприклад, солі Натрію та Калію, що походять від органічних кислот, сприяють створенню слабколужного середовища в ґрунтовому розчині, а сульфати Алюмінію та

Феруму дають свій внесок у підкислення ґрунтів.

ВИС

         Гальванічний елемент — хімічне джерело електричного струму

Пристрої, які виробляють електричний струм завдяки перебігу в них окисно-відновних реакцій, називають хімічними джерелами струму.

До них належать гальванічні елементи. Головними їхніми складниками є активний метал, який виступає відновником, і деякі сполуки-окисники.

Гальванічний елемент є основою батарейки.

Інший вид хімічного джерела струму — акумулятор. Завдяки перебігу оборотної окисно-відновної реакції його можна багаторазово заряджати.

Вам відомі реакції, які називають окисно-відновними. Під час їх перебігу одні частинки (атоми, молекули, йони) втрачають електрони, а інші їх приєднують. До окисно-відновних реакцій належать, зокрема, реакції металів із солями.

Якщо занурити цинкову пластинку в розчин купрум(ІІ) сульфату, почнеться реакція

Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄.

Цинк поступово «розчинятиметься», а мідь осаджуватиметься на пластинці, а можливо, й осипатиметься з неї на дно посудини. Про такі реакції нерідко кажуть, що більш активний метал «витісняє» із солі менш активний.

Йонно-молекулярне рівняння цієї реакції:

Zn + Cu²⁺ = Cu + Zn²⁺.

Атоми Цинку виконують роль відновника, віддають електрони й перетворюються на катіони (Zn – 2e^– → Zn^2+). Йони Купруму — окисник; вони приєднують електрони й перетворюються на атоми (Cu²⁺ + 2e^–→Cu).

?Який процес є окисненням, а який — відновленням?

Англійський хімік Фредерік Деніел (1790—1845) спробував «роз’єднати» обидва процеси — окиснення й відновлення. Він налив в одну посудину розчин цинк сульфату, занурив у нього цинкову пластинку, а іншу посудину заповнив розчином купрум(ІІ) сульфату і помістив у нього мідну пластинку. Потім учений з’єднав пластинки дротиною, до якої приєднав гальванометр, а в обидва розчини помістив зігнуту трубку («електролітний місток»), заповнену драглеподібною сумішшю, яка містила розчин електроліту — солі лужного елементу. Гальванометр зафіксував появу в дротині електричного струму: електрони від цинку рухалися до міді. Цинк «розчинявся» в розчині цинк сульфату; атоми металу перетворювалися на катіони Zn²⁺. Маса мідної пластинки зростала внаслідок перетворення йонів Cu²⁺, які були в розчині купрум(ІІ) сульфату, на атоми міді, які осаджувалися на пластинці.

Описаний пристрій отримав назву гальванічного елемента. У ньому енергія хімічного перетворення (екзотермічної окисно-відновної реакції) перетворювалася на електричну енергію. Гальванічний елемент Деніела виробляв постійний електричний струм; на цинковій пластинці (аноді) був негативний електричний заряд, а на мідній (катоді) — позитивний заряд.

Пристрої, які виробляють електричний струм унаслідок перебігу в них окисно-відновних реакцій, називають хімічними джерелами струму.

Електролітний місток не лише забезпечує електричний контакт між двома розчинами.

Під час роботи гальванічного елемента в розчині солі CuSO₄ зменшується кількість катіонів Cu²⁺, а в розчині солі ZnSO₄ збільшується кількість катіонів Zn²⁺. Цей місток підтримує електронейтральність розчинів, постачаючи катіони Na⁺ в розчин CuSO₄ і аніони SO₄^2– в розчин ZnSO₄.

Зрозуміло, що використовувати елемент Деніела на практиці незручно. У ХІХ ст. було винайдено так звані сухі гальванічні елементи. Вони містять не розчини, а пастоподібні (вологі) суміші речовин. Найпоширенішим серед гальванічних елементів цього типу є манган-цинковий елемент, вперше виготовлений французьким інженером Жоржем Лекланше у 1865 р.

Існують хімічні джерела струму, які періодично заряджають від електричної мережі й використовують знову. Це акумулятори. Вони є в мобільних телефонах, ноутбуках, фотоапаратах, автомобілях.

Найпоширенішими є свинцеві, або кислотні, акумулятори. Їх робота ґрунтується на оборотній реакції розряджання-заряджання

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ↔ 2PbSO₄ + 2H₂O.

Деякі хімічні джерела струму, вироблені у другій половині ХХ ст., містили сполуки Кадмію, Меркурію, кількох інших елементів, які є токсичними. Нині їх не випускають, а на сучасних батарейках можна побачити позначки «Cd — 0 %», «Hg — 0 %».

У зв’язку з інтенсивним застосуванням хімічних джерел струму набула актуальності проблема їх утилізації. В багатьох країнах, у тому числі в Україні, використані батарейки збирають; контейнери для них розміщують у супермаркетах, закладах освіти. На спеціалізованих підприємствах із батарейок вилучають цинк, деякі сполуки.