VI. Применение комплексных соединений в электрохимических системах

Опыт 6. 1 Влияние комплексообразования на контактное вытеснение ме­ди металлами из растворов ее солей

При погружении металла А в раствор, содержащий ионы металла В, проис­ходит контактное вытеснение металла В из раствора, если потенциал А ниже, чем потенциал В. Например, при погружении железа в раствор, содержащий ионы серебра, происходит контактное вытеснение серебра, которое осаждается на поверхности железа, а ионы железа переходят в раствор:

Fe + 2Ag⁺ Fe²⁺ + 2Ag.

Так как потенциал металла в растворах его комплекса существенно отлича­ется от потенциала металла в растворе без лигандов (или, точнее, в растворе аквакомплекса), то наличие лигандов в растворе влияет на контактное вытеснение металлов.

Приготовьте растворы следующих составов:

1. CuSO₄ ^. 5Н₂0, 0,25моль/л + H₂SO₄, 0,1 моль/л;

2. CuSO₄ ^. 5Н₂0, 0,1 моль/л + NH₄OH, 0,5 моль/л.

Приготовьте две пробирки, в одну из них налейте на ²/₃ раствор 1, в дру­гую - раствор 2.

Зачистите наждачной бумагой стальные полоски (стержни или проволоку) и промойте их проточной водой. Опустите в пробирки с растворами 1 и 2 по одной полоске. Через 5 мин выньте образцы и опишите, как изменился их внешний вид. Затем образец, вынутый из пробирки с раствором 1, поместите на 5 мин в пробирку с раствором 2 и отметьте, как изменился его внешний вид.

Запись данных опыта:

а) рассчитайте равновесный потенциал меди в растворе 1, принимая ак­тивность ионов меди равной концентрации, и сравните этот потенциал с со стандартным потенциалом железа. Запишите уравнение реакции, протекающей на поверхности стального образца при погружении его в раствор 1;

б) запишите уравнение реакции, протекающей при добавлении NH₄OH к раствору CuSO₄ и рассчитайте концентрацию комплекса и свободного лиганда, пренебрегая изменением концентрации лиганда и комплекса при диссоциа­ции последнего;

в) рассчитайте равновесный потенциал меди в растворе 2, принимая активность ионов и молекул равными их концентрациям;

г) объясните причину различного поведения стали в растворах 1 и 2;

д) объясните, какая реакция и почему происходит при погружении в раствор 2 стального образца, вынутого из раствора 1.

Опыт 6.2. Концентрационный элемент

Свойства комплексов лежат в основе работы концентрационных элемен­тов, у которых один электрод погружен в раствор обычной соли металла (хло­рида или сульфата), а другой - в водный раствор комплексной соли этого же металла.

Приготовьте растворы состава:

1)CuSO₄ ^. 5H₂O, 0,l моль/л;

2)CuSO₄ ^. 5Н₂О, 0,1 моль/л + En, 0,4 моль/л.

Залейте указанные растворы в стакан (1/2 объема) гальванического эле­мента и соедините их электролитическим ключом. Погрузите в стаканы мед­ные электроды, предварительно зачищенные наждачной бумагой и промытые водой. Подключите к электродам вольтметр и определите напряжение элемен­та. Увеличьте концентрацию лиганда в растворе 2 до 0,5 моль/л и снова опре­делите напряжение элемента.

При оформлении результатов опыта:

а) запишите формулу комплекса, образующегося в растворе 2, определи­те концентрацию комплекса и свободного лиганда в этом растворе (с первона­чальным и увеличенным содержанием лиганда), пренебрегая изменением концентрации лиганда и комплекса из-за диссоциации последнего;

б) рассчитайте равновесные потенциал электродов в растворах, прини­мая активности ионов и молекул равными концентрациям. Определите (по по­тенциалам) анод и катод элемента. Запишите уравнение анодных и катодных реакций;

в) рассчитайте причину изменения напряжения элемента при увеличении концентрации лиганда у одного из электродов. Рассчитайте, как изменились ЭДС при увеличении концентрации лиганда в растворе.

Опыт 6.3. Влияние лигандов на напряжениегальванического элемента

Соберите медно-цинковый гальванический элемент Даниэля-Якоби.

Сu | CuSO₄ | | ZnSO₄ | Zn

Для этого в один из стаканов залейте (1/3 объема) 0,1 М раствор сульфа­та меди, а в другой стакан - такое же количество 0,1 М раствора сульфата цинка. Соедините стаканы электролитическим ключом. В стакан с сульфатом меди введите медный электрод, в стакан с сульфатом цинка - цинковый и через 5 мин замерьте напряжение элемента.

В стакан с раствором сульфата меди прилейте этилендиамин в таком количестве, чтобы его общая концентрация была равна 0,4 моль/л. Проследите, чтобы уровень растворов в стаканах был одинаков. Через 5 мин измерьте напряжение элемента. Затем в стакан с сульфатом цинка добавьте этилендиамин до концен­трации 0,4 моль/л. Через 5 мин замерьте напряжение элемента.

Запишите формулы образующихся комплексов. Рассчитайте:

а) концентрации комплексов и свободных лигандов, пренебрегая изменени­ем концентраций лигандов и комплекса из-за диссоциации последнего;

б) равновесные потенциалы электродов, принимая активности ионов и мо­лекул, равными их концентрациям;

в) ЭДС элементов.

Запишите уравнения анодных и катодных реакций. Результаты опыта и рас-четов запишите в таблицу 1.

Таблица1

Электрохимическая система	Напряжение, В	Кнест комплекса	Концентрация, моль/л	равновесный потенциал, В	ЭДС, В
комплекса	свободного лиганда	меди	цинка