Тотығу - тотықсыздану процестері

Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 21 бет
Таңдаулыға:

Ө.Сұлтанғазин атындағы Қостанай мемлекеттік педагогикалық университеті
Жаратылыстану - математика факультеті
Жаратылыстану ғылымдары кафедрасы

Тотығу-тотықсыздану процестері
Курстық жұмыс
5В011200 Химия мамандығы

Орындаған: Казымбекова З.Т
Ғылыми жетекшісі: Ардакова Э.А

Қостанай 2019

Мазмұны
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3
I. Тотығу-тотықсыздану процестері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4
1.1. Тотығу-тотықсыздану реакциялары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..5
1.2. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының теңдеулерін құру ... ... ... ... ... ... 6
1.3. Тотығу-тотықсыздануға ортаның әсері ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ..9
1.4. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының типтері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...11
1.5. Тотығу-тотықсыздану потенциалдары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..12
1.6. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының бағытын анықтау ... ... ... ... ... ...13
1.7. Тотығу-тотықсыздану процестеріне ерітінді рН-ның әсері ... ... ... ... ... .15
II. ТОТЫҒУ-ТОТЫҚСЫЗДАНУ РЕАКЦИЯЛАРЫНЫҢ АНАЛИЗДЕГІ МАҢЫЗЫ ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

Кіріспе
Аналитикалық химия-бұл заттардың химиялық, кейде фазалық құрамын, бізді қоршаған заттар және материалдарды, зерттелетін үлгінің құрамына кіретін молекулалардың құрылымдық және кеңістіктік құрылысын анықтайтын әдістер туралы ғылым. Аналитикалық химияның мақсаты және анықтау әдістерін зерттеу немесе белгілілерін жетілдіру, сондай-ақ анализдерді тәжірибе жүзінде іске асыру болып табылады. Сонымен қатар, аналитикалық химияның мақсаты анализдің, аналитикалық әдістердің теориялық негіздерін жан-жақты және кеңінен зерттеу, әр түрлі ортада элементтер мен олардың қосылыстарының болу формаларын, агрегаттық күйін оқып үйрену, координациялық қосылыстардың тұрақтылығын және құрылысын, құрамын анықтау, заттардың термиялық, оптикалық, электрохимиялық, магниттік және т.б. сипаттамаларын зерттеу. Химиялық реакциялардың жылдамдығы мен стехиометриясын, катализатордың және басқа әр түрлі факторлардың әсерін зерттеу маңызды құрам бөлігі болып табылады. Жасалған анализ методикасының метрологиялық аттестациядан өткізбей, ол методикалардың дәлдігі, қайталанғыштығы және дұрыстығы туралы айтуға болмайды.
Жалпы аналитикалық химияда бейорганикалық химияның теориялық не-гіздері массалар әсерінің заңының, гомогендік, гетерогендік процестерге қол-данылуы, қышқылдық - негіздік әрекеттесулер, гидролиз, тотығу-тотықсыздану процестері, комплексонометрия қарастырылып, әрі қарай аналитикалық химияда қолданылуы дамытылады. Осы бөлімдердің ішіндегі маңыздыларының бірі тотығу-тотықсыздану үрдістері. Себебі электролиз, потенциометрлік әдіс, өндірістік процестердің көпшілігі осы тотығу-тотықсыздану үрдістеріне негізделген. Осыған орай тотығу-тотықсыздану процестерін тереңірек түсіну өзекті мәселе болып табылады. Сондықтан курстық жұмыстың мақсаты тотығу-тотықсыздану процестері туралы әдебиеттер жинақтап, саралау. Ал тотығу-тотықсыздану процестерін тереңірек түсіну үшін, теңдеулер құру, тотығу-тотықсыздануға ортаның әсерін қарастыру, тотығу-тотықсыздану реакцияларының бағытын потенциал мәні бойынша анықтау қажеттігі туындайды.

1.1 Тотығу-тотықсыздану реакциялары туралы түсінік
Тотығу-тотықсыздану реакциялары (ТТР) - реакцияға қатысушы заттардың құрамындағы элементтердің тотығу дәрежелерінің өзгеруімен жүретін реакциялар. [1] 18 ғасырдың аяғында А.Лавуазье жанудың оттекті теориясын ұсынған кезден бастап тотығу заттардың оттекпен қосылуы, ал тотықсыздану оттекті бөліп алу процестері деп қаралған. 1920 - 1930 ж. химияда электрондық түсініктің қалыптасуына байланысты оттек қатыспайтын реакциялардың да тотығу-тотықсыздану реакциялар болатындығы анықталды. Тотығу-тотықсыздану реакциялар процестері көбінесе электрондық теңдеулермен өрнектеледі. Зарядтардың сақталу заңына қайшы келмес үшін тотығу-тотықсыздану реакциялар кезінде тотықтырғыштың қосып алған электрондар саны тотықсыздандырғыштың берген электрондар санына тең болуы керек деген жалпы ереже сақталады. Тотығу-тотықсыздану реакцияларын коэффиценттер қойып теңестірудің екі әдісі бар: электрондық баланс және электрон-ион. Электрондық баланс әдісі бойынша берілген және қосып алған электрондар саны элементтердің реакцияға дейінгі және реакциядан кейінгі тотығу дәрежесінің негізінде анықталады. Химиялық реакция кезінде әрекеттесуші заттар құрамындағы атомдар тотығу дәрежесін өзгерте жүретін реакциялар тотығу-тотықсыздану реакциялары деп аталады. Тотығу дәрежесінің өзгеруі әре-кеттесуші атомдар арасында электрондар алмасу жүретінін көрсетеді. Демек, бұл реакция кезінде бір атом электрон берсе, екінші атом оны қабылдайды.
Бейорганикалық химиядағы реакциялардың барлығын екіге бөлуге болады: 1)реакцияласушы элементтердің валенттігі өзгермей реакцияласу. 2)валенттігі өзгеріп реакцияласу. Біріншісіне жататын түрлі иондар арасын-дағы алмасу реакциялары, ол реакциялардың теңдіктерін де жазу оңай. Екін-шісіне жататын қосылу, ығыстыру және бір сыпыра, көбінесе, күрделі болып келетін, химиялық реакциялар. Реакцияласушы элементтердің валенттіктері-нің өзгеруі, реакция кезінде оның атомдарының, молекулаларының, ионда-рының электрондары бірінен-біріне ауысып кетуінен болады, ондайда олар-дың тотығу күйі (дәрежесі) өзгереді. Осындай реакцияларды тотығу-тотық-сыздану реакциялары деп атайды. Мысалы:

Mg + Cl2 = MgCl2

Тотығу дәрежесінің оң, теріс және нөлдік болуы мүмкін, әдетте оны араб сандарымен көрсетіп жанына +, - таңбаларын жазып элементтің символының үстіне жазылады. Тотығу деген термин ертеден келеді, ол кезде тотығу деп оттекпен қосылуды ғана айтатын. Тотықсыздану, одан да ерте, алхимиктер заманында, оксидтерден таза металл шығарып алу кезінде қолданылған.
Сонымен тотығу- оттекті қосып алу, тотықсыздану оттекті қосылыстан тартып алу деген түсінік ұзақ уақыт қолданылды. Берірек заманда тотығу деп, тек оттекті қосып алу емес, сутекті тартып алуды да атайтын болды. Сонымен қабат тотықсыздану деп тек қана оттекті тартып алу емес, сутекті қосып алуды да айтатын болды. Одан да бергі кезде тотығу деп оттекпен есептелген валенттіктің өсуін, сутекпен есептелген валенттіктің кемуін атады: осыған кері тотықсыздану деп оттек бойынша валенттіктің кемуін, сутек бойынша валенттіктің өсуін айтатын болды. [1]
Қазіргі кездегі ғылым тотығу мен тотықсыздануды элементтен элементке электрон көшуіне тәуелді процесс деп түсіндіреді. Сондықтан тотығу және тотықсыздану деген терминдерді оттек пен сутекке ғана байланыстырмай, оларға кеңірек мағына береді. Тотығу-тотықсыздану процесінің осы күнгі теориясын жасаған біздің еліміздің ғалымдары - Л.В.Писаржевский, Я.И.Михайленко, А.М.Беркенгейм және С.В.Даин. Ол теорияның негізгі қағидалары мынадай;
1. Тотығу дейтініміз, атомның, молекуланың, ионның электрон беру процесі. Мысалы;
а) атом электронын берсе, оң зарядты ионға: Cl0 - 7e--Cl[+7] айналады.
б) теріс зарядты ион электрон берсе, нейтрал атомға: Cl+ - e--Cl, оң зарядты ионға Cl- - 2e--Cl+ айналады.
в) оң зарядты ион электрон берсе, оның оң заряды берген электрон санына сәйкес өседі: Cl+ - 4e--Cl+5
2. Тотықсыздану дейтініміз атомның, молекуланың немесе ионның электрон қосып алу процесі. Мысалы:
а) атом электрон қосып алса, теріс зарядты ионға айналады: Cl + e = Cl [-] ;
б) оң зарядты ион электрон қосып алса, заряд саны кеміген оң зарядты ионға; Cl+5 + 4е--Cl+, нейтрал атомға: Cl+5 + 5e--Cl, теріс зарядты ионға: Cl+5+6e--Cl- айналады.
3. Тотықтырғыш- электрон қосып алушы бөлшек (нейтрал атом, молекула, ион).
4. Тотықсыздандырғыш - электрон беруші бөлшек (нейтрал атом, молекула, ион).
Тотықтырғыш, тотықсыздандырғыш дейтініміз электрон алатын, беретін заттың аты; тотығу, тотықсыздану, дейтініміз электрон беру немесе алу процесінің аты, Тотықтырғыш электрон қосып алатын зат, ал электрон қосып алу процесі тотықсыздану деп аталады. Енді тотықсыздандырғыш электрон беретін зат, ал электрон беру процесін біз тотығу дедік, демек тотықсыздандырғыш реакция кезінде өзі тотығады. Тотығуды электрон беру процесі дедік, бірақ осы процесте сол берген электронды алатын процесс, яғни тотықсыздану процесі болмаса тотығу процесі жеке бола алмайды.
Демек, электрон көшуімен байланысты әрбір реакция қарама-қарсы екі процестің - тотығу мен тотықсызданудың - бірлесуі. Осындай реакциялардың барлығын қазіргі кезде тотығу-тотықсыздану реакциялары деп атайтын болды. Элементтер атомдарының электрон беру не алу қабілетіне әсер ететін жағдайлары: ол алдымен Д.И.Менделеевтің периодтық системасындағы элементтің орны, екінші жағынан атомының радиусы мен ядросының оң зарядтарының саны. Атомның радиусы неғұрлым үлкен болса, электронның ядроға тартылуы соғұрлым кем болады, оны атомның беруі соғұрлым оңай болады, демек атомның тотықсыздандырғыштық қабілеті соғұрлым күшті болады. Мұндай атомның басқа атомнан электрон қосып алуы қиын, демек, оның тотықтырғыштық қабілеті кем. Атомның радиусы неғұрлым кішкене болса, электронның ядроға тартылуы соғұрлым күшті болады, оны атомның беруі соғұрлым қиын болады, демек атомның тотықсыздандырғыштық қабілеті соғұрлым кем болады. Мұндай атомның басқа атомнан электрон қосып алуы оңай, демек, оның тотықтырғыштық қабілеті күшті.[1]

1.2 Тотығу-тотықсыздану реакцияларының теңдеулерін құру
Кез келген реакцияның теңдеуін құру зат массасының сақталу заңына сүйенетіні белгілі. Тотығу-тотықсыздану реакциясы кезінде зат массаларының тең болуы олардың алмасқан электрон сандарына тәуелді. Демек, бұл реакцияның теңдеуін құру үшін, алдымен алмасқан электрон сандарын теңестіріп алу қажет.[2] Тотығу-тотықсыздану реакцияларының теңдеуін құру үшін электрондық баланс және жартылай реакция әдістері қолданылады.
Электрондық баланс әдісі. Бұл әдіс арқылы реакция теңдеуін құру үшін реакцияға кіретін заттар мен түзілетін заттарды, олардың құрамындағы атомдардың тотығу дәрежелерін білу керек. Әдетте тотығу-тотықсыздану реакциясы теңдеуін электрондық баланс әдісі бойынша мына жолмен құрады:
1. Реакцияға кіретін және түзілген заттар құрамындағы атомдардың тотығу дәрежелерін анықтайды.
2. Реакция нәтижесінде тотығу дәрежесін өзгерткен атомдарды бөліп жазып, электрондық теңдеу құрады. Тотықсыздандырғыш берген электрон мен тотықтырғыш қосып алған электрон сандарын тауып оларды ортақ коэффициенттер арқылы теңестіреді (электрон саны тең болмаған кезде). Бұл коэффициенттерді электрондық теңдеудің алдына, сызықтың сыртына жаза-ды. Электрон алмасу процесі бойынша қай заттың тотықтырғыш және қайсысының тотықсыздандырғыш екенін табады.
3. Электрондық теңдеуден шыққан коэффициенттерді негізгі реакция теңдеуіндегі атом құрамына кіретін заттардың алдына қойып, қалған элемент-терді теңестіреді. Мына тотығу-тотықсыздану реакциясын мысалға алып осы әдісті қарастырайық:
HCl + MnO2 -- Cl2 + MnCl2 + H2O
1. Реакцияға қатысатын зат құрамындағы атомдардың тотығу дәрежелерін анықтаймыз:
H1+Cl1- + Mn4+O22- -- Cl20 + Mn2+Cl1-2 + H21+O2-
Мұнда HCl құрамындағы Cl- мен марганец (IV) оксиді құрамындағы Mn4+ тотығу дәрежесін өзгертеді. Оларды бөліп жазып электрондық теңдеу құ-рамыз:
I 2Cl- - 2e- -- Cl20 - тотықсыздандырғыш
I Mn4+ + 2e- -- Mn2+ - тотықтырғыш
Электрондық теңдеуде оң және сол жақтағы атомдар саны ара тең болуы керек. Сондықтан сол жақтағы Cl алдына 2 қоямыз. Мұнда хлор ионы Cl- электрон беріп тотықсыздандырғыш, ал Mn4+ электрон қабылдап тотықтырғыш болады. Хлордың берген электроны мен марганецтің қосып алған электрон сандары тең. Электрондық теңдеу алдына I коэффициент қоямыз. Осы коэффициентті электрондық теңдеудегі атомдарға көбейтіп негізгі теңдеуге жазамыз:
2HCl + MnO2 -- Cl2 + MnCl2 + H2O
Мұнда HCl-дың 2 молінен 1 моль Cl2 түзіледі, сонымен қатар MnCl2 тұзының құрамына екі моль Cl кіреді. Яғни қосымша тұз түзуге екі моль қышқыл HCl жұмсалады, барлығы реакцияға 4 моль HCl қатысады:
4HCl + MnO2-- Cl2 + MnCl2 + H2O
Енді қалған атомдарды, сутегі мен оттегін теңестіріп, реакцияның теңдеуін аламыз.
4HCl + MnO2-- Cl2 + MnCl2 + 2H2O
Бұл әдіс бойынша кез келген фазада жүретін тотығу-тотықсыздану реакциясының теңдеулерін құруға болады. [1]
Жартылай реакция әдісі. Бұл әдіс кейде ионды-электронды деп аталады. Себебі реакция теңдеуін құру үшін алдымен иондық теңдеулер құра-ды. Бұл әдіс бойынша тотығу-тотықсыздану реакциясының жүру механизмін байқауға болады. Ионды-электронды әдісі бойынша тотығу-тотықсыздану реакциясының теңдеуін былай құрады:
1. Реакцияға кірген және түзілген заттардың иондарын алып, ионды-электрондық теңдеу құрады. Екі жағын теңестіріп, зарядтары арқылы алмасылған электрон сандарын анықтайды. Реакция ерітіндіде жүретіндіктен оттегі не сутегі жетіспеген кезде оны H2O, H+ не OH- жазып теңестіреді. Содан соң алмасылған электрон сандарын теңестіру арқылы коэффициенттер табады.
2. Енді иондық-электронды теңдеулерді коэффициенттерді еске ала отырып қосып, жалпы теңдеудің иондық түрін алады:
3. Иондық түрден теңдеудің жалпы түріне көшу үшін әр жақтағы катионға анион, анионға катион қосып жазады.
4. Теңдеудің қалған атомдарын теңестіріп, оның жалпы соңғы түрін алады.
Мысал ретінде қышқыл ортада калий перманганаты KMnO4 мен темір (II) сульфаты арасындағы реакцияны алып осы әдіспен теңестіріп көрейік. Қышқыл ортада (H2SO4) калий перманганатына темір (II) сульфатын қос-қанда ерітінді түссізденеді. Демек, перманганатион MnO4- Mn2+ ионына айналады. Осыны ионды-электрондық түрде жазамыз:
MnO4- -- Mn2+
Теңдеудің оң жағында оттегі жетіспейді. Сондықтан оны су молекула-сын (4H2O) қосу арқылы толтырады. Сонда сол жақта сутегі жоқ. Оны тол-тыру үшін сол жаққа 8H+ қосамыз (орта қышқыл):

MnO-4 + 8H+ -- Mn2+ + 4H2O
Екі жақтың заряды тең болуы үшін сол жаққа бес электрон (5е-) қосу керек:

MnO-4 + 8H+ + 5е--- Mn2+ + 4H2O

Бұл бірінші жартылай теңдеу. Темір Fe2+ одан ары тотығады Fe3+:

2Fe2+ -- Fe23+

Екі жақтың зарядын теңестіру үшін сол жақтан екі электрон (2e-) алу қажет:
2Fe2+ - 2е- -- Fe23+
Бұл екінші ионды-электронды әдісінің теңдеуі. Екеуін біріктіріп жазып, электрондарды теңестіріп, бір-біріне қосады.

+2 MnO-4 + 8H+ + 5е--- Mn2+ + 4H2O
+5 2Fe2+ - 2е- -- Fe23+
___________________________________ ___________________
2MnO-4 + 16H+ + 10Fe2+ -- 2Mn2+ + 8H2O + 5Fe23+

Әр анионды катионмен, катионды анионмен біріктіріп жазады:

2KMnO4 + 8H2SO4 + 10FeSO4 -- 2MnSO4 + 8H2O + 5Fe2(SO4)3

Енді қалған атомдарды теңестіріп жалпы реакция теңдеуін алады:

2KMnO4 + 8H2SO4 + 10FeSO4 -- 2MnSO4 + 8H2O + 5Fe2(SO4)3 + K2SO4
Тотығу-тотықсыздану реакциясын осы әдіс арқылы құрған кезде реакцияға кіретін және түзілетін заттарды толық білмесе де болады. Ол заттар жартылай теңдеулерді құру кезінде өзінен-өзі пайда болады. Су ерітінділерінде жүретін реакциялар және электродтық процестер үшін осы әдіс арқылы тотығу-тотық-сыздану реакциясының теңдеуін жазу өте ыңғайлы. [2]

1.3 Тотығу-тотықсыздануға ортаның әсері
Тотығу-тотықсыздану реакциялары әр түрлі ортада - қышқыл, негіз, бей-тарап жүреді. Ортаға байланысты бір реакцияның тотығу-тотықсыздану процесі әр түрлі дәрежеде жүруі мүмкін. Реакция ортасы заттың тотықтырғыш және тотықсыздандырғыш қабілетіне әсер етеді. Мәселен, калий перманганаты KMnO4 құрамындағы MnO4- ионы реакция ортасына орай түрліше тотықсызданады:
MnO4- +5e- H+ Mn2+ қышқыл ортада
MnO4- + 3e- H2O MnO2 бейтарап не әлсіз негіз ортада
MnO4- +1e-OH MnO42- күшті сілтілік ортада
Осыны калий перманганаты мен натрий сульфиті арасындағы реакция үшін қарастырайық. Әдетте қышқыл орта түзу үшін H2SO4 пайдаланылады. Қышқыл ортада бұл тотығу-тотықсыздану реакциясы былайша жүреді:

5Na2SO3 + KMnO4 + 3H2SO4 = 5Na2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O

Электрондық теңдеуі:
2 MnO4- + 8H+ +5e- -- Mn2+ + 4H2O - тотықтырғыш
5 SO32- + H2O - 2e- -- SO42- + 2H+ - тотықсыздандырғыш

Бейтарап не әлсіз сілті ортасында реакция былай жүреді.

3Na2SO3 + 2KMnO4 + H2O = 3Na2SO4 + 2MnO2 + 2KOH

Электрондық теңдеуі:
3 SO32- + H2O - 2e- -- SO42- + 2H+ - тотықсыздандырғыш
2 MnO4- + 2H2O +3e- -- MnO2 + 4OH- - тотықтырғыш
Сілті ортада:

Na2SO3 + 2KMnO4 + 2NaOH = Na2SO4 + K2MnO4 + Na2MnO4 + H2O

Электрондық теңдеуі:

1 SO32- + 2OH- - 2e- -- SO42- + H2O - тотықсыздандырғыш
2 MnO4- + e- -- MnO42- - тотықтырғыш

Ерітінді ортасы KMnO4-тен басқа көптеген тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыш - K2Cr2O7, J2, H2O2, Na2S2O3 т.б. қасиеттеріне де әсер етеді.
Тотығу-тотықсыздану процесіне ортамен қатар, температурада да әсер етеді. Мәселен хлор мен NaOH температураға байланысты әр түрлі әрекетте-седі. Егер реакция суықта жүрсе:

Cl20 + 2 NaOH = NaCl1+O + NaCl1- + H2O

Мұнда Cl20 электрон беріп тотықсыздандырғыш (ClO-) , және қосып алып (Cl-) тотықтырғыш болады.
Егер бұл реакцияны (1000) сілті ерітіндісінде жүргізсе, хлор 5е- беріп ClO3- айналады да басқа тотығу өнімі пайда болады:

3Cl2+ 6NaOH = NaClO3 + 5NaCl + 3H2O

Қорыта келе, тотығу-тотықсыздану реакцияларының жүру бағытына, реакция өніміне әрекеттесуші заттардың тегі, орта, температура және т.б. факторлар әсерін тигізетіні көрінеді. Тотығу-тотықсыздану реакциясы кезінде тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыш бір-бірімен алмасқан электрондарына сай эквивалент мөлшерде әрекеттеседі. Тотықтырғыштың эквиваленті деп берілген тотығу - тотықсыздану реакциясы кезінде 1 моль электрон қосып алатын тотықтырғыш мөлшерін айтады. Демек, тотықтырғыш эквивалентін анықтау үшін, оның мольдік массасын қосып алған электрон санына бөледі.

Тотықсыздандырғыштың эквиваленті берілген тотығу-тотықсыздану реакциясы кезінде 1 моль электрон берген тотықсыздандырғыштың мөлшері. Демек, тотықсыздандырғыштың молярлық эквивалентін табу үшін, оның мольдік массасын берген электрон санына бөледі: жалпы түрде былай жазуға болады:
Mэкв = fэкв х M fэкв = 1\ n
Мұнда, Mэ - тотықтырғыш не тотықсыздандырғыштың молярлық эквива-ленті; М- мольдік масса; n- берген не ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.