Основы общей химии

В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд, а также для их очистки. Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др.

Гальванопластика - получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий относительно значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами.

С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование «накладного» слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

Коррозия металлов - самопроизвольное окисление металлов, под действием окружающей среды, вредное для промышленной практики (поскольку уменьшает долговечность изделий). Это слово произошло от латинского corrodere - разъедать. Среда, в которой металл подвергается коррозии (корродирует), называется коррозионной или агрессивной. При этом образуются продукты коррозии - химические соединения, содержащие металл в окисленной форме. Объекты воздействия коррозии - металлы, сплавы (твердые растворы), металлопокрытия, металлоконструкции машин, оборудования и сооружений.

Классифицировать коррозию металлов принято по механизму, условиям протекания процесса и характеру разрушения.

По механизму протекания коррозионные процессы подразделяются на два типа: электрохимические и химические.

Химическая коррозия не сопровождается возникновением электрического тока и протекает без наличия среды электролита. Такая коррозия возникает в газовой среде при температуре выше 100⁰С. Примером является коррозия железа в атмосфере хлора. Продуктом коррозии является хлорид железа (III):

2Fe +3Cl₂ = 2FeCl₃.

Электрохимическая коррозия - это взаимодействия металла с коррозионной средой, которое сопровождается возникновением гальванических пар и сопровождается направленным движением электронов. Выделяют два вида электрохимической коррозии:

- коррозия с водородной поляризацией;

- коррозия с кислородной поляризацией.

Коррозия с водородной поляризацией. Рассмотрим коррозию железно-медного изделия в кислотной среде (кислоты: HCl, HClO). Так как Fe и Cu имеют разные стандартные электродные потенциалы и атомы железа легче отдают электроны, чем атомы меди, то на месте контакта железа с медью, по внешней цепи начинается переход внешних (валентных) двух электронов от атомов железа к атомам меди, чтобы выровнять разность потенциалов (Е _Fe²⁺_/Fe⁰ = -0,44 B, Е_Cu²⁺_/Cu⁰ = +34 B).

На аноде (анодом служит железо) идет окисление:

Fe⁰ - 2e^- = Fe²⁺.

Этот процесс отражает коррозионное разрушение железных участков. Гидратированные ионы железа в растворе взаимодействует с анионами кислотных остатков HClO и HCl, образовавшимися в результате их электролитической диссоциации и образуют продукты коррозии: Fe(ClO)₂ - гипохлорит железа (II), FeCl₂ - хлорид железа (II).

Свободные электроны, пришедшие от железных участков гальванопары (анода) к медным (катоду) нарушают на мгновение электронейтральный заряд катодных участков (меди) и делают их отрицательно заряженными. К отрицательно зарядившемуся катоду (медным участкам) мгновенно притягиваются ионы водорода Н⁺, образовавшиеся при электролитической диссоциации кислот HClO и HCl, и присоединяют излишние электроны:

Н⁺ + 1е^- = Н⁰

восстанавливаясь в электронейтральные атомы. Электронейтральные атомы водорода соединяются друг с другом в молекулы:

Н⁰ + Н⁰ = Н_2.

Таким образом, на катоде выделяется газообразный молекулярный водород. Сам катод (медные участки) не разрушается и остается неизменным. Реакция восстановления на катоде ионов водорода в процессе электролитической коррозии называется коррозией с водородной поляризацией.

Коррозия с кислородной поляризацией. Рассмотрим электрохимические процессы, протекающие на аноде и катоде гальванической пары «железо-медь» в присутствии электролита воды. На аноде (железные участки) идет окисление железа, аналогичного и при коррозии с водородной поляризацией. Деполяризатором на катоде (медные участки) выступают молекулы кислорода, растворенного в воде. Реакция деполяризации идет с образованием гидроксид-ионов:

2Н₂О + О₂ +4е^- = 4ОН^-.

На границе анодных и катодных участков сталкиваются катионы Fe²⁺(идущие от анода) и анионы ОН- (идущие от катода) и образуется белый осадок Fe(ОН)₂ - гидроксид железа (II):

4Fe(ОН)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(ОН)₃ (реакция идет самопроизвольно).

ржавчина

Под действием коррозии с кислородной деполяризацией разрушается большинство металлов.

По среде, в которой протекает коррозия металлов, выделяют:

а) атмосферная - характеризует процесс в условиях влажной воздушной среды;

б) почвенная - разрушение металла в почвах и грунтах;

в) морская - разрушение металла в морской воде.

По месту протекания на изделии коррозию делят на:

а) поверхностная;

б) межкристаллическая;

в) внутренняя.

По форме продуктов коррозии выделяют следующие виды коррозии:

а) сплошная;

б) питтинговая;

в) точечная;

г) раковинная;

д) язвенная;

е) трещинная.

Следует различать коррозию и эрозию. Эрозия от латинского слова erodere (разрушать) - постепенное механическое разрушение металла, например при истирании трущихся частей механизмов.

Самостоятельный вид коррозии - биокоррозия - это разрушение металла, при котором в качестве значимого выступает биофактор. Биоаген-

ты - микроорганизмы (грибы, бактерии), которые являются инициаторами или стимуляторами процесса коррозии.

Методы защиты от коррозии

Для ослабления коррозионного процесса требуется повлиять либо на сам металл, либо на коррозионную среду. Выделяют основные направления для борьбы с коррозией:

1) легирование металла, либо замена его другим, более коррозионностойким;

2) защитные покрытия (металлические и неметаллические) органического или неорганического происхождения;

3) электрохимическая защита (различают катодную, анодную и протекторную, как вариант катодной защиты);

4) введение ингибиторов (веществ, замедляющих скорость реакции).

Важнейшее понятие - коррозионная стойкость. Она характеризует способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды. Коррозионную стойкость определяют качественно и количественно. Количественной характеристикой коррозии металлов является скорость коррозии в данных условиях. Металлы, обладающие высокой коррозионной стойкостью, называют коррозионностойкими.

13. КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Комплексные соединения - сложные вещества, содержащие в своем составе сложный комплексный ион, способный к самостоятельному существованию в водных растворах или расплавах. Например, Na₃[Al(OH)₆] - гексагидроксоалюминат натрия;

[Ag(NH₃)₂]Cl - хлориддиаммин серебра (I);

K₃[Fe(CN)₆] - гексацианоферрат (III) калия.

Строение комплексных соединений:

Na₃⁺ [Fe(CN)₆]³⁺

внешняя сфера внутренняя сфера координационное число

комплексообразователь лиганды

Суммарный заряд внутренней сферы, который равен сумме зарядов комплексообразователя и лигандов, компенсируется зарядом внешней сферы.

Комплексообразование в большей степени характерно для переходных металлов, т.е. для d-элементов и почти не характерно для s-элементов.

Координационное число зависит от степени окисления комплексообразователя и в большинстве случаев сохраняется следующая зависимость:

Таблица 2

Зависимость координационного числа от степени окисления комплексообразователя

При электролитической диссоциации в растворах или расплавах комплексные соединения образуют комплексный ион и ион внешней сферы:

Na₂[Zn(OH)₄] = 2Na⁺ + [Zn(OH)₄]^2-.

Это так называемая первичная диссоциация, она протекает по типу сильного электролита.

Дальнейшей диссоциации подвергается комплексный ион. Это так называемая вторичная диссоциация, она протекает по типу слабого электролита:

[Zn(OH)₄]^2- = Zn(OH)₃^- + OH^-

Zn(OH)₃^- = Zn(OH)₂ + OH^-

Zn(OH)₂ = ZnOH⁺ + OH^-

ZnOH⁺ = Zn²⁺ + OH^-.

Cуммарное уравнение процесса диссоциации комплексного иона запишется следующим образом:

[Zn(OH)₄]^2- = Zn²⁺+ 4ОН^-.

Номенклатура комплексных соединений

Основы современной номенклатуры комплексных соединений заложены А. Вернером. До его работ в этой области химии не существовало никакой системы. Комплексные соединения называли, руководствуясь их внешним видом, например, пурпуреосоль (красная соль) cостава [Co(NH₃)₆]Cl₃, лутеосоль (желтая соль) Co(NH₃)₆]Cl₃; руководствовались их происхождением, например, красная кровяная соль K₃[Fe(CN)₆]. Многие комплексные соединения имели имена химиков, синтезировавших их: соль Фишера K₃[Co(NO)₂]₆, соль Рейнеке NH₄[Cr(NH₃)₂ (NCS)₄] и т.д.

Современная номенклатура комплексных соединений основана на рекомендациях ИЮПАК и адаптирована к традициям русского химического языка.

Названия лигандов. Названия анионных лигандов получают концевую гласную -о, которой сопровождается название соответствующего аниона (или корня аниона):

CH₃COO ^-- aцетато; NO^- - нитрозо;

CN ^- - циано; NO₂^- - нитро;

CO₃^2- -карбонато; O₂^2- - пероксо;

C₂O₄^2- - оксалато; OH^- - гидроксо;

Cl^- - хлоро; SO₃^2- - сульфито ;

H^- - гидридо SO₃S^2- - тиосульфато.

Иногда анионные лиганды имеют специальные названия:

О^2- - оксо;

S^2- - тио;

HS^- - меркапто.

Анионы углеводородов в качестве лигандов называют также как и радикалы:

CH₃^- - метил;

C₅H₅^- - циклопентадиенил.

Для нейтральных лигандов используют номенклатурные названия веществ без изменений (N₂ - диазот, N₂H₄ - гидразин, C₂H₄ - этилен и т.д.), кроме веществ, которые выступая в роли лигандов, получают следующие специальные названия:

H₂O - aква; NH₃ - аммин;

NO - нитрозил; СO - карбонил;

SO₂ - диоксосера; PF₃ - трифторофосфор.

Для катионных лигандов применяют следующие названия:

N₂H₅⁺ - гидразиний; NO₂⁺- нитроилий;

NO⁺ - нитрозилий; H⁺ - гидро.

Порядок перечисления лигандов. Правила изображения формул комплексных соединений следующий: при составлении формулы одноядерного комплекса (ионного или нейтрального) слева ставят символ центрального атома (комплексообразователя), а затем перечисляют лиганды в порядке уменьшения их зарядов от положительных к отрицательным. При равенстве зарядов пользуются практическим рядом элементов. Например, C₅H₅N записывают левее СО. Более простые лиганды в формулах указывают левее более сложных. В формулах многоядерных комплексов указывают число центральных атомов.

Названия веществ строят из названий лигандов с предшествующей числовой приставкой, образованной греческим числительным, указывающей число лигандов каждого типа в формуле, и названия комплексообразователя. При этом перечисление лигандов ведут от отрицательного заряда лиганда к нейтральному и затем положительному, начиная справа по формуле соединения.

Названия нейтральных комплексов. Названия комплексов без внешней сферы состоят из одного слова. Вначале указывается число и названия лигандов каждого вида отдельно, затем название центрального атома в именительном падеже (в многоядерных комплексах указывается число центральных атомов). Например:

[Al₂Cl₆] - гексахлородиалюминий;

[Co₂(CO)₈] - октакарбонилдикобальт;

[Ni(CO)₄] - тетракарбонилникель.

Названия с комплексным катионом строятся также, как и названия простых соединений, состоящих из катиона и аниона. Однако в данном случае катион непростой, а комплексный. Названия комплексных катионов состоят из числа и названия лигандов и названия комплексообразователя (для многоядерных комплексов - с указанием их числа). Обозначение степени окисления комплексообразователя римскими цифрами в скобках после названия (по системе Штока):

[Ag(NH₃)₂]⁺ - катион диаммин серебра (I);

[Cr₂(NH₃)₉(OH)₂]⁴⁺ - катион дигидроксононааммидихрома (III);

[Mn(H₂O)₆]²⁺ - катион гексааквамарганца (II).

В случае неизвестной степени окисления комплексообразователя указывают заряд всего катиона в скобках арабскими цифрами (по способу Эвенса-Бассета). Например, [Hg₂(H₂O)₂]²⁺ - катион диаквадиртути (2+).

Названия соединений, включающих комплексный катион, строятся следующим образом:

[Mn(H₂O)₆]SO₄ - сульфат гексааквамарганца (II);

[Ag(NH₃)₂]OH - гидроксид диамминсеребра (I);

[Cr₂(NH₃)₉(OH)₂]Cl₄ - хлорид дигидроксононаамминдихрома (III).

Названия соединений с комплексными анионами строятся так же, как и названия более простых соединений, состоящих из катиона и аниона. Однако в рассматриваемом случае анион непростой, а комплексный.

Название комплексного аниона строится из числа и названия лигандов, корня названия элемента-комплексообразователя, суффикса - ат и указания степени окисления комплексообразователя:

[BF₄]^- тетрафтороборат (III) - ион;

[Al(H₂O)₂(OH)₄]^- - тетрагидроксодиакваалюминат (III) - ион.

Для целого ряда элементов - комплексообразователей в русских названиях используют корни латинских названий: Ag - аргент, Cu - купр-, Hg - меркур-, Ni - никкол-, Au - аур-, Mn - манган-, Pb - плюмб-, Fe - ферр-.

Названия соединений, включающих комплексный анион строятся следующим образом:

K₂[HgI₄] - тетрайодомеркурат (II) калия;

H[Sb(OH)₆] - гексагидроксостибат (V) водорода;

Na[Ag(CN)₂] - дицианоаргентат (I) натрия;

K₃[AlF₆] - гексафтороалюминат калия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С. Ахметов. М.: Высшая школа, 1988. 639 с.

2. Волков, А.И. Строение атомов и периодический закон: учеб. пособие / А.И. Волков. М.: Новое знание, 2006. 196 с.

3. Глинка, Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: учеб. пособие для вузов / Под ред. В.А. Рабиновича и Х.М. Рубиной. М.: Интеграл-Пресс, 2004. 240 с.

4. Глинка, Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Под. ред. А.И. Ермакова. изд. 30-е, исправленное. М.: Интералл-Пресс, 2004. 728 с.

5. Князев, Д.Л. Неорганическая химия / Д.Л. Князев, С.Н. Смарыгин. М.: Высшая школа, 1990. 430 с.

6. Лидин, Р.А. Основы номенклатуры неорганических веществ / Р.А. Лидин [и др.]; под ред. Б.Д. Степина. М.: Химия, 1983. 112 с.

7. Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ: учеб. пособие для вузов / Р.А. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л. Адреева; под ред. Р.А. Лидина. 4-е изд., стер. М.: КолосС, 2003. 480 с.

8. Общая и неорганическая химия: учеб. для вузов: в 2 т. / под ред. А.Ф. Воробьёва. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007.

9. Общая химия / под ред. Е.М. Соколовской. М.: Изд-во Московского университета, 1975. 703 с.

10. Угай, Я.А. Неорганическая химия / Я.А. Угай. М.: Высшая школа, 1989. 463 с.

11. Угай, Я.А. Общая и неорганическая химия / Я.А. Угай. М.: Высшая школа, 2000. 527 с.

Размещено на Allbest.ru