Основания
align="BOTTOM" border="0" /> в анодное пространство крайне нежелательно, так как при этом почти весь выделяющийся хлор вступает в реакцию со щелочью. Разделение катодного и. анодного пространства диафрагмой замедляет, но не исключает это явление. Защелачивание анодного пространства исключается, если электролит перетекает от анода к катоду. Небольшое количество хлора, которое растворяется, в конечном итоге или восстанавливается до ионов![](images/image-7224991_59.gif)
![](images/image-7224978_5.gif)
,
( 1 )
где W – скорость перетекания электролита, л/сек;
I – сила тока, а;
γ – выход по току, %;
F – число Фарадея, Кл./моль;
С – концентрация щелочи, экв/л
Рассчитаем
приблизительную
скорость протекания
раствора при
силе тока I
= 10А,
.
Выход по току
будем считать
равным 100 %.
При низких
скоростях
перетекания
электролита
площадь диафрагмы
должна быть
по возможности
небольшой, с
тем, чтобы исключить
проникновение
ионов
в анодное
пространство.
Аноды из искусственного графита постепенно разрушаются в результате взаимодействия с кислородом. При протекании 1 ач электричества теряется около 0,055 г графита. Диафрагмы толщиной 12—15 мм изготавливают из асбестового картона, ткани или волокон. Время от времени диафрагмы меняют, так как их «протекаемость» снижается.
Наиболее экономичными и производительными в нашей промышленности являются ванны БЩ-12/20 со следующими показателями работы:
сила тока 20000—30 000 А
плотность тока на катоде . . . 0,06—0,09 а/см2
плотность тока на аноде . . . 0,082 а/смг
напряжение на электродах . . . 3,3—3,6 в
выход по току 94—96%
концентрация едкого натра в
электролите 130—140 г/л
Вытекающий из электролизера раствор, кроме едкого натра, содержит значительное количество поваренной соли, которая загрязняет щелочь.
Для разделения едкого натра и поваренной соли раствор упаривают. Поваренная соль хуже растворима, чем едкий натр. Кроме того, ее растворимость сильно зависит от концентрации щелочи. Так, например, при 20° С в 1 л 50 % раствора едкого натра растворяется 18 г/л хлористого натрия, а в воде — 317 г/л. При упаривании раствора концентрация щелочи увеличивается, поваренная соль выпадает в осадок, который затем отделяют от раствора. В товарной твердой щелочи после упаривания при температуре до 500° С и окисления примесей содержится 92 – 94 % NaОН, до 4 % NaС1, 1 % Мg2СО3, окислы железа и другие примеси.
При электролизе раствора поваренной соли в ванне с ртутным катодом нет необходимости разделять электроды диафрагмой. Ртуть покрывает несколько наклонное дно ванны слоем толщиной 2—3 мм и через щель вытекает в емкость для разложения амальгамы. На аноде, как и в первом случае, выделяется хлор.
Перенапряжение восстановления водорода на ртути наиболее высокое в растворах с рН=7. Загрязнение ртути другими металлами приводит к резкому снижению перенапряжения водорода. Восстановление натрия на ртути происходит при φ = -1,8 В. Водород выделяется, уже в заметных количествах при -1,9 В. Скорость протекания ртути в электролизере устанавливают такой, чтобы получалась 0,25 % амальгама натрия. С увеличением концентрации натрия амальгама становится более вязкой, а также наблюдается ее частичное разложение в электролизере под напряжением. Амальгама натрия разлагается водой медленно. Для того чтобы ускорить этот процесс, в амальгаму погружают пакеты из использованных графитовых анодов. В этом случае графит образует с амальгамой короткозамкнутые гальванические элементы: графит – раствор щелочи – амальгама. Водород восстанавливается на графите значительно легче, чем на ртути, что приводит к увеличению скорости разложения амальгамы. Уравнения электродных реакций, которые протекают на катоде и аноде будут:
на катоде:
на аноде:
Суммарно
получим следующее
уравнение:
Реакция
разложения
амальгамы
натрия водой
сопровождается
выделением
теплоты. Процесс
ведут при 80 –
100°С. Выход по
току при электролизе
с ртутным катодом
составляет
96 – 98 %. Процесс
сопровождается
следующими
побочными
реакциями.
Растворенный
хлор достигает
катода и восстанавливается
на ртути до
ионов
.
Под действием
кислорода анод
постепенно
разрушается,
кусочки графита
попадают на
ртуть и снижают
перенапряжение
водорода. На
аноде в небольшом
количестве
выделяется
кислород. Состав
анодного газа:
Хлор – 96 -97 %,
Углекислый газ – до 1,5 %,
Водород – до 0,5 %.
Следует отметить, что пары ртути ядовиты, а при разложении амальгамы в 1 м3 водорода содержится 50 – 80 мг ртути. Очистку водорода от паров ртути осуществляют хлором или сернистым газом – SO2. указанным способом удается уменьшить содержание ртути до 1 мг/ м3.
Напряжение в ванне с ртутным катодом выше, чем с железным ( 4,4 – 4,6 В против 3,3 – 3,6 В ).
Гидроксид калия получают аналогично гидроксиду натрия электролизом раствора хлорида калия. Гидроксид лития получают в промышленности электролизом раствора хлорида лития.
Одним из наиболее распространенных и употребляемых в химическом синтезе оснований есть гидроксид аммония NH4OH. Получают ее при гидратации аммиака в колоннах синтеза. При растворении аммиака в воде будут происходить следующие реакции:
Гидроксид аммония вещество очень нестойкое, при нагревании оно разлагается с выделением аммиака и воды.
Глава 4. Химические свойства.
Гидроксиды металлов проявляют различные химические свойства в зависимости от активности металла, который в данный гидроксид входит. Но все же можно выделить несколько химических процессов, в которые будут вступать все основания. Это реакции с кислотами и кислотными оксидами, солями. Рассмотрим эти взаимодействия более детально.
Взаимодействие с кислотами. Реакция нейтрализации.
Все основания, даже нерастворимые в воде, вступают в реакцию взаимодействия с кислотами. Еще эту реакцию называют реакцией нейтрализации. Реакция нейтрализации – это реакция между кислотой и основанием, продуктами которой будет соль и вода.
Примером
этой реакции
может быть
взаимодействие
соляной кислоты
и гидроксида
натрия:
.
Если кислота
двух основная,
то реакция
будет иметь
вид:
.
Но может быть
ситуация, когда
есть недостаток
одного реагирующего
вещества, например
гидроксида
калия, тогда
в реакции среди
ее продуктов
будут кислые
соли – соли в
которых атомы
металла не
вытеснили все
ионы гидроксила
.
.
В последней
реакции получился
гидросульфат
калия
.
При наличии
гидроксида
калия возможно
дальнейшее
вытеснение
ионов
:
Такие процессы характерны для щелочей. Для гидроксида натрия:
При недостатке кислоты могут получаться основные соли. Запишем реакцию взаимодействия гидроксида алюминия с серной кислотой:
В реакции
есть недостаток
серной кислоты,
поэтому выделяется
- гидроксосульфат
алюминия, который
может реагировать
с серной кислотой
с получением
сульфата алюминия:
.
Взаимодействие с кислотными оксидами.
Основания реагируют с кислотными оксидами. Особенно эта реакция характерна для щелочей и гидроксидов кальция, магния, бария.
В таких реакциях возможно также получение кислых солей, как и при взаимодействии с кислотами:
- гидрокарбонат
кальция,
-
гидросульфит
натрия.
Кислые соли
также могут
далее реагировать
с основами с
получением
нормальных
солей:
Амфотерные гидроксиды, взаимодействие с гидроксидами щелочных металлов.
Существуют гидроксиды, способные вступать во взаимодействие и образовывать соли не только с кислотами, но и с основаниями. К таким гидроксидам принадлежит гидроксид цинка. При взаимодействии его, например, с соляной кислотой получается хлорид цинка
Zn(ОН)2 + 2НСl = ZnС12 + 2Н2О
а при взаимодействии с гидроксидом натрия – цинкат натрия;
Zn(ОН)2 + 2NаОН = Nа2ZпО2 + 2Н2О
Такие же свойства проявляет и гидроксид алюминия:
В результате реакции получится гексагидроксоалюминат калия К3[Аl(ОН)]6. в расплаве эта реакция будет проходить с немного другими продуктами:
В результате получатся соли – метаалюминаты, в нашем случае это будет метаалюминат калия.
Гидроксиды, обладающие этим свойством, называются амфотерными гидроксидам, или амфотерными электролитами. К таким гидроксидам кроме гидроксида цинка относятся гидроксиды алюминия, хрома и некоторые другие.
Явление амфотерности объясняется тем, что в молекулах амфотерных электролитов прочность связи между металлом и кислородом незначительно отличается от прочности связи между кислородом и водородом. Диссоциация таких молекул возможна, следовательно, по местам разрыва обеих этих связей. Если обозначить амфотерный электролит формулой RОН, то его диссоциацию можно выразить схемой:
Таким образом, в растворе амфотерного электролита существует сложное равновесие, в котором участвуют продукты диссоциации как по типу кислоты, так и по типу основания. Явление амфотерности наблюдается также среди многих органических веществ. Важную роль оно играет в биохимии, например, белки имеют амфотерные свойства.
Термическое разложение нерастворимых в воде оснований.
Многие нерастворимые в воде основания разлагаются при нагревании. Продуктами разложения будут оксиды соответствующих металлов и вода. Температура нагревания зависит от металла, который входит в состав основания и колеблется от 200°С и выше.
Запишем реакции разложения для гидроксидов цинка, меди, алюминия:
Продукты
приведенных
реакций вода
и оксиды металлов:
,
и
.
Взаимодействие с солями металлов.
Эта реакция характерна для щелочей. Гидроксиды калия. натрия. Лития взаимодействуют с солями металлов, в результате в осадок выпадают нерастворимые гидроксиды данных металлов:
С помощью этих реакций получают нерастворимые в воде гидроксиды многих металлов, которые затем используют в химическом синтезе, медицине и т. д.
Глава 5. Использование оснований в химии и промышленности.
Основания широко используются как в лаборатории химии, так и в химической промышленности, находят они свое применение и в быту.
Рассмотрим применение наиболее широко используемых оснований.
В химической лаборатории и в промышленности гидроксид натрия один из наиболее ходовых реактивов.
Гидроксид
натрия,
.
Используется для получения различных натриевых солей: сульфата, нитрата, нитрита, хромата, силикатов, или растворимого стекла, Флорида, солей органических кислот. Применяется при изготовлении целлюлозы из древесины при сульфатной варке, искусственных волокон, мыла и моющих средств, смачивателей и эмульгаторов, красителей, оксида алюминия из бокситов, фенолов. Входит в состав электролитов для воронения стали, оксидирования металлов, особенно алюминия, для проведения электролитических процессов в технологии олова и цинка.
Гидроксид
калия,
.
Служит исходным веществом для получения многих солей калия, жидких мыл и некоторых красителей. Используется как электролит, вместе с гидроксидом лития, в никель – кадмиевых аккумуляторах, в виде спиртового раствора для производства ксантогенатов – полупродуктов в производстве флотоагентов.
Гидроксид
аммония,
.
Его производство в мире составляет около 10 – 12 млн. тонн. Используют его как удобрение, при производстве животных кормов для повишения их пищевой ценности и как консервант, при производстве соды, красителей, в электролитическом производстве соединений марганца, в лабораторной практике.
Гидроксид
кальция,
.
Гидроксид
кальция (гашеная
известь) применяется
в производстве
строительных
материалов,
из него изготовляют
известковый
строительный
раствор. Из
него изготовляют
хлорную известь
( смесь
) и другие соединения
кальция, известковые
удобрения,
защитные средства
для растений.
При помощи
гидроксида
кальция смягчают
воду, дубят
кожи, нейтрализуют
сточные воды,
выделяют соли
органических
кислот из
растительных
соков.
Гидроксид
лития,
.
Применяется для наполнения щелочных аккумуляторов, что увеличивает их строк действия, используется для изготовления эмалей и стекол.
Гидроксид
магния,
.
Применяют в строительной промышленности, как компонент огнеупорных конструкционных материалов, для изготовления керамической химической посуды. Используется в медицине как мягкое нейтрализующее средство (при повышенной кислотности желудочного сока).
Области применения других, менее распространенных гидроксидов указаны в таблице 3
Таблица 3. Области применения гидроксидов металлов.
№ | Название гидроксида |
Химическая формула |
Применение |
1. | Гидроксид меди |
|
Используется в качестве пигмента для стекла, эмалей и глазурей, протравы при крашении тканей, как фунгицид. Стабилизатор нейлона, для приготовления реактива Швейцера. |
2. | Гидроксид цинка |
|
Наполнитель резин, компонент красок, в ветеринарии как компонент мазей. |
3. | Гидроксид кобальта |
|
Используют
для получения
катализаторов,
пигментов,
|
4. | Гидроксид кадмия |
|
Применяют для получения соединений кадмия, как аналитический реагент, для изготовления активной массы в кадмиевых источниках тока. |
5. | Гидроксид алюминия |
|
Применяют для получения соединений алюминия, как антипирен в лакокрасочных материалов и пластмасс, компонент зубных паст, обволакивающее и адсорбирующее средство в медицине. |
6. | Гидроксид бериллия |
|
Используют для получения огнеупорной керамики. тиглей, компонент стекол, хорошо пропускающих УФ-лучи. |
7. | Гидроксид олова |
|
Для травления тканей, особенно шелка. |
8. | Гидроксид свинца |
|
Для травления тканей, для изготовления стекла, наполнитель аккумуляторов. |
9. | Гидроксид висмута |
|
Применяют при изготовлении эмалей и керамики, хрусталя и спец. стекол, для изготовления ультразвуковых материалов |
10. | Гидроксид хрома |
|
Используют в аналитической хими. |
11. | Гидроксид марганца |
|
Используют для получения соединений марганца. |
12. | Гидроксид железа |
|
Основа для изготовления металлического железа, красящих пигментов |
Заключение.
Основания – один из классов неорганических веществ, который наряду с кислотами, оксидами и солями составляет основу неорганической химии. Они широко используются в разных областях химии и химической промышленности. С их помощью получают удобрения, строительные материалы, цветное стекло. Без них мы бы лишились легких и экономичных щелочных аккумуляторов, многих медицинских препаратов.
Заданием этой работы была систематизация знаний о таком классе неорганических химических веществ как основы, нужно было свести воедино их химические и физические свойства, их получение и использование в промышленности.
В работе особое внимание было уделено освещению понятия оснований, как одного из классов неорганических веществ на основе современных кислотно – основных теорий Бренстеда, Льюиса, Измайлова. Усановича. Также были рассмотрены промышленные методы получения щелочей на примере гидроксида натрия [ 3, ст. 36 – 42 ]. Большое внимание уделено способам применения оснований как в быту так и в химической, медицинской, строительной промышленности, где они находят свое применение. Главные области применения конкретных веществ вынесены в специальную справочную таблицу для удобства пользования.
Изучение свойств оснований имеет большое значение при изучении химии, а также для развития научного мировоззрения.
Список использованной литературы.
Глинка Н. Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1988. – 702 с.
Крешков А. П., Ярославцев А. А. Курс аналитической химии. – М.: Химия, 1964. – 430 с.
Подобаев Н. И. Электролиз. – М.: Просвещение, 1989, 100 с.
Полеес М. Э. Аналитическая химия. – М.: Медицина, 1981. – 286 с.
Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. – Л.: Химия, 1978. – 331 с.
Химия: Справочное издание/ под ред. В. Шретер, К.-Х, Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. – М.: Химия, 1989.– 648 с.
Химическая энциклопедия в 5 т. / под ред. И. Л. Кнунянца. – М.: Советская энциклопедия, 1990.
Щукарев С. А. Неорганическая химия. – М.: Высшая школа, 1970. – 437 с.
4