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 , достигая катода, или вступает в реакцию со щелочью. Количество хлора, переносимого раствором в катодное пространство, можно уменьшить, если выбрать такую скорость перетекания раствора, которая лишь ненамного превышала бы скорость диффузии ионов . Скорость перетекания электролита рассчитывают по величине силы тока и концентрации полу­чаемой щелочи с помощью приведенной ниже формулы:

, ( 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