Химия
8 класс
Вопрос
В чистый химический стакан поместите около $20 - 30 см^3$ раствора серной кислоты ($1 : 4$) и опустите в него гранулу металлического цинка. Понаблюдайте в течение нескольких минут за интенсивностью выделения водорода, потом добавьте в стакан несколько капель раствора сульфата меди. Что при этом происходит? Затем прибавьте к раствору около $1 см^3$ 5 %-ного раствора хлорной ртути (отметьте, как при этом изменилась интенсивность выделения водорода).
Обратите внимание, что соли $Hg^{2+}$ очень ядовиты. Соблюдайте все меры предосторожности!
Чтобы понять и лучше выяснить механизм процессов, протекающих с участием солей меди и ртути, используйте
следующий опыт.
В два химических стакана емкостью примерно $100 см^3$ каждый поместите примерно по $30 см^3$ раствора серной кислоты ($1 : 4$). В один из них погрузите цинковую пластинку, а во второй - кусочек медной проволоки. Через несколько минут наблюдений извлеките металлы, ополосните их водой и высушите фильтровальной бумагой. Затем аккуратно обвейте медной проволокой один из концов цинковой пластинки и погрузите соединенные вместе металлы в новую порцию того же раствора серной кислоты. Подробно опишите результаты своих наблюдений.
Далее возьмите пробирку и заполните ее до краев 5 % -ным раствором $HgCl_2$. Извлеките соединенные вместе металлы из раствора серной кислоты и погрузите цинковую плстинку в раствор соли ртути примерно на 15 с, затем ополосните ее аккуратно водой (обратите внимание на то, чтобы во время извлечения и ополаскивания пластинки не было контакта медной проволоки с раствором соли ртути и не нарушался контакт пластинки с медной проволокой). После этого металлы вновь погрузите в раствор серной кислоты. Понаблюдайте и отметьте, какова будет при этом скорость выделения водорода. В заключение извлеките соединенные между собой пластинку и проволоку, ополосните их. Теперь аналогично покройте слоем ртути медную проволоку и снова погрузите металлы в раствор серной кислоты. Опишите результаты наблюдений.
а. Какова роль медных и ртутных солей в процессе растворения цинка в растворе $H_2SO_4$? На основании полученных результатов опыта попробуйте предложить механизм действия этих солей. Напишите уравнения каждого из происходящих процессов по отдельности и суммарное уравнение процесса в целом.
б. Видите ли вы сходство между действием ртутной соли в указанных опытах и действием металлической ртути в так называемых ртутных электролизерах, которые применяются в промышленности для электролиза соляного рассола (раствора $NaCl$). На основании ряда напряжений металлов попробуйте объяснить, в чем состоит это сходство.
Используйте следующий ряд напряжений металлов: $K$, $Ca$, $Na$, $Mg$, $Al$, $Zn$, $Fe$, $Cd$, $Ni$, $Sn$, $Pb$, ($H_2$), $Bi$, $Cu$, $Ag$, $Hg$, $Au$.
Ответ
Гранулированный цинк достаточно быстро растворяется в разбавленной серной кислоте. Добавление небольших количеств соли $Cu^{2+}$ ускоряет процесс растворения, а добавление соли $Hg^{2+}$ его тормозит. Сама по себе медь в отличие от цинка не растворяется в разбавленной кислоте, при этом только ее поверхность очищается от слоя оксидов.
При введении в раствор кислоты тесной пары $Zn/Cu$ водород интенсивно выделяется на поверхности меди и в значительно меньшей степени - на поверхности цинка.
Амальгамирование практически полностью тормозит процесс выделения водорода с поверхности цинка, с поверхности же меди водород продолжает выделяться с прежней интенсивностью. Амальгамирование поверхности меди полностью тормозит процесс растворения цинка, находящегося в контакте с медью.
Рассматриваемая система $Zn/Cu$ представляет собой гальванический элемент типа элемента Вольта, при работе которого растворяется цинковый электрод
$Zn - 2 e = Zn^{2+}$,
а на медном электроде происходит восстановление ионов водорода
$2H_3O^{+} + 2 e = 2H_2O + H_2$.
Суммарно процесс может быть описан уравнением
$Zn + 2H_3O^{+} = Zn^{2+}2H_2O + H_2$.
Этот процесс протекает быстро, поскольку перенапряжение выделения водорода на меди невелико.
Амальгамирование поверхности цинка практически не изменяет действия гальванического элемента, так как окислению подвергается цинк, растворенный в ртути. (Только при образовании толстого слоя амальгамы возникает сопротивление диффузии цинка через ртуть, которое несколько тормозит работу элемента, т. е. немного уменьшает интенсивность выделения водорода на поверхности меди.)
В то же время амальгамирование цинка почти полностью тормозит побочный процесс выделения водорода на поверхности цинка, так как перенапряжение выделения водорода на поверхности ртути или на амальгамах очень велико.
Амальгамирование поверхности меди увеличивает перенапряжение выделения водорода в такой степени, что работа гальванического элемента практически прекращается.
Из рассмотрения модельного опыта становится понятным, как протекают процессы растворения цинка в кислоте при добавлении к раствору солей меди и ртути. В этом случае на поверхности цинка выделяется медь или ртуть и создаются микрогальванические элементы, действующие, как описано в модельном опыте.
Аналогия между ролью соли ртути в проведенных опытах и ролью ртутных электродов в процессах электролиза основывается на высоком перенапряжении выделения водорода на поверхности ртути и амальгамах.
В случае электролиза раствора $NaCl$ с ртутным катодом перенапряжение выделения водорода на катоде приводит к тому, что вместо ионов водорода (или, точнее, молекул воды) на нем разряжаются ионы натрия и выделяющийся металлический натрий растворяется в ртути, образуя амальгаму.