АЛМАТЫ  ЭНЕРГЕТИКА  және  БАЙЛАНЫС  ИНСТИТУТЫ

  

Өнеркәсіптік  жылуэнергетика  кафедрасы 

 

химия  

Зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар

( 050719 – Радиотехника, электроника, телекоммуникация, 050718 – Электроэнергетика, 050702 – Автоматтандыру және басқару  , 050704 – Есептеу техникалары және бағдарламалық жабдықтау,

050703 – Информациялық жүйелер

мамандығы бойынша күндізгі бөлімінде оқитын студенттер үшін зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар) 

Алматы 2007

 

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Туманова А.А., Идрисова К.С., Казербаева Б.Д. Химия. 050719 – Радиотехника, электроника, телекоммуникация, 050718 – Электроэнергетика, 050702 – Автоматтандыру және басқару  , 050704 – Есептеу техникалары және бағдарламалық жабдықтау, 050703 – Информациялық жүйелер мамандығы бойынша күндізгі бөлімінде оқитын студенттер үшін зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар.– Алматы: АЭжБИ, 2007. –  25 б.

 

Зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар 050719 – Радиотехника, электроника, телекоммуникация, 050718 – Электроэнергетика, 050702 – Автоматтандыру және басқару  , 050704 – Есептеу техникалары және бағдарламалық жабдықтау, 050703 – Информациялық жүйелер мамандығының студенттеріне арналған. Әдістемелік нұсқаулар «Химия» курсы бойынша техникалық бағыттардың оқу стандартына сәйкес келеді.

 

 Кіріспе 

Зертханалық жұмыстарды орындауға арналған әдістемелік нұсқаулар химияны 1 кредит көлемінде оқитын бакалаврларға ұсынылып отыр.

 Мақсаты – тәжірибелерді орындаудың нәтижесінде студенттердің алған білімдерін ағымды және аралық бақылауларға, емтиханға дайындалу кезінде пайдалану.

Әдістемелік нұсқаулардың мазмұны химия курсының оқу бағдарламасына сәйкес келіп, бейорганикалық және полимерлі  химияның, электрохимияның негізгі  бөлімдерінен құрастырылған 6 зертханалық жұмыстан тұрады.

Зертханалық жұмыстар химия курсының негізгі құрама бөліктерінің бірі болып табылады. Жұмыстарды орындау үшін студент зертханалық жабдықтармен, өлшейтін аспаптармен және негізгі зертханалық операцияларды өткізудің техникасымен танысу қажет.

Химиялық зертханада электр аспаптары, газ, улы және өртке қауіпті заттар болатындықтан, студенттер техника қауіпсіздігі мен ішкі тәртіп ережелерін міндетті түрде ұстау қажет.

Әрбір зертханалық жұмыстың алдында студент осы жұмысқа  сәйкес тақырыпты кітаптардан, дәрістер жинағынан оқып, зертханалық жұмыстың әдістемесімен танысу қажет.

Жасалған жұмыстың нәтижелерін қорытындылағанда журналға жұмыстың нөмірін, аталуын, жасалған күнін, тәжірибелік бөлімнің  жинағынан алынған нәтижелерін және бақылау сұрақтарына жауаптарды жазу қажет.  

1 № 1 зертханалық жұмыс. Бейорганикалық қосылыстардың кластары 

Жұмыстың мақсаты: бейорганикалық қосылыстардың кластарымен, оларды алу әдістері және химиялық қасиеттерімен танысу.  

1.1  Теориялық кіріспе 

Бейорганикалық химияда күрделі заттар төрт класқа бөлінеді. Олар оксидтер, негіздер, қышқылдар және тұздар.

Оксидтер - екі химиялық элементтен тұратын, оның біреуі міндетті түрде оттегі болып келетін күрделі қосылыстар. Оксидтер тұз түзетін және тұз түзбейтіндерге бөлінеді. Тұз түзбейтін оксидтерге N₂O, NO, CO, SiO жатады. Қалған оксидтердің барлығы тұз түзетіндерге жатады да, химиялық қасиеттері бойынша негіздік, амфотерлік және қышқылдық болып бөлінеді.

Оксидтерді алудың үш негізгі әдісі бар:

а) жай заттың оттегімен қосылуы

С + О₂ = СО₂;

б) күрделі заттардың жануы

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О;

в) қыздырғанда оттекті қосылыстардың (карбонаттардың, нитраттардың, негіздердің және қышқылдардың) ыдырауы

2Ca(NO₃)₂ = 2CaO + 4NO₂ + O₂,

2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O,

H₂CO₃ = CO₂ + H₂O.

Тұз түзбейтіндерден басқа бейметалдар оксидтерінің барлығында (SO₂, SO₃, CO₂, P₂O₃, P₂O₅)  қышқылдық қасиеттер бар.

Тотығу дәрежесі +1, +2 металл оксидтерінің қасиеттері – негіздік. Мысалы, Na₂O, FeO, CaO, NiO, CuO (бұларға BeO, ZnO, PbO амфотерлік оксидтер болғандықтан жатпайды). Тотығу дәрежесі +3, +4 металдардың оксидтері амфотерлік болады, мысалы, Cr₂O₃, Al₂O₃, SnO₂, PbO₂ (Fe₂O₃, Ni₂O₃, Co₂O₃  - негіздік оксидтерінен басқалары); тотығу дәрежесі +5 және одан да көп оксидтердің қасиеттері қышқылдық болады, мысалы MnO₃, Mn₂O₇, CrO₃, V₂O₅ және т.б.

Амфотерлік оксидтер қышқылдармен, қышқылдық оксидтермен әрекеттескенде негіздік қасиет көрсетеді де, негіздік оксидтермен және негіздермен әрекеттескенде қышқылдық қасиет көрсетеді.

Оксидтердің сумен әрекеттесуінің өнімдері гидроксидтер деп аталады. Барлық тұз түзетін оксидтерге гидроксидтер сай келеді: негіздік оксидтерге – негіздер, амфотерліктерге – амфотерлі гидроксидтер, қышқылдық оксидтерге – қышқылдар.

Негіздер – металл катиондары мен гидроксотоп (ОН^-) аниондарынан тұратын күрделі заттар. Негіздің құрамындағы ОН^- - топтарының саны негіздің қышқылдығын анықтайды. Негіз құрамында бір ОН^- тобы болса, ол бірқышқылды негізге жатады, ал бірнеше ОН^- тобы болса – онда көпқышқылды негізге жатады.

Суда еритін негіздер сілті деп аталады (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ca(OH)₂  және т.б.).  Қалған негіздер суда ерімейді.

Амфотерлі гидроксидтер деп амфотерлік оксидтердің гидраттарын айтады. Олар қышқылдармен де, сондай-ақ негіздермен де әрекеттеседі. Амфотерлі гидроксидтер әдетте суда ерімейді

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O,

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄].

Қышқылдар – металл ионына ғана алмаса алатын сутегі катионымен (Н⁺) қышқыл қалдығынан тұратын күрделі заттар. Қышқылдар құрамы бойынша оттекті (HNO₃, H₂SO₄, H₂CO₃ және т.б.) және оттексіз (HCl, H₂S және т.б.) болады. Қышқылдың негізділігі қышқылдағы сутегі атомы санымен анықталады: HCl-бірнегізді қышқыл, H₂SO₄, H₃PO₄ – көпнегізді қышқыл.

Тұздар – металл атомы мен қышқыл қалдығынан тұратын күрделі заттар. Әрекеттесу кезінде негіздің қышқылдығы мен қышқылдың негізділігіне байланысты құрамында Н⁺ және ОН^- иондары жоқ орташа тұздар; ОН^- топтары бар негіздік немесе гидроксотұздар; Н⁺-ионы бар қышқылдық немесе гидротұздар түзіледі. Гидротұз немесе қышқылдық тұз деп көп негіздік қышқылдағы сутек атомдарының орнын металл атомдары ішінара басқан кезде түзілетін тұздарды айтады. Гидроксотұз немесе негіздік тұз деп көпқышқылдық негіздегі гидроксотоптардың орнын қышқыл қалдықтары ішінара жарым-жартылай басқан кезде түзілетін өнімді айтады.  

Тұздарды алу жолдары:

1. Негіздік және қышқылдық оксидтердің әрекеттесуі арқылы

CaO   +     CO₂        =   CaCO₃.

  нег.            қышқ.          орташа

оксид          оксид               тұз 

2. Оксидтердің  қышқылдармен, негіздермен әрекеттесуі арқылы

CuO    +     H₂SO₄     =    CuSO₄,

  нег.             қышқыл            орташа

оксид                                         тұз 

Na₂O   +    Zn(OH)₂   =      Na₂ZnO₂  +  H₂O,

  нег.            амфотерлі              орташа

оксид           гидроксид                 тұз 

SO₃    +    Zn(OH)₂    =    ZnSO₄  +  H₂O.

қышқ.         амфотер.             орташа

оксид         гидроксид               тұз 

3. Гидроксидтердің қышқылдармен және амфотерлі гидроксидтермен әрекеттесуі арқылы

2NaOH   +   H₂SO₄   =    Na₂SO₄   +  H₂O,

   негіз            қышқыл        орташа тұз

2NaOH   +    Zn(OH)₂      =    Na₂ZnO₂ + H₂O.

   негіз             амфотерлі              орташа

                                    гидроксид                 тұз 

4. Қышқылдық  және негіздік тұздарды алу

 H₃PO₄     +     NaOH   =    NaH₂PO₄ + H₂O,

көпнегізді            негіз              гидротұз

 қышқыл 

Cu(OH)₂    +    HCl     =    CuOHCl    +    H₂O,

көпқышқ.           бірнег.         гидрооксотұз

    негіз              қышқыл 

Zn(OH)₂     +      HCl     =     ZnOHCl    +   H₂O,

 амфотер.              бірнег.          гидрооксотұз

гидроксид           қышқыл 

Zn(OH)₂      +    NaOH    =    NaHZnO₂   +   H₂O.

амфотерлі              негіз               гидротұз              

  гидроксид 

1.2            Тәжірибелік бөлім 

1.2.1 Негіздік оксидтерді гидратациялау

Фарфор  ыдыстың 1/3 көлеміне дейін сөндірілмеген әк (CaO) салып, су  қосыңыз. Кальций оксиді суды сіңіреді, одан кейін реакция қатты қызумен жүреді. Реакция теңдеуін жазыңыз. Түзілген гидроксидті 1.2.7 тәжірибені өткізу үшін қалдырыңыз.

 

1.2.2 Негіздік оксидтің қышқылмен әрекеттесуі 

Пробиркадағы мыс оксидінің аз мөлшеріне (бір микрошпатель) сұйытылған тұз немесе күкірт қышқылының ерітіндісін қосыңыз. Пробирканы спиртовкада қыздырыңыз. Ерітінді түсінің өзгеруі суда еритін мыс тұзының түзілуін көрсетеді. Реакция теңдеуін жазыңыз. 

1.2.3 Қышқылдық оксидтің негізбен әрекеттесуі

Құрғақ колбаны Кипп аппаратынан алынған көміртегі (IV) оксидімен толтырыңыз. Газ әкететін түтікшенің ұшын суы бар ыдысқа салыңыз. Газ әкететін түтікшені қысқышпен жауып, колбаның тығынын ашыңыз да үгітілген сілтінің (NaOH немесе KOH) 2-3г салыңыз. Колбаны тығынмен тығыз жауып, сілкіңіз. Қандай өзгеріс байқалады? Реакция теңдеуін жазыңыз. Көмір қышқыл газының сілтімен әрекеттесуін дәлелдеу үшін газ әкету түтікшенің  ұшын суға салып, қысқышты ашыңыз. Су колбаға тез сорылады. Байқалатын  құбылысқа түсініктеме беріңіз. 

1.2.4 Ерімейтін негіз алу

Пробиркаға 3-4 тамшыдан мыс сульфаты ерітіндісі мен эквиваленттік концентрациясы 2 моль/л сілті ерітіндісін құйыңыз. Реакция теңдеуін жазыңыз. Алынған мыс гидроксидінің тұнбасын 1.2.6 тәжірибені өткізу үшін қалдырыңыз. 

1.2.5 Амфотерлік гидроксид алу

Екі пробиркаға 3-4 тамшы мырыш тұзының ерітіндісін, ал басқа екі пробиркаға - осындай мөлшерде кадмий тұзының ерітіндісін құйыңыз. Әр пробиркаға гидроксидтердің ақ түсті қоймалжыңданған тұнбалары түзілгенше концентрациясы 2 моль/л күйдіргіш сілті ерітіндісін тамшылатып қосыңыз. Түзілген гидроксидтердің қышқылдар мен сілтілерге қатысы барын байқаңыз.  Барлық алты реакция теңдеулерін жазыңыз. 

         1.2.6 Орташа тұз алу

         1.2.4 тәжірибеде алынған мыс гидроксидінің тұнбасына эквиваленттік концентрациясы 2 моль/л күкірт қышқылы ерітіндісінің 5-6 тамшысын  тамызыңыз. Реакция теңдеуін жазыңыз. 

         1.2.7 Қышқылдық тұзды алу

         Пробирканың 1/3 көлемін 1.2.1 тәжірибеде алынған әк суымен толтырып, оған көміртегі диоксидін жіберіңіз. Кальций карбонаты тұнбасының пайда болуын байқаңыз. Көміртегі диоксидін тұнба ерігенге дейін жіберіңіз. Реакция теңдеуін жазыңыз. 

         1.2.8  Негіздік тұзды алу

         2-3 тамшы мыс (II) сульфаты ерітіндісі бар пробиркаға осындай мөлшерде сода ерітіндісін қосыңыз. Жасыл-көк түсті гидроксомыс карбонаты (CuOH)₂CO₃ тұнбасының түзілуін байқаңыз. Мыс тұздары сода ерітіндісімен әрекеттескенде мыс карбонатының тұнбасы неге түзілмейді? Судың қатысуымен мыс сульфатының содамен әрекеттесу реакциясының теңдеуін жазыңыз.  

Бақылау сұрақтары 

1. Түзілген негіздердің қайсысы күштірек болып келеді?

2. Күйдіргіш натрий ерітіндісіне H₂S, H₂, Cl₂, CO₂  газдарын жібергенде қайсылары сіңіріледі? Сәйкес реакция теңдеулерін жазыңыз.

3. Көміртегі диоксидін хлор немесе кальций нитраты ерітіндісі арқылы жібергенде карбонат тұнбасы түзілмейді, ал көміртегі диоксиді әк суымен әрекеттескенде тұнба түзіледі. Неліктен?

4. Кальций, бериллий, магний тұздары бар ерітіндіге күйдіргіш натрий ерітіндісін қосты. Реакция теңдеулерін жазыңыз.

5. Алюминий гидроксидінің амфотерлі қасиеттерін іс жүзінде қалай дәлелдеуге болады? Сәйкес реакция теңдеулерін жазыңыз.

6. Калий гидроксиді мен аммоний гидроксидінің артық мөлшерімен алюминий сульфаты ерітіндісіне әсер еткенде басында түзілген тұнба тек бір жағдайда сақталады. Қай жағдай екенін анықтаңыз. Реакция теңдеулерін жазыңыз.       

2 № 2 зертханалық жұмыс. Тотығу-тотықсыздану реакциялары 

Жұмыстың мақсаты: металдар, бейметалдар және олардың қосылыстарының тотығу-тотықсыздану қасиеттерімен танысу; тотығу- тотықсыздану процестерінің теңдеулерін құрастыру әдістемесін үйрену.

 2.1 Теориялық кіріспе 

Электрондардың бір атом немесе бір иондардан басқа атом мен иондарға ығысуымен немесе толық ауысуымен жүретін реакцияларды тотығу- тотықсыздану реакциялары деп атайды. Берілген элементтің атомынан (ионынан) немесе берілген элементтің қосылыстағы атомына (ионына) ығыстырылатын электрондар санын тотығу дәрежесі деп атайды. Тотығу дәрежесі оң (электрондар атомнан немесе ионнан ығыстырылды) және теріс (электрондар атом немесе ионға ығыстырылған) болуы мүмкін.

Электрондарды беру процесі, яғни элементтің тотығу дәрежесінің жоғарылауын тотығу деп, ал электрондарды беретін заттарды – тотықсыздандырғыштар деп атайды. Типтік тотықсыздандырғыштарға атомдарының  электртерістілігі жоғары емес қарапайым заттар (металдар, сутегі, көміртегі), кейбір аниондар (Cl^-, S^2-, SO₃^2- т.б.), тотығу дәрежесі жоғарылайтын катиондар (Fe³⁺, Sn²⁺ және т.б.), көміртегінің кейбір қосылыстары (көмірсутегілер, көміртегі оксиді), азоттың қосылыстары (азотсутегілер), бордың қосылыстары (борсутегілер) және т.б. жатады.

Электрондарды қосып алу процессі, яғни тотығу дәрежесінің төмендеуін тотықсыздану деп, ал электрондарды қабылдайтын заттарды тотықтырғыштар деп атайды. Типтік тотықтырғыштарға атомдары жоғары электртерістілікпен сипатталатын қарапайым заттар (VI және VII тобының негізгі топшаларының элементтері), жоғары тотығу дәрежесіндегі катиондар (Pb⁺⁴, Cr⁺⁶, Ce⁺⁴), электрлік оң элементі ең жоғары дәрежесінде болатын аниондар (N⁺⁵O^-₃, Cr₂⁺⁶O₇^2-, Mn⁺⁷O^-₄ және т.б.), жоғары оксидтер және пероксидтер жатады.

Тотығу-тотықсыздану реакциялары – бір кезде өтетін тотығу және тотықсыздану процестері. Тотықтырғыштары мен тотықсыздандырғыштары әртүрлі заттар болатын реакциялар молекула аралық деп аталады. Егер тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыш ретінде бір молекуланың атомдары немесе иондары қызмет етсе, онда мұндай реакцияларды молекула ішілік деп атайды.

Тотығу-тотықсыздану реакцияларының бағыты термодинамиканың екінші заңымен анықталады. Егер процесс изобара- изотермиялық жағдайда өтетін болса, онда тура реакция оның Гиббс энергиясы нөлден төмен шарты орындалғанда мүмкін болады: ΔG < 0.

Заттың тотығу-тотықсыздану қабілеттілігін реакцияның тотығу-тотықсыздану потенциалы (редокс-потенциал) анықтайды. Редокс-потенциал неғұрлым жоғары болған сайын, заттың тотығушылық қабілеттілігі соғұрлым жоғары болады.  

2.2 Тәжірибелік  бөлім 

2.2.1 Тотығу-тотықсыздану реакцияларына ортаның рН-ның әсері

Үш пробиркаға 3 мл-ден калий перманганаты ерітіндісін құйыңыз. Бірінші пробиркаға – 2 мл 1 М H₂SO₄ ерітіндісін, екіншісіне – 2 мл H₂O, үшіншісіне – 2 мл 2 М KOH ерітіндісін құйыңыз.

Әрбір пробиркаға 3 мл натрий сульфиті ерітіндісін қосыңыз.

Бақылауларыңызды жазып алыңыз. Тотығу-тотықсыздану реакциялардың теңдеулерін құрастырып, тәжірибе нәтижелерін түсіндіріңіз. MnO₄^--иондарының түсі көгілдір-қызыл, Mn²⁺ - әлсіз-қызғылт, MnO₄^2-  - жасыл, ал MnO₂ және Mn(OH)₄ тұнбаларына қоңыр түс сәйкес келеді. 

2.2.2 Калий бихроматының тотығу қасиеттері

Калий бихроматының 2-3 түйіршігін ақшыл-сарғыш түсті ерітіндісі пайда болатындай мөлшерде дистилленген суда ерітіңіз. Ерітіндіні күкірт қышқылының 2-3 тамшысымен қышқылдатып, оған темір (II) сульфатының  түйіршегін салыңыз. Ерітінді қандай түске боялады?

Реакция теңдеуін жазып, тотықсыздандырғыш пен тотықтырғышты көрсетіңіз. 

2.2.3 Сутек асқын тотығының тотығу-тотықсыздану қасиеттері

1. Сутек асқын тотығының тотықтырғыштық қасиеттері

Күкірт қышқылының тең көлемімен қышқылдатылған эквиваленттік концентрациясы 0,5 моль/л калий иодиді ерітіндісінің 2-3 тамшысына асқын тотығының ерітіндісін, 1-2 тамшы крахмал ерітіндісін қосып, бос иодтың бар екенін дәлелдеңіз.

Реакция теңдеуін жазып, тотықтырғыш пен тотықсыздандырғышты көрсетіңіз.

2. Сутек асқын тотығының тотықсыздандырғыштық  қасиеттері

Пробиркаға калий перманганатының қаныққан ерітіндісінің 1 мл құйып,  күкірт қышқылының ерітіндісімен қышқылдатыңыз да 1-2 мл асқын тотығының ерітіндісін қосыңыз. Бөлінетін газды бықсыған шырпымен тексеріңіз. Бұл қандай газ? Реакция теңдеуін жазыңыз. Тотықтырғыш пен тотықсыздандырғышты көрсетіңіз. 

2.3 Бақылау сұрақтары мен есептер 

1. H₂S, Na₂S₂O₃, H₂SO₃ және H₂SO₄ қосылыстарындағы күкірттің тотығу дәрежесін анықтаныз.

2. Молекула аралық және молекула ішілік тотығу-тотықсыздану реакцияларының мысалдарын келтірініз.

3. CuO + H₂ = Cu + H₂O_(с)  реакциясының 298 К-де тура бағытта өтуі мүмкін бе?

4. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының бағытын қандай әдістермен анықтауға болады?

  

3 № 3 зертханалық жұмыс. Металдардың кернеу қатары. Гальваникалық элементтердің жұмысы 

Жұмыстың мақсаты: гальваникалық элементтердің кернеуі мен электр қозғаушы күшін өлшеудің әдістемесін игеру.  

3.1 Теориялық кіріспе         

Металдардың негізгі химиялық қасиеті – атомдардың валентті электрондарын беріп, оң зарядталған иондарға айналу қабілеттілігі. Бұл қабілеттілік металдардың электрон қауыздары мен кристалл торының ерекшеліктеріне байланысты әртүрлі болады. Металды суға батырғанда оның иондары жарым-жартылай ерітіндіге ауысып, фазалардың бөлу бетінде металл потенциалы деп аталатын потенциалдың секіруі пайда болады(φ).

Фазалардың бөлу бетінде потенциалдың секіруін өлшеу мүмкін емес болғандықтан, потенциалы нөлге тең ( = 0) стандартты сутектік электрод арқылы өлшенген салыстырмалы мәндер пайдаланылады.

Стандартты сутектікпен салыстырғанда тотықсыздандырғыш болатын металдардың потенциалдары теріс таңбамен, тотықтырғыш болатын – оң таңбамен алынады. Стандартты (яғни қалыпты жағдайларда анықталған)  электродтық потенциалдары өсу ретімен орналасқан металдар кернеу қатарын түзеді. Мұнда металл иондары сияқты оң зарядты иондар түзе алатын сутегі де орналасқан.

Кернеу қатарында сутегіге дейін орналасқан металдар оны қышқылдардың сұйытылған ерітінділерінен ығыстыра алады. Сол жағында тұрған металдың потенциалы неғұрлым кіші болса, соғұрлым металл оңай тотығады да иондарының тотықсыздануы қиындайды. Оң жағындағы металдың потенциалы неғұрлым жоғары болса, оның тотығуы қиындап, иондары оңай тотықсызданады.

Кернеу қатарының сол жағында орналасқан әрбір металл өзінен кейін орналасқан металдарды тұздар ерітінділерінен ығыстырады. Ығыстыратын металл тотығып, ерітіндіге ион түрінде ауысады, ал ығысатын металл тотықсызданып, ерітіндіден металл түрінде бөлініп шығады.

Өз тұзының ерітіндісіне батырылған металдан тұратын жүйе металл электроды деп аталады. Әртүрлі электродтардың потенциалдары бірдей болмайтындықтан, олардан электр тізбегін құрастырып түйістірсе, онда өтетін тотығу-тотықсыздану процестердің нәтижесінде химиялық энергияны электрлікке айналдыратын жүйені алуға болады. Тотығу-тотықсыздану химиялық реакциясының энергиясын электрлікке айналдыратын жүйе гальваникалық элемент деп аталады. Тотығу процесі жүретін электрод – анод, ал тотықсыздану процесі жүретін – катод деп аталады.

Анод рөлін кернеу қатарында сол жағында орналасқан белсендірек металл атқарады (потенциалы терісірек мәндер жаққа ығысқан).

Мысал ретінде 1 молярлы никель сульфаты ерітіндісіне батырылған  никель электроды (= –0,25 В) мен 1 молярлы күміс нитраты ерітііндісіне батырылған күміс электродынан (= +0,80 В) тұратын гальваникалық элементті қарастырайық. Ерітінділер өзара иондық электрөткізгіштікті қамтамасыз ететін, ерітінділердің араласуына кедергі болатын электрлік кілт (электролит ерітіндісімен толтырылған шыны түтікшесі) арқылы контактілейді.

Электродтарды сыртқы тізбегінде гальванометр арқылы металл өткізгішімен тұйықтағанда, электр тоғының түзілуін көріп, оның бағытын анықтауға болады.  Электродтарда келесі өзгерулер жүреді:

анод:    Ni⁰ –2ē = Ni²⁺  (тотығу);

катод:  Ag⁺ +ē = Ag⁰ (тотықсыздану).

Анод – теріс, ал катод – оң зарядталады.

Гальваникалық элементтің электр қозғаушы күші: Е= φ_к – φ_А.

Берілген жағдайда  Е = +0,80 – (–0,25) = 1,05 В. 

3.2 Тәжірибелік бөлім 

3.2.1 Металдардың сутекті қышқыл ерітінділерінен ығыстыруы

Бес пробиркаға 3-4 мл тұз қышқылы ерітіндісін құйып, әрқайсысына бір металдың түйіршегін салыңыз (магний, алюминий, мырыш, темір және мыс).

Металдардың қайсысы сутегіні қышқыл ерітіндісінен ығыстырады? Реакциялардың молекулалық, иондық және электрондық теңдеулерін жазыңыз.  

3.2.2 Металдардың басқа металдармен ығысуы

1. Пробиркаға 3-4 мл мыс купоросын құйып, таттан тазаланған темір сымын салыңыз. Қандай құбылыс байқалады? Темір сымын мырыш пластинасына ауыстырып, тәжірибені қайталаңыз. Реакциялардың молекулалық, иондық және электрондық теңдеулерін жазыңыз.

2. Пробиркаға 3-4 мл сірке қышқылды қорғасын ерітіндісін құйып, мырыш пластинасын салыңыз. Қандай құбылыс байқалады? Реакциялардың молекулалық, иондық және электрондық теңдеулерін жазыңыз.

3. Сағат шыныcына күміс нитраты ерітіндісінің 4-5 тамшысын құйып, жақсылап тазаланған мыс сымын салыңыз. Қандай құбылыс байқалады? Реакциялардың молекулалық, иондық және электрондық теңдеулерін жазыңыз.  

3.2.3 Мыс-мырыш гальваникалық элементі

Мыс пластинасын – 1 молярлы мыс купоросы ерітіндісіне, ал мырыш пластинасын – 1 молярлы мырыш купоросы ерітіндісіне батырыңыз. Екі ерітіндіні агар-агар және клей қосылған (ерітінді төгілмеу үшін) калий хлориді ерітіндісімен толтырылған  бүгілген шыны түтікшесі арқылы қосыңыз.

Металл пластиналарының екеуіне де мыс сымдарын бекітіп, бос шеттерін фенолфталеиннің 2-3 тамшысы қосылған натрий сульфаты ерітіндісіне батырыңыз. Мырыш пластинасына бекітілген сымның айналасындағы ерітінді қызыл күрең түске боялады.

Анод пен катодта қандай тотығу-тотықсыздану процестері жүреді? Құрастырылған гальваникалық элементте өтетін реакциялардың иондық теңдеуін жазып, электр қозғаушы күшін есептеңіз.                                                                   

3.3  Бақылау сұрақтары мен есептер 

1. Стандартты электродтық потенциал деген не?

2. Тұз ерітінділерінен мырыш қорғасынды ығыстырады, ал қорғасын мырышты ығыстыра алмайды. Неліктен?

3. Темір қай ерітінділерден металдарды ығыстырады: Al₂(SO₄)₃, Ag₂SO₄, SnSO₄?

4. Металл потенциалына иондардың ерітіндідегі концентрациясы әсер етеді ме?

5. Fe, Al, Zn, Cu, Cr, Ca, Hg металдарының қайсылары сутекті сұйытылған күкірт қышқылы ерітіндісінен ығыстырады:?

6. Біреуінде темір катод, ал екіншісінде – анод болатын екі гальваникалық элементтердің сүлбелерін құрастырыңыз. Бұл элементтерде өтетін реакция теңдеулерін құрастырыңыз.

7. (-) Fe/Fe²⁺//Ag⁺/Ag (+) гальваникалық элементінде  болғанда электрондардың қозғалу бағытын анықтаңыз. Электродтық реакциялардың теңдеулерін жазып, ЭҚК мәнін есептеңіз.

8. Концентрациялары  

(-) Cd/Cd²⁺//Cu²⁺/Cu (+) гальваникалық элементінің ЭҚК есептеңіз.

9. Кернеу қатарын қолдана отырып, ЭҚК мәні ең жоғары болу үшін гальваникалық элементті қандай металдардан құрастыру қажет екендігін түсіндіріңіз.

10. Zn + 2Fe³⁺ → Zn²⁺ + 2Fe²⁺ тотығу-тотықсыздану реакциясы жүруі үшін гальваникалық элементті қалай құрастыру қажет?  

4 № 4 зертханалық жұмыс. Электролиз 

Жұмыс мақсаты: электролиттердің сулы ерітінділерін электролиздегенде еритін және ерімейтін электродтарда өтетін процестермен танысу. 

4.1 Теориялық кіріспе 

Электролит ерітіндісі немесе балқымасы арқылы тұрақты ток өткен кезде электродтарда өтетін химиялық процестерді элктролиз деп айтады. Бұл процестер электрлік энергияның химиялыққа айналуымен жүреді.

Электролиздің маңызы: электр тоғының әсерінен анодта тотығу процесі, ал катодта – тотықсыздану процесі жүреді. Сілтілік және сілтілік-жер металдар тұздарының сулы ерітінділерін электролиздегенде катодта сутегі иондары разрядталып, металл иондары ерітіндіде қалады. Кернеу қатарында алюминий мен сутектің арасында орналасқан металл (мысалы, мырыш, никель) тұзының ерітіндісін электролизге ұшыратқанда сутегі бөлінуінің аса кернеулігімен түсіндірілетін катодта сутек емес, металл бөлінеді.

Анод инертті материалдан (мысалы, графиттан) жасалса, электролиз кезінде анодта құрамында оттегі жоқ электролит аниондары (мысалы, Cl^-, Br^-, S^2-) разрядталады. Құрамында оттегі бар (мысалы, SO₄^2-, РО₄^3-, NO₃^-) аниондар ерітіндіде қалып, судан бос оттегінің бөлінуімен ОН^--иондары разрядталады  4ОН^- –4ē = 2H₂O + O₂.

Кернеу қатарында алюминийге дейін орналасқан металл мен оттекті қышқылдан түзілген тұздың сулы ерітіндісін электролиздегенде (мысалы, К₂SO₄) тұз иондары разрядталмайды. Бұл жағдайда электролизге су ұшырайды: катодта – сутек, анодта – оттек бөлінеді.

K₂SO₄ сулы ерітіндісі электролизінің сүлбесі

K₂SO₄ = 2К⁺ + SO₄^2-,

H₂O = H⁺ + OH^-.

 

 

 

Сутек иондарының концентрациясының азаюына байланысты катодтық кеңістіктегі орта – сілтілік, ал анодтықта гидроксид-иондарының концентрациясының азаюына байланысты – қышқылдық болады.

NiSO₄ сулы ерітіндісі электролизінің сүлбесі

NiSO₄ = Ni²⁺ + SO₄^2-,

H₂O = H⁺ + OH^-.

 

 

 

 

Анодтық кеңістіктегі орта – қышқылдық, катодтықта – сутек пен гидроксид-иондар концентрацияларының қатынасы өзгермейтіндіктен, ортаның қышқылдығы өзгермейді.

 4.2 Тәжірибелік бөлім

 4.2.1 Калий йодиді ерітіндісінің электролизі

U – тәрізді түтікшеге ортасына дейін крахмал клейстерінің бірнеше тамшысы мен фенолфталеиннің 2-3 тамшысы қосылған калий йодиді ерітіндісін құйыңыз. Түтікшенің екі шетіне көмір электродтарын салып, тұрақты ток көзін қосыңыз. 1-2 минуттан кейін катод пен анод айналасындағы ерітінді бояуланады. Байқалатын құбылысты түсіндіріп, сулы ерітінді электролизінің сүлбесін құрастырыңыз.

 4.2.2 Натрий сульфаты ерітіндісінің электролизі

U – тәрізді түтікшеге лакмус ерітіндісі  қосылған (немесе индикатор қағазы салынған) натрий сульфаты ерітіндісін құйыңыз. Электродтарды салып, тұрақты электр тоғын қосыңыз. 1-2 минуттан кейін электродтардың маңайындағы ерітіндінің бояуы өзгереді. Натрий сульфаты сулы ерітіндісі электролизінің сүлбесін құрастырыңыз.  

4.2.3 Мыс сульфаты ерітіндісінің электролизі

U – тәрізді түтікшеге мыс сульфаты ерітіндісін құйыңыз. Көміртегі электродтары арқылы 4-5 минут ішінде ток жіберіңіз. Электродтарда не бөлінеді?  Байқалатын құбылысты түсіндіріп, ерітінді электролизінің сүлбесін құрастырыңыз.  

4.2.4 Еритін анодпен электролиз

Алдыңғы тәжірибеде бөлінген мысы бар электродты ток көзінің оң полюсына, ал екінші электродты – теріс полюсқа қосып, электр тоғын өткізіңіз. Анодтағы мыс ери бастайды. Неліктен? Мыс анодындағы мыс сульфаты сулы ерітіндісі электролизінің сүлбесін құрастырыңыз.  

4.2.5 Цинк хлориді сулы ерітіндісінің электролизі

Электролизерға цинк хлориді ерітіндісін құйып, графит электродтарын батырыңыз. Ток көзіне қосып, 5 минут ішінде электролизді жүргізіңіз. Тәжірибе уақыты біткеннен кейін катодты шығарып, мырыш қаптауының түзілгенін көріңіз. Анод кеңістігінде хлордың түзілуін калий йодиді мен крахмалдың бірнеше тамшысын қосып, көк түсті бояудың пайда болуы бойынша анықтаңыз. Цинк хлориді ерітіндісі электролизінің сүлбесін құрастырыңыз.  

4.3 Бақылау сұрақтары мен есептері 

1. Графит электродтарында AgNO₃, К₂СО₃ сулы ерітінділері электролизінің сүлбелерін құрастырыңыз. Анодтық және катодтық кеңістіктердегі реакция ортасын анықтаңыз.

2. CuSO₄, Na₂S, Al₂(SO₄)₃, Ag₂SO₄, MnSO₄, ZnSO₄ ерітінділерін электролиздегенде қайсыларында катодта сутек бөлінеді?

3. К₃РО₄, NaI, CaCl₂,  K₃S ерітінділерін электролиздегенде қайсыларында анодта оттек бөлінеді?

4. а) графит, б) темір электродтарында FeCl₂ ерітіндісін электролиздегенде катод пен анодта қандай процестер жүреді?

5. CuSO₄ ерітіндісі арқылы 8А ток күшімен 6 сағат ішінде ток жіберілсе, катодта қанша мыс бөлінеді? Инертті анодта қандай мөлшерде қандай зат бөлінеді?  

5 № 5 зертханалық жұмыс. Металдардың коррозиясы 

Жұмыстың мақсаты: коррозионды микроэлементтер мен модельдерінің түзілу шарттарын, металдардың электрохимиялық корррозиясының жылдамдығына әртүрлі факторлардың әсерін зерттеу, металдарды коррозиядан қорғаудың маңызды әдістерімен танысу.  

5.1 Теориялық кіріспе 

Қоршаған ортаның химиялық немесе электрохимиялық әсерінен металдың бұзылуын коррозия деп атайды. Коррозия жылдамдығын бірлік бетіндегі бірлік өлшем уақытында үлгінің  массасын жоғалтуы немесе бірлік уақытында металл қалыңдығының азаюы бойынша анықтайды. Металдың бұзылу сипатына қарай коррозия бүтіндей (жалпы) және локальдіге (жергілікті) бөлінеді. Бүтіндей коррозияда бұйымның беттік қабаты түгелдей бұзылады, локальдіде – беттік қабаттың жекеленген бөліктері ғана бұзылады.

Коррозиялық процестің механизмі бойынша химиялық және электрохимиялық коррозияны айырады. Химиялық коррозия электр тоғын өткізбейтін орталарда жүреді. Химиялық коррозия кезінде металдың тотықтырғышпен тікелей әрекеттесуі жүреді.                        Электрохимиялық коррозия иондық өткізгіштігі бар орталарда жүреді. Мұнда коррозия тотықтырғыштың катодтық тотықсыздануының әсерінен металдың анодтық еруі болып табылады. Коррозиялық процестерде ең кеңінен таралған тотықтырғыштар: сутек иондары мен оттек молекулалары.

Сутек иондарының қатысында жүретін коррозия сутектің бөлінуімен (немесе сутектік деполяризациямен) жүретін коррозия  деп аталады. Мұнда өтетін электродтық процестердің теңдеулері

Me –nē → Meⁿ⁺,

2Н⁺ +2ē → H₂.

Сутектің бөлінуімен коррозия сутек электродының потенциалы металл потенциалынан жоғары болғанда жүреді. Коррозия жылдамдығы сутек бөлінетін беттің түрі мен металл табиғатына байланысты сутектің бөліну реакциясының жылдамдығына тәуелді. Коррозия жылдамдығы металл әрекеттесетін ерітіндінің рН мен температурасына тәуелді.

Оттектің қатысымен коррозия оттектің сіңірілуімен (оттектік деполяризациямен) жүретін коррозия деп аталады. Электродтық процестердің теңдеулері

Me –nē → Meⁿ⁺,

О₂ + 2Н₂О +4ē → 4OH^-.

Оттектің сіңірілуімен коррозия оттек электродының потенциалы металл потенциалынан жоғары болғанда жүреді. Бұл жағдайда коррозия жылдамдығы оттектің диффузиялану жылдамдығымен анықталады. Ерітіндіні араластырғанда және еріген оттектің концентрациясын жоғарылатқанда коррозия жылдамдығы өседі.

Кейбір жағдайларда  коррозия жылдамдығы анодтық реакциялармен лимиттенеді. Әдетте, бұл құбылыс пассивтеуге қабілеттілігі бар металдарда (алюминий, титан, хром, никель, тантал және т.б.) байқалады. Металдың пассивтілігі деп анодтық процестің баяулауына байланысты жоғары коррозиялық тұрақтылық күйін айтады. Пассивтеудің себебі – металдың бетінде қорғау қабыршақтың түзілуі.

Коррозияны пассивтену арқылы және металдың потенциалын өзгертіп, тотықтырғыштың концентрациясын азайтып, металдың бетін тотықтырғыштан оқшаулап немесе металдың құрамын өзгертіп баяулатуға болады. Қорғау әдісін таңдау бұл металды қолдану шарттары мен экономикалық тиімділігімен анықталады.

Металдың коррозиялық қасиеттерін легірлеу арқылы өзгертуге болады. Легірлеу – құйманың құрамына коррозия жылдамдығын төмендететін немесе оны болдырмайтын компонентті енгізу. Әдетте, құймалар құрамына металдың пассивтенуіне (яғни бетінде қорғау қабыршақтың түзілуіне) әкелетін  компоненттерді енгізеді. Мұндай компоненттерге хром, никель, титан, вольфрам және т.б. жатады.

Метал коррозиясының жылдамдығын төмендететін тиімді әдісі – металдарды қорғаныс жабындарымен қаптау. Қорғаныс ретінде металдық, оксидтік, силикатты, лак-бояу және т.б. жабындар қолданылады. Олардың әсер ету механизмі металды тотықтырғыштан оқшаулауда жатады. Металдық жабындар катодтық және анодтық болады. Жабын металдың потенциалы қорғанатын металдың потенциалынан төмен болса, коррозия кезінде жабын металл еріп (коррозияға ұшырап), негізгі металл бұзылмайды. Мұндай жабындар анодтық деп аталады (мысалы, мырышталған темір). Жабын металының потенциалы негізгі металдікінен жоғары болса, жабынның тұтастылығы бұзылғанда (құыстар, жарықтар пайда болғанда) негізгі металл коррозияға ұшырауы мүмкін. Мұндай жабындар катодтық деп аталады (мысалы, мысталған темір).

Коррозия жылдамдығын реакциялардың потенциалын өзгерту арқылы катодтық және анодтық реакцияларды баяулатып азайтуға болады. Металды мұндай әдіспен қорғау электрохимиялық әдіс деп аталады. Электрохимиялық қорғау әдістеріне протекторлы қорғау, катодтық және анодтық әдістер жатады. Қорғанатын металл конструкциясына протекторды (яғни, потенциалы терістеу металды) жалғастырғанда протектордың коррозиясы жүреді де негізгі металл сақтанып қалады. Катодтық қорғау әдісінде қорғанатын бұйым токтың сыртқы көзінің теріс полюсіне жалғанады. Бұл кезде қорғанатын бұйымның бетінде сутек бөлінеді. Ал анодтық қорғауда қорғанатын бұйым токтың сыртқы көзінің оң полюсіне жалғанады да, қорғанатын металдың пассивтенуі жүреді.

Мұнымен қатар, коррозияны коррозиялық ортаға әсер етіп (тотықтырғыштың концентрациясын азайтып, арнайы ингибиторларды енгізіп) баяулатуға болады.   

5.2 Тәжірибелік бөлім 

5.2.1  Болат бетінің электрохимиялық әртектілігі

Болаттың электрохимиялық әртектілігіне және тотықтырғыштың болуына байланысты оның бетінде коррозиялық микроэлементтер түзіледі.  Бұл микроэлементтер жұмыс істегенде темірдің анодтық еруі жүреді. Темірдің еруін Fе²⁺-ионы индикатормен әрекеттескенде турнбул көгінің түзілуінен анықтайды.

Тәжірибені өткізу үшін болат пластинасын егеуқұм қағазымен тазалап, сумен жуып, сүзгіш қағазымен сүртіңіз. Пластинаның бетін  ферроксилиндикаторымен суланған сүзгіш қағазын жабыңыз. 2-3 минуттан кейін дақтардың пішіні мен таралуын, сүзгіш қағазы бояуының өзгеруін байқаңыз.  Байқаған құбылыстарды түсіндіріңіз. Электродтық реакциялардың потенциалдар мәндерін қолдана отырып, реакция теңдеулерін жазыңыз.  

5.2.2  Графитпен контактілегенде темірдің коррозиясы

U-тәрізді түтікшені көлемінің жартысына дейін 0,5 М натрий хлориді ерітіндісімен толтырыңыз. Болат және графит электродтарын егеуқұм қағазымен тазалап, сумен жуыңыз. Түтікшенің бір жағына болат электродын салып, 3-4 тамшы K₃[Fe(CN)₆] қосыңыз, екінші жағына графит электродын салып, 3-4 тамшы фенолфталеин қосыңыз.

Милливольтметр арқылы сыртқы тізбекті тұйықтап, кернеуін жазып алыңыз. Вольтметрді айырып тастап, сыртқы тізбекті мыс өткізгішімен тұйықтаңыз. Элементтің жұмысы мен катодтық және анодтық кеңістіктеріндегі ерітінді бояуының өзгеруін байқаңыз.

Анодтық процестің теңдеуі мен электродтың стандарттық потенциалының мәнін жазып алыңыз. Анодтың маңайында бояудың өзгеруінің себебін түсіндіріңіз.

Тәжірибенің басында ортаның рН мәнін ескере отырып және газдар қысымын атмосфералыққа тең деп, мүмкін болатын катодтық процестердің потенциалдарын есептеңіз. Катодта өтетін процестердің теңдеулерін жазып, катод маңайында ерітінді бояуы өзгеруінің себебін түсіндіріңіз.

Коррозиялық процестің жалпы теңдеуін жазып, коррозиялық элементтің сүлбесін құрастырыңыз.  

5.2.3 Темір коррозиясының жылдамдығына жанасатын металдар табиғатының әсері

Тәжірибеде болаттың әртүрлі металдармен жұптарындағы коррозиясы зерттеледі. Тәжірибенің бірінші бөлімінде темір никельмен және мыспен жұпта болады, екінші бөлімінде – қорғасынмен және кадмиймен.

U-тәрізді түтікшеге көлемінің жартысына дейін 0,1 молярлы  H₂SO₄ ерітіндісін құйыңыз. Металл пластиналарын егеуқұм қағазымен жақсылап тазалап, сумен жуыңыз. Түтікшенің бір жағына болат пластинасын, екінші жағына - никель (немесе мыс) пластинасын салыңыз. Милливольтметр арқылы элементтің кернеуін анықтаңыз. Тәжірибені кадмий немесе қорғасын пластинасымен қайталаңыз.

Тәжірибе қорытындыларына анодтық және катодтық процестердің теңдеулерін, реакцияның жалпы теңдеуін жазыңыз. Коррозиялық элементтің сүлбесін келтіріңіз.

Катодтық реакцияның потенциалын есептеп, қолданған металдар табиғатының коррозия жылдамдығы мен коррозиялық элементтің кернеуіне әсерін түсіндіріңіз.  

5.2.4  Металл пассивтілігі

Натрий хлориді ерітіндісінде пассивті және белсенді металдың тәртібі.

Темірді белсенді ету үшін болат пластинасын молярлы концентрациясы 0,5 моль/л тең тұз қышқылы ерітіндісімен, ал пассивтендіру үшін түтіндеп тұрған азот қышқылымен өндейді.

U-тәрізді шыны түтікшесін молярлы концентрациясы 0,5 моль/л натрий хлориді ерітіндісімен толтырыңыз. Болат және графит пластиналарын егеуқұм қағазымен тазалап, сумен жуыңыз. Болат пластинасын 2-3 минутқа 0,5 молярлы тұз қышқылы ерітіндісіне батырып, сумен жуыңыз. Түтікшенің бір жағына болат пластинасын салып, 3-4 тамшы K₃[Fe(CN)₆] қосыңыз, екінші жағына – графит пластинасын салып, 3-4 тамшы фенолфталеин қосыңыз. Сыртқы тізбекті милливольтметр арқылы тұйықтап, кернеуін жазып алыңыз. Милливольтметрді айырып, сыртқы тізбекті мыс немесе алюминий өткізгішімен тұйықтаңыз. Элемент жұмыс істеген кезде катодтық және анодтық  кеңістіктерде ерітінді бояуының өзгеруін байқаңыз.

Болат пластинасын шығарып алып, сумен жуыңыз да 2-3 минутқа тығыздығы 1,5 г/см³  түтіндеп тұрған азот қышқылы ерітіндісіне салып. одан кейін сумен жуыңыз.  Қышқыл ерітіндісімен өндеу процесін  тартпа шкафта жүргізіңіз!

U-тәрізді түтікшедегі ерітіндіні төгіңіз де, тәжірибенің бірінші бөліміндегі индикаторлары бар жаңа дайындалған ерітінділерді құйыңыз. Болат және графит пластиналарын түтікшеге батырып, тәжірибелерді қайталаңыз.

Тәжірибені қорытындылағанда U-тәрізді түтікшедегі болат пластинасында мүмкін болатын анодтық процестерді жазып, анодтың маңайындағы ерітінді бояуының өзгеруінің себебін жазыңыз. Болат пластинасының сұйытылған тұз қышқылы және концентрлі азот қышқылында өнделгеннен кейінгі коррозияға беріктілігінің айырмашылығын түсіндіріңіз. Тәжірибенің басында ортаның рН мәнін ескере отырып және газдар қысымын атмосфералыққа тең деп, мүмкін болатын катодтық процестердің потенциалдарын есептеңіз. Катодта өтетін процестердің теңдеулерін жазып, катод маңайында ерітінді бояуы өзгеруінің себебін түсіндіріңіз.

Катод белсендірілген және пассивтелген темірмен жұп болғанда оның коррозияға төзімділігінің айырмашылығын түсіндіріңіз. Коррозия процесінің жалпы теңдеуін жазып, коррозиялық элементтің сүлбесін келтіріңіз. Тәжірибенің бірінші және екінші бөлімдеріндегі элементтің кернеуіндегі айырмашылығын түсіндіріңіз.  

5.2.5  Хлор иондарының белсенді ету әсері

Екі пробиркаға жартысына дейін күкірт қышқылы қосылған мыс сульфаты ерітіндісін құйыңыз. Бірінші пробиркаға натрий хлоридін қосыңыз. Пробиркалардың екеуіне алюминий сымын салыңыз. Пробиркалардың қайсысында газдың бөлінуі белсендірек жүреді? Анодтық, катодтық және жалпы процестердің теңдеулерін жазып, коррозиялық элементтің сүлбесін келтіріңіз. Реакция жылдамдығына хлор-иондарының әсер ету механизмін түсіндіріңіз.  

5.2.6 Металды легірлеу

Тоттанбайтын болаттың құрамына кіретіндіктен никель мен хром темірді легірлейтін қоспалар ретінде қолданылады.

Екі пробиркаға жартысына дейін су қосып, 2-4 мл H₂SO₄ ерітіндісі мен  2-4 тамшы K₃[Fe(CN)₆] ерітіндісін қосыңыз. Бірінші пробиркаға егеуқұм қағазымен тазаланып, сумен жуылған болат пластинасын, екіншіге  -тазаланбаған тотталмайтын болат пластинасын салыңыз. 5 минуттан кейін ерітінді бояуының өзгеруі мен бірлік уақытында бөлінетін газ көпіршіктерінің мөлшерін байқаңыз.

Потенциалдарын есептеп (ерітіндінің рН = 1, темір иондарының активтілігі 10^-3 моль/л), анодтық және катодтық процестердің теңдеулерін жазып, байқаған құбылыстарыңызды түсіндіріңіз. Коррозия процесінің сүлбесін келтіріңіз. Пластиналардың қышқыл ерітінділерінде коррозияға төзімділігінің айырмашылығын түсіндіріңіз. 

5.2.7 Анодтық және катодтық қорғау жабындары

Екі пробиркаға жартысына дейін су құйып, 1-2 мл H₂SO₄ және 2-4 тамшы K₃[Fe(CN)₆] ерітінділерін қосыңыз. Бір пробиркаға – мырышталған темір пластинасын, ал екіншіге – қалайыланған темір пластинасын батырыңыз. 5 минуттан кейін пробиркалардағы ерітінділердің бояуларының өзгеруін байқаңыз.

Байкауларыңызды түсіндіріп, анодтық және катодтық процестердің теңдеулерін жазып, коррозиялық элементтердің жұмыс істеу сүлбелерін келтіріңіз. Зерттелген жабындардың қайсысы анодтық, қайсысы  катодтық?

Пробиркалардағы ерітінділерді төгіп, темір пластиналарын кран астындағы сумен жақсылап жуып, тәжірибені сілті ерітіндісімен қайталаңыз. Байқалған құбылыстарды жазыңыз да түсіндіріңіз.  

5.3 Бақылау сұрақтары мен есептері        

1. Металдардың коррозиясы деген не?

2. Коррозияның қандай түрлері болады?

3. Электрохимиялық коррозияның химиялықтан айырмашылығы.

4. Электрохимиялық коррозияның жылдамдығы.

5. Металл бетінің электрохимиялық әртектілігінің себептері.

6. Коррозиялық микрогальваникалық элементтер түзілуінің себептері.

7. Сутектің бөлінуімен және оттектің сіңірілуімен өтетін коррозияның жүру мүмкіндігін қалай анықтауға болады?

8. Сутектің бөлінуімен өтетін  коррозияға қандай факторлар әсер етеді? 

9. Оттектің сіңірілуімен өтетін коррозияның жылдамдығын қалай баяулатуға болады? 

10. Металдың пассивтенуі деген не?

11. Коррозия активаторлары деген не?

12. Си²⁺ -иондарының активтілігі 10^-3 моль/л және ортаның рН=3  болатын ерітіндіде сутектің бөлінуімен   коррозияның өтуі мүмкін бе?

13. Fe²⁺-иондарының активтілігі 10^-4 моль/л, ортаның рН=2 болатын ерітіндіде сутектің бөлінуімен коррозияның өтуі мүмкін бе?

14. Сu²⁺-иондарының активтілігі 10^-4 моль/л, ортаның рН бейтарап болатын ерітіндіде мыстың ауада оттекті сіңірумен коррозиясы мүмкін бе?

15. Аu⁺-иондарының активтілігі 10^-4 моль/л, реакция ортасы бейтарап ерітіндіде алтынның ауада оттекті сіңірумен коррозиясының өтуі мүмкін бе?

16. Металдар коррозиясының жылдамдығын қалай баяулатуға болады?

17. Қорғаныс жабындардың түрлері. Оларды алу әдістері.

18. Анодтық және катодтық қорғаныс жабындары деген не?

19. Металдардың электрохимиялық қорғауы. Бұл қорғаудың қандай түрлерін білесіз?

20. Металдардың катодтық қорғауы деген не?

21. Металдардың протекторлық қорғауы деген не?

22. Коррозиялық процестің жылдамдығын баяулату үшін коррозиялық ортаны қалай өзгертеді?

23. Коррозия ингибиторлары деп қандай заттарды айтады? 

6 №6 – зертханалық жұмыс. Полимерлі  материалдар 

Жұмыстың мақсаты: кейбір полимерлі материалдардың физика –химиялық қасиеттерінің қатарын оқып үйрену және физика – химиялық сынауларын жүргізу. 

6.1 Теориялық бөлім 

Полимерлер – бірнеше мыңнан көптеген миллиондарға дейін молекулалық массасымен сипатталатын жоғарымолекулалық қосылыстар. Полимерлердің молекулалары ( тағы бір атауы - макрамолекулалар) қайталанып келетін көптеген үзбелерден тұрады. Макрамолекулаларының үлкен молекулалық массасына байланысты полимерлер ерекше қасиеттерге ие болады. Сондықтан олар химиялық қосылыстардың ерекше тобына бөлінген.

Жоғары молекулалық қосылыстарды (полимерлерді) синтездеу үшін бастапқы заттар ретінде төменгі молекулалық заттар (мономерлер) колданылады. Полимерлерді мономерлерден полимерлену (немесе сополимерлену) және поликонденсациялану жолымен алады.

Полимерлердің химиялық қасиеттері олардың құрамына, молекулалық массасына және құрылымына байланысты. Полимерлерге функционалды топтардың бір - бірімен  және төменгі молекулалы заттармен әрекеттесуі мен деструкция реакциялары және макромолекулалардың бір – бірімен көлденең байланыстармен қосылу реакциялары тән келеді. Полимерлердің реакцияласуға жоғары қабілеттілігіне молекулаларындағы қос байланыстар мен функционалды топтар себеп болады. Полимерлердің механикалық қасиеттері элементтік құрамымен, молекулалық массасымен, құрылымы мен физикалық күйімен анықталады. Полимерлердің көпшілігі диэлектриктерге жатады. Олардың диэлектрлік қасиеттері кең шектерде жатады және макромолекулалардың құрылысы мен құрамына байланысты. Полимерлердің диэлектрлік қасиеттері көбінесе макромолекулалардағы полярлы топтардың концентрациялары және сипаттамасымен анықталады. Макромолекулалардағы галогенді, гидроксилді, карбоксилді және басқа полярлы  топтардың болуы полимерлердің диэлектрлік қасиеттерін төмендетеді. Мысалы, полиэтиленмен салыстырғанда поливинилхлоридтің диэлектрлік өткізгіштігі 1,5 есе жоғары, меншікті электрлік кедергісі мен электрлік беріктілігі бір деңгейге төмен, ал диэлектрлік шығындары екі деңгейге жоғары болады. Сондықтан  жақсы диэлектриктерге полярлы топтары жоқ фторопласт, полиэтилен, полистирол сияқты полимерлер жатады. Полимердің молекулалық массасы жоғарылаған сайын оның диэлектрлік  қасиеттері  артады.

Полимерлердің негізінде талшықтар, қабыршықтар, резеңкелер, лактар, желімдер, пластмассалар және  композициялық материалдар (композиттер) алынады. 

 6.2 Тәжірибелік бөлім 

6.2.1 Ұнтақтардың меншікті көлемін анықтау

Меншікті көлем деп зат көлемінің оның массасына қатынасын айтады (см³/г). Ұнтақ тәріздес материалдардың меншікті көлемін әдетте 1г ұнтақтың бос күйінде алатын көлемі бойынша анықтайды.

Ұнтақ тәріздес материалдың меншікті көлемі неғұрлым  аз болса, соғұрлым оны өңдеу (қысымның әсерімен құю, баспақтау және т.б.) ыңғайлы болады. Ондай ұнтақта сапалы заттарды алуда кедергі болатын ауа азырақ болады. Сынауды өткізу үшін лаборанттан ұнтақталған материалды алыңыз. Сыналатын ұнтақтың жобалап 200г (өлшеудің дәлділігі 0,1г.) сілкілемей (соқпай) құрғақ өлшеуіш цилиндрге салыңыз. Ұнтақ көлемін 1 мл-ге (1см³-ке) дейін дәлдікпен  цилиндрдің қабырғасында жасалған бөліктері бойынша анықтаңыз.

Тәжірибенің қорытындыларын келесі түрде жазыңыз:

1. Үлгінің нөмірі ........................................

2. Ұнтақтың массасы, т............................(г)

3. Ұнтақтың көлемі,V.................................(см³)

4. Ұнтақтың меншікті көлемі, х..............(см³/г)

5. Екі өлшеудің орташа қорытындысы,  х_орт.

(х_орт.=х+х₁/2).............................................(см³/г)

 (екінші өлшеу х₁ – жұмыс бойынша сіздің серіктесіңіз анықтаған меншікті көлем).

6. Материалдың аталуы (оқытушыдан немесе лаборанттан біліңіз).

7. Ұнтақтың меншікті көлемі, х_{теор................}(см³/г)

(х_теор оқытушыдан немесе лаборанттан біліңіз). 

6.2.2 Ұшқыш заттарының мөлшерін анықтау

Үлгіні 103-105 °С-ге дейін қыздырып ұшқыш заттар мен ылғалдылықты шығарады.

Баспақтау, қысымның әсерімен, құю және басқа әдістерімен өңделетін полимерлерде ұшқыш заттардың мөлшері маңызды болып табылады, себебі олар бұйымдардың бұрсиюына, қампаюына, әшекейленуіне, жарықтардың, көпіршіктердің ойлы- қырлы жерлерінің пайда болуына әкеледі.

Ұшқыш заттардың мөлшерін  пайызбен өрнектейді.

Лаборанттан ұшқыш заттарды анықтауға арналған үлгіні және қақпағы бар бюкс алыңыз ( бюкстің диаметрі ~40 мм).

Аналитикалық таразыда 0,001 г дәлдікпен бюксті қақпағымен бірге өлшеңіз (т_г). Жобабен зерттелетін заттың 5г бюкске салып, қақпағын нығыздап жауып, таразыға сол дәлділікпен қайта өлшеңіз (т₂). Өлшемнің айырмашылық салмағын анықтаңыз(т₃).

Өлшемді қақпағы ашық бюксте 30 минутқа (температурасы 103— 105°) термошкафка қойыңыз. Одан кейін бюксті эксикаторға салқындатып, қақпағын жауып қайта өлшеңіз(т₄). Өлшемнің айырмашылық салмағын термоөңдеуден кейін анықтаңыз(т₅). 

Тәжірибе нәтижелерін кестеге жазыңыз. 

1 К е с т е                    Т ә ж і р и б е   н ә т и ж е л е р і

Бюкстің қақпағымен массасы m1, г	Бюкстің қақпағымен  және өлшендісімен  массасы, г		Өлшендінің массасы, г		Ұшқыш заттардың  мөлшері, %
	термо- өңдеуге дейін, m2	термо- өңдеуден кейін, m4	термо- өңдеуге дейін, m3	термоөңдеу-ден кейін, m5

 

6.2.3 Отқа төзімділікті анықтау

Полимерлердің физика-химиялық қасиеттерін сипаттағанда,  олардың отқа және жылуға төзімділігі туралы айтады.

Пластмассалардың жылуға төзімділігі температураны үздіксіз жоғарылатқанда  механикалық қасиеттерін сақтауға қабілеттілігімен сипатталады және берілген жүктеменің әсерінен үлгінің деформациясы белгілі мәніне жететін температурамен өрнектеледі. Жылу төзімділігі төмен (50-60°С) заттарға полиметилметакрилат, полиуретан, ал жылу төзімділігі жоғары  (200-250°С) заттарға фторопласт-4, стеклотекстолиттер жатады.

Отқа төзімділік пластмассалардың тұтануға беріктігін сипаттайды.

Отқа төзімділікті анықтаудың әртүрлі әдістері бар. Қарапайым әдісі төменде келтірілген. Осы әдіс бойынша отқа төзімділік деп шартты түрде газ жанарғысының жалынынан кейін  материалдың 1 мин ішінде жануын айтады. Отқа төзімділікті үш көрсеткішпен сипаттайды: 1) үлгі  >  мин. уақыт жанады; 2) үлгі  <  мин. уақыт жанады;  3) үлгі  жанарғы жалынында  жанбайды. 

Отқа төзімділіктің сынауларын мөлшері 120 х 15 х 10 мм стандартты үлгілерінде жүргізеді.

Сынауды өткізу үшін лаборанттан үлгі алыңыз (тәжірибе тартпалы шкафта орындалады!). Газ жанарғы  жалынының биіктігін ~ 10 см  болатындай келтіріп алыңыз.  Газ жанарғыны столға бұрылымы 45⁰ болатындай  орналастырыңыз. Сынайтын материалдың үлгісін горизонтал күйінде штативке бекітіп, газ жанарғысының  жалынында 1 мин ұстаңыз. Уақытты секундомер арқылы қадағалаңыз.

  Бір минут өткеннен кейін газ жанарғыны өшіріп, секундомерді тоқтатпай, кесектің ары қарай жанарғысыз жану уақытын белгілеңіз.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

Сыналған үлгі материалының аталуын, кесектің жанарғысыз жану уақытын (сек) жазыңыз. Отқа төзімділіктің тәжірибелік қорытындысын теориялық көрсеткіштерімен салыстырыңыз.                                        

6.2.4      Ұнтақ тәріздес полимерлі материалдардың біртектілігін сынау

Әдетте ұнтақталған полимерлерді таблеткалайды немесе сығымдайды. Бұл процестер материалдың біртектілігін талап етеді. Ұнтақтардың дисперстілігін (жеке бөлшектердің сызықтық өлшемі, мм ) ескере отырып, біртектілігін сипаттауға болады. Жеке бөлшектердің сызықтық өлшемінің айырымы неғұрлым аз болса, ұнтақтың біртектілігі соғұрлым жоғары болады. Ұнтақ тәріздес полимерлі материалдың біртектілігін сынауды ұнтақты белгілі мөлшердегі тесіктері бар елеуіште елеу арқылы жүргізеді. Елеуіште қалған қалдықтың мөлшерін (х) еленген ұнтақтың жалпы массасынан пайызбен өрнектейді. х мәні неғұрлым төмен болса, сыналатын материал соғұрлым біртектірек болады.  

Лаборанттан сыналатын материалды және № 30 (1 см²-де 900 тесігі бар ) елеуді  алыңыз. Ұнтақтың 20-30 грамын 0,01 г дәлділікпен өлшеңіз.

Ұнтақты елеуіш арқылы елеп, осы дәлділікпен қайта өлшеңіз.

Зерттеуді ұнтақтың жаңа мөлшерін алып қайталаңыз.

Екі анықтамадан орташа арифметикалық шамасын есептеп, сыналған материалдың біртектілігін сипаттаңыз.

Тәжірибенің қорытындыларын кестеге жазыңыз. 

 2  К е с т е    Материалдың аталуы 

Өлшеу	Сыналатын материалдың  массасы, г		Елеуіштегі қалдықтың массасы m3, г	Елеуіштегі қалдықтың мөлшері, %
	елеуге дейінгі m1	елеуден кейінгі m2			Хорт

6.3 Бақылау сұрақтары мен есептері 

1. Полимерлі материалдардың тығыздығы қандай шектерде өзгереді? Тығыздығын анықтау үшін қандай өлшеулерді жүргізу керек?

2. Полимерлі ұнтақтардың меншікті көлемі деген не? Меншікті көлемді анықтау үшін қандай өлшеулерді жүргізу керек?

 3. Полимерлерді қайта өңдеуде ұшқыш заттар қандай қажетсіз жағдайларды тудыруы мүмкін? Ұшқыш заттардың мөлшерін анықтау үшін қандай өлшеулерді  жүргізу керек?

 4. Осы зертханалық жұмысты орындау кезінде материалдың отқа  төзімділігінің  қандай шартты сипаттамасын қолданасыз?

5. Ұнтақ тәріздес полимерлі материалдың  біртектілігін сынағанда елеуге дейінгі ұнтақтың массасы 20,34г., елеуден кейінгі ұнтақтың массасы 20,02 г. тең болды. Елеуіштегі қалдық мөлшерінің бастапқы ұнтақ массасына қатынасын пайызбен есептеңіз.

Жауабы. 1,75%.

Ұсынылатын әдебиеттер тізімі 

1. Бірімжанов Б.А. Жалпы химия. – А.: Мектеп, 2001.

2. Пірәлиев С.Ж., Бутин Б.Н., Байназарова Г.М., Жайлау С.Ж. Жалпы химия. – Алматы, 2003.- т.1-2.

3. Аханбаев К.А. Жалпы және анорганикалық химия. – А.: Мектеп, 1987.

4. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высшая школа, 2005.

5. Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Г. Курс химии. - М.: Высшая школа, 1983.

6. Дробашева Т.И. Общая химия. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2004.

7. Гольбрайх З.Е., Маслов Е.И. Сборник задач и упражнений по химии. - М.: Астрель, 2004.

8. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. - М.: Интеграл-Пресс, 2004.

9. Задачи и упражнения по общей химии под ред. Коровина Н.В. - М.: Высшая школа, 2004.

10. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Задачи по неорганической химии.- М.: Высшая школа, 1990.

  

Мазмұны  

Кіріспе ...…………………………………………………………………………... 3

1 № 1 зертханалық жұмыс. Бейорганикалық қосылыстардың кластары ....….. 4

2 № 2 зертханалық жұмыс. Тотығу-тотықсыздану реакциялары .....................  8

3 № 3 зертханалық жұмыс. Металдардың кернеу қатары және гальваникалық элементтердің  жұмысы ........................................................................................ 10

4 № 4 зертханалық жұмыс. Электролиз .............................................................. 13

5 № 5 зертханалық жұмыс. Металдардың  коррозиясы ..................................... 15

6 № 6 зертханалық жұмыс. Полимерлі материалдар ......................................... 21

Ұсынылатын әдебиеттер тізімі ………................................................................ 25