Уравнения химических процессов, протекающих на электродах свинцового аккумулятора

Задача 1080. 
Написать уравнения реакций, протекающих на электродах свинцового аккумулятора при его заряде и разряде.
Решение:
а) В свинцовом аккумуляторе металлический свинец служит анодом и заряжён отрицательно, а PbO₂ служит катодом и заряжён положительно. При работе аккумулятора – при его разряде – в нём протекает окислительно-восстановительный процесс, в ходе которого металлический свинец окисляется, а диоксид свинца – восстанавливается:

на аноде: Pb⁰ — 2  = Pb²⁺;
на катоде: PbO₂ + 4H⁺ + 2  = Pb²⁺ + 2H₂O

или 

на аноде: Pb⁰ + SO₄^2- — 2  = PbSO₄;
на катоде: PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2 = PbSO₄ + 2H₂O

Суммарное уравнение реакции:

Pb + PbO₂ + 2SO₄^2-  + 4H⁺   = 2PbSO₄ + 2Н₂О

б) Для зарядки (или заряда) аккумулятор подключают к внешнему источнику тока (плюсом к плюсу и минусом к минусу). При этом ток протекает через аккумулятор в направлении обратном току, в котором он проходил при заряде аккумулятора. В результате этого электрохимические процессы обращаются. Свинцовый электрод теперь является катодом, а на электроде из диоксида свинца – становится анодом. При этом на электродах протекают следующие процессы:

на катоде: PbSO₄ + 2 =  Pb₀  + SO₄²-;
на аноде: PbSO₄ + H₂O — 2  = PbO² + 4H⁺

Суммарное уравнение реакции:

2PbSO₄ + 2Н₂О = Pb + PbO₂ + 2SO₄^2-  + 4H⁺
 

Свойства элементов подгруппы ванадия, титана и хрома

Задача 1081. 
Сравнить свойства элементов подгруппы ванадия со свойствами элементов: а) главной подгруппы V группы; 
б) подгруппы титана; в) подгруппы хрома.
Решение:
а) Ванадий, ниобий, тантал – металлы, атомы которых содержат по 5 валентных электронов, которые расположеных на s-орбиталях внешнего и d-орбиталях предвнешнего слоя. Электронная конфигурация данных атомов должна иметь вид (n-1)d³ns² , но с учетом проскока одного электрона для Nb и Ta – (n-1)d⁴ns¹. Имея в наружном электронном слое атома два или один электрон, эти элементы отличаются от элементов главной подгруппы (азота, фосфора и др.) преобладанием металлических свойств.

Химия ванадия напоминает химию подгруппы азота тем, что в степени окисления +5 ванадию соответствует кислота НVО₃, гораздо более устойчивая, чем кислоты сурьмы и висмута — членов главной подгруппы. В то же время этот элемент образует простое вещество, которое, подобно другим членам побочной подгруппы, является типичным устойчивым тугоплавким металлом.

При сопоставлении элементов подгруппы ванадия с фосфором и азотом наблюдается резкое расхождение свойств производных низших валентностей и закономерный ход изменения характера высших окислов. Действительно, при переходе по ряду N₂O₅, Р₂O₅, V₂О₅, Nd₂О₅, Та₂O₅ кислотный характер окисла весьма последовательно ослабляется,

Напротив, очень похожие на N и Р в производных низших валентностей элементы подгруппы мышьяка уже не дают закономерного изменения химического характера высших окислов при переходе от N к Вi.

б) Титан — Ti, цирконий — Zr, гафний — Hf и курчатовий — Ku — полные электронные аналоги с общей электронной формулой (n-1)d²ns². Содержат по 4 валентных электронов, которые расположены на s-орбиталях внешнего и d-орбиталях предвнешнего слоя.

Элементы группы ванадия и титана термически устойчивы, температуры плавления и кипения выше у металлов группы ванадия. 

Кислотные свойства оксидов и гидроксидов более выражены у элементов группы ванадия, чем у элементов группы титана. 

В присутствии окислителей ванадий, ниобий и тантал растворяются в щелочах. К растворам щелочей цирконий и гафний (в меньшей степени титан) устойчивы. 

Ванадий при обычных условиях растворим в царской водке и концентрированной плавиковой кислоте. При нагревании растворим в азотной и концентрированной серной кислоте. Ниобий и тантал растворяются в смеси плавиковой и азотной кислоты. Титан при нагревании растворяется в соляной кислоте. Цирконий и гафний растворяются в кислотах, образуя устойчивые координационные соединения. Например, в плавиковой и концентрированной серной кислотах.

в) Элементы подгруппы хрома. Содержат по 6 валентных электронов, которые расположены на s-орбиталях внешнего и d-орбиталях предвнешнего слоя.

Кислотные свойства оксидов и гидроксидов более выражены у элементов группы хрома, чем у элементов группы ванадия.

Хром, молибден и вольфрам реагируют с расплавами щелочей, а ванадий, ниобий и тантал растворяются в щелочах. 

В отличие от группы ванадия хром растворим в соляной и разбавленной серной кислотах. Концентрированные кислоты-окислители на холоду хром пассивируют. Молибден и вольфрам, как и ниобий с танталом растворяются только в смеси плавиковой и концентрированной азотной кислоты при нагревании.