Теоретическое введение. Система, состоящая из металлической пластины, погруженной в раствор соли этого металла, называется полуэлементом

 

Система, состоящая из металлической пластины, погруженной в раствор соли этого металла, называется полуэлементом. На границе «металл-раствор» возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала – электродным потенциалом. Если соединить две такие системы, то образуется система, называемая гальваническим элементом.

Полуэлемент представляет собой окислительно-восстановительную систему, состоящую из окисленной и восстановленной формы вещества.

Если активные концентрации (активности) всех компонентов окислительно-восстановительной системы будут равны 1 моль/л при температуре 25 º С, то получающийся потенциал называется стандартным окислительно-восстановительным потенциалом (E^o).

Величину электродного потенциала любой окислительно-восстановительной системы измеряют относительно стандартного водородного электрода, представляющий собой пару 2Н⁺|H₂.

Потенциал этого электрода принимается равным нулю, т.е. .

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных потенциалов (Е⁰), получаем так называемый «ряд напряжений» металлов (приложение 3).

Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях (t = 25 ⁰С, Р = 101, 3 кПа). Чем меньше значение Е⁰, тем большими восстановительными способностями обладает данный металл в виде простого вещества и тем меньшие окислительные способности проявляют его ионы.

Самопроизвольное окисление металлов, вредное для промышленной практики, называется коррозией (от лат. сorrodere – разъедать). Среда, в которой металл подвергается коррозии (корродирует), называется коррозионной, или агрессивной. При этом образуются продукты коррозии: химические соединения, содержащие металл в окисленной форме.

Воздух, содержащих кислород и водяной пар, может служить окислителем для многих металлов. Кислород, растворенный в природной воде, также служит окислителем для большинства металлов. Процессы, протекающие при этом можно описать в общем виде реакциями:

2Ме + О₂ → Ме₂О_n (8.1)

2Ме + О₂ +nН₂О → 2Ме(ОН)_n (8.2)

По механизму протекания коррозионного разрушения различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия обуславливается взаимодействием металлов с сухими газами и жидкими неэлектролитами в условиях, когда влага на поверхности металла отсутствует и электродные процессы на границе фаз не возникают.

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса:

анодный – окисление металла

Ме^о ─ n e ^- → Меⁿ⁺ (8.3)

и катодный – восстановление ионов водорода

2Н⁺ + 2 е ^- → Н₂ (8.4)

или молекул кислорода, растворенного в воде

О₂ + 2Н₂О + 4 е ^- = 4ОН^- (8.5)

Ионы или молекулы, которые восстанавливаются на катоде, называются деполяризаторами. Процесс повышения потенциала катода при коррозии называется деполяризацией. В кислой среде выделяется водород и происходит водородная деполяризация катода; в нейтральной или щелочной средах происходит кислородная деполяризация катода. В этом случае образовавшиеся ионы ОН^- соединяются с перешедшими в раствор ионами металла, образуя гидроксид этого металла.

Для защиты металлов от коррозии используют следующие приемы.

1. Защита поверхности металла покрытиями. Покрытия, изолирующие металл от внешней среды, могут быть металлическими (цинк, олово, свинец, никель, хром и другие металлы). Если потенциал покрытия более отрицателен, чем защищаемого металла, оно называется анодным, если потенциал покрытия более положителен – катодным. Если металл покрывают лаками, красками, эмалями и другими веществами, то такие покрытия являются неметаллическими.

2. Создание сплавов с антикоррозионными свойствами.

3. Протекторная защита. Сущность ее заключается в том, что конструкцию соединяют с протектором – более активным металлом, чем металл защищаемой конструкции.

4. Электрозащита. Сущность электрозащиты заключается в том, что конструкция, находящаяся в среде электролита, соединяется с другим металлов (обычно куском железа, рельсом и др.), но через внешний источник тока. При этом защищаемую конструкцию присоединяют к катоду, а металл – к аноду источника тока. В этом случае электроны отнимаются от анода источником тока, анод (защищающий металл) разрушается, а на катоде происходит восстановление окислителя.

5. Изменение состава среды. Для замедления коррозии металлических изделий в электролит вводят вещества, называемые замедлителями коррозии или ингибиторами.

Выполнение работы

Опыт 1. Вытеснение водорода из разбавленных кислот металлами

В четыре пробирки налейте по 2-3 мл 1М раствора НСl и внесите в одну из них немного порошка магния, во вторую – цинка, в третью – железа и в четвертую – алюминия. Что происходит? Дайте объяснение и составьте уравнения реакций.

Опыт 2. Вытеснение металлов из растворов их солей более активными металлами

В две пробирки налейте по 2-3 мл 0, 5 М растворов хлорида магния MgCl₂ и нитрата ртути Hg(NO₃)₂ и опустите в каждую из пробирок по медной пластинке. Через 3-4 минуты извлеките пластинки и осмотрите их поверхность. Что наблюдается? Почему? Дайте объяснения и составьте уравнение реакции.

Опыт 3. Влияние образования гальванической пары на интенсивность коррозии металла в кислоте

В две пробирки налейте по 8-10 мл 0, 2 М растворов соляной НСl или серной Н₂SО₄ кислоты. В одну из них опустите полоску цинка, а в другую – полоску меди, предварительно зачищенные наждачной бумагой. Что наблюдается? На каком из металлов выделяются пузырьки водорода? Дайте объяснение и напишите уравнение реакции.

Приведите полоски меди и цинка в соприкосновение и вместе опустите в одну из пробирок. Где теперь выделяются пузырьки водорода? Составьте схему работы образовавшегося гальванического элемента. Какой из металлов является анодом, какой катодом?

Опыт 4. Влияние оксидных защитных пленок на скорость коррозии

Алюминиевую проволоку, зачищенную наждачной бумагой, на 2-3 минуты опустите в раствор нитрата ртути Hg(NO₃)₂, затем промойте водой и оставьте лежать на воздухе.

Что наблюдается? Чем объясняется быстрая коррозия алюминия? Составьте схему работы образовавшейся гальванической пары Al – Hg. Какой металл является анодом, какой – катодом?

Опыт 5. Защитные свойства электрохимических покрытий

Налейте в пробирку 2-3 мл 0, 5 М раствора сульфата железа FеSО₄ и добавьте несколько капель раствора гексацианоферрата (III) калия K₃[Fе(СN₆)] (так называемая «красная кровяная соль»). Что наблюдается? Составьте уравнение реакции.

В две пробирки налейте по 4-5 мл 0, 2 М раствора H₂SO₄ и прибавьте по несколько капель того же раствора K₃[Fе(СN₆)]. В одну пробирку опустите полоску луженого железа, а в другую – полоску оцинкованного железа, покрытие которых предварительно повреждено ланцетом. Что наблюдается? В какой из пробирок появляется интенсивное синее окрашивание? Почему? Составьте схемы коррозии луженого и оцинкованного железа в кислоте.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое коррозия? Какие виды коррозии Вам известны? Какие существуют методы защиты от коррозии?

2. В чем состоит различие между анодным и катодным электрохимическими покрытиями? Где они применяются?

3. Железное изделие покрыли а) кадмием, б) хромом, в) свинцом. Какое это покрытие - катодное или анодное? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

4. Запишите процессы, протекающие на аноде и катоде при разрядке и зарядке железо-никелевого аккумулятора (щелочной аккумулятор):

(-) Fe|KOH|Ni(OH)₃ (+)

Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе.

 

Приложение 1

 

 

Приложение 2

Степень диссоциации электролитов

 

Название электролита	Формула	Степень диссоциации, %
Кислоты
Хлороводород (соляная) Бромоводород Йодоводород Азотная Серная Сернистая Фосфорная Фтороводород Уксусная Угольная Сероводород Циановодород Борная	HCl HBr HI HNO3 H2SO4 H2SO3 H3PO4 HF CH3COOH H2CO3 H2S HCN H3BO3	8, 5 1, 3 0, 17 0, 07 0, 01 0, 01
Основания
Гидроксид бария Гидроксид калия Гидроксид натрия Гидроксид аммония	Ba(OH)2 KOH NaOH NH4OH	1, 3
Соли
Хлорид калия Хлорид аммония Хлорид натрия Нитрат калия Нитрат серебра Ацетат натрия Хлорид цинка Сульфат натрия Сульфат цинка Сульфат меди	KCl NH4Cl NaCl KNO3 AgNO3 CH3COONa ZnCl2 Na2SO4 ZnSO4 CuSO4

 

 

Приложение 3

 

Стандартные потенциалы некоторых металлов при температуре

298 К

 

Уравнение электродного процесса	Стандартный потенциал, В
Li+ + e→ Li Rb+ +e → Rb K+ +e→ K Ca2+ +2e → Ca Na+ +e → Na Mg2+ +2e → Mg Al3+ +3e → Al Ti2+ +2e → Ni Mn2+ +2e → Mn Cr2+ +2e → Cr Zn2+ +2e → Zn Cr3+ +3e → Cr Fe2+ +2e→ Fe Cd2+ +2e → Cd Co2+ +2e → Co Ni2+ +2e → Ni Sn2+ +2e → Sn Pb2+ +2e → Pb Fe3+ +3e → Fe 2H+ +e → H2 Bi3+ +3e → Bi Cu2+ +2e → Cu Cu+ +e → Cu Hg +2e → 2Hg Ag+ +e → Ag Hg2+ +2e → Hg Pt2+ +2e → Pt Au3+ +3e → Au Au+ +e → Au	- 3, 045 - 2, 925 - 2, 925 - 2, 866 - 2, 716 - 2, 363 - 1, 662 - 1, 628 - 1, 183 - 0, 913 - 0, 763 - 0, 744 - 0, 440 - 0, 403 - 0, 277 - 0, 250 - 0, 136 - 0, 126 - 0, 036 0, 00 0, 215 0, 337 0, 521 0, 788 0, 799 0, 854 1, 200 1, 498 1, 691

 

Приложение 4

Давление насыщенных водяных паров при различных температурах, t⁰С

 

t0С

Па

 

 

Приложение 5

Плотность водных растворов

Карбонат натрия Na₂CO₃

 

ρ, г/см3	Концентрация
См, моль/л	Сн, моль/л
1, 001	0, 0025	0, 05
1, 004	0, 05	0, 1
1, 009	0, 1	0, 2
1, 019	0, 2	0, 4

 

 

Сульфат натрия Na₂SO₄

 

ρ, г/см3	Концентрация
См, моль/л	Сн, моль/л
1, 003	0, 0025	0, 05
1, 006	0, 05	0, 1
1, 011	0, 1	0, 2
1, 023	0, 2	0, 4

 

 

Приложение 6

 

 

Образец формы отчета по лабораторным работам