Материал: 1594
|
Вопросы и задания для защиты лабораторной работы |
|
|
«Электролиз водных растворов солей» |
|
1. |
В чем заключается электролиз? |
|
2. |
Расскажите, какие процессы протекают на аноде при электролизе |
|
С |
|
|
водных растворов солей. |
|
|
3. |
Какие процессы протекают на катоде при электролизе водных |
|
растворов солей? |
|
|
4. |
Как е процессы протекают на аноде при электролизе расплавов |
|
применяется |
|
|
солей? |
|
|
5. |
Как е процессы протекают на катоде при электролизе расплавов |
|
солей? |
|
|
6. |
формул руйте законы Фарадея, дайте определение понятию |
|
|
бА |
|
«выход по току». |
|
|
7. |
Где для чего |
электролиз? |
7. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. КОРРОЗИЯ МЕТ ЛЛОВ
Коррозией называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие физико-химического взаимодействия их с
окружающей средой |
[1, 2, 3]. По механизму протекания |
процесса |
|||
|
|
|
Д |
||
различают коррозию химическую и электрохимическую. |
|
||||
Химическая коррозия протекает в неэлектропроводных средах (сухая |
|||||
атмосфера воздуха, растворы неэлектролитов). Химическая коррозия |
|||||
представляет собой непосредственное взаимодействие металла с |
|||||
окислителем, т.е. процессы окисления и восстановления |
протекают |
||||
|
|
|
|
И |
|
одновременно и на одном и том же участке поверхности: |
|
||||
Fe0 – 3 ē → Fе3+ |
|
|
4Fe + 3O2 =2Fe2О3, |
|
|
|
4 |
– окисление; |
|
|
|
O20 + 4 ē → 2O2- |
|
3 |
– восстановление. |
|
|
Электрохимическая коррозия протекает в электропроводных средах: растворах электролитов, влажной атмосфере воздуха (относительная влажность воздуха больше 65 ).
Наличие электропроводной среды делает возможной работу большого числа небольших по размеру гальванических элементов (микрогальванопар). Причиной образования на поверхности металла
61
гальванических элементов является то, что большинство технически важных металлов имеют в своем составе примеси или специально вводимые добавки. Поэтому отдельные участки поверхности металла имеют более положительное, другие – более отрицательное значение
электродного |
потенциала |
(электрохимическая |
неоднородность |
С |
|
|
|
поверхности). |
|
|
|
Основной причиной коррозии является термодинамическая не-
устойчивость металла |
ли сплава в той или иной коррозионной среде. |
||
Критерием |
термод намической |
вероятности коррозии является |
|
коррозииМе0 |
– nē = Меn+. |
||
уменьшен е зобарнозотермического потенциала (ΔG < 0). Так как |
|||
ΔG = –nFE, |
процесс |
протекает самопроизвольно при условии |
|
Е > 0, т.е. φк > φa.
Анодные процессы для всех металлов можно представить в общем
виде: |
бА |
|
|
|
Анодный потенц ал φa соответствует потенциалу окисления |
металла, т.е. процессу его коррозии. Катодный потенциал φк соответствует потенциалу восстановления окислителя коррозионной среды.
Приближенная оценка степени термодинамической нестабильности различных металлов в наи олее распространенных коррозионных средах может быть сделана по величине стандартных электродных потенциалов, что примерно соответствует потенциалу окисления металла в анодном
процессе (табл. 10).
Наиболее распространеннымиДкоррозионными средами являются водные растворы электролитов, содержащие в качестве окислителя (деполяризатора) растворенный кислород илиИионы водорода, т.е. чаще всего коррозионный процесс протекает с кислородной или водородной деполяризацией. Величины потенциалов, соответствующих катодному процессу φк в наиболее распространенных коррозионных средах, представлены в табл. 3, где по расположению в ряду напряжений выделены 4 группы металлов, термодинамически неустойчивых
(корродирующих) в той или иной среде (∆G < 0, если φк > φa).
62
Таблица 10
Классификация металлов по термодинамической неустойчивости в различных средах
|
|
|
|
|
Катодный |
0 |
Группы |
Потенциалы |
|
|||||
|
|
Коррозионные |
процесс |
корроди- |
анодов |
|
|
|
||||||
|
п |
φ к, |
|
|
|
|||||||||
С |
|
(кислородная или |
В |
рующих |
φ0а, В |
|
|
|
||||||
|
/ п |
среды |
|
|
|
|
||||||||
|
№ |
|
|
|
водородная |
|
металлов |
0 |
|
п+ |
) |
|
||
|
|
|
|
|
|
(φ |
Ме/Ме |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
деполяризация) |
|
(∆G < 0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 Кислая среда в отсутст- |
2Н+ +2ē = Н20 |
|
|
-3,01 < φ < 0,00 |
|
||||||||
|
|
вии растворенного |
|
0,00 |
I |
|
||||||||
|
|
ствии |
|
|
|
Li…W |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
кислорода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Нейтральная среда в |
О2 + 2Н2О + 4ē = |
|
|
-3,01 < φ < +0,815 |
|
|||||||
|
|
присутств |
растворен- |
+0,815 |
II |
|
||||||||
|
|
ного к слорода ли |
= 4ОН– |
|
Li…Ag |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
бА |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
влажная атмосфера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
3 |
Кислая среда в пр |
сут- |
О2 + 4Н+ + 4ē = |
|
|
-3,01 < φ < +1,23 |
|
||||||
|
|
растворенного |
+1,23 |
III |
|
|||||||||
|
|
кислорода |
ли влажная |
= 2Н2О |
|
Li…Bi |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
атмосфера промышлен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
ных районов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Нейтральная среда в |
2Н2О +2ē = |
|
|
-3,01 < φ < -0,413 |
|
|||||||
|
|
отсутствии растворен- |
-0,413 |
IV |
|
|||||||||
|
|
ного кислорода |
|
= Н20 + 2ОН– |
|
Li…Fe |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Примечание. При решении задач следует использовать 1-ю и 4-ю схемы |
||||||||||||
|
катодных процессов коррозии металлов. |
Д |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Особое |
место |
среди металлов занимает |
золото |
0 |
|
3+ |
|
|||||
|
|
(φ (Аu/Аu ) = |
||||||||||||
|
= +1,5 В), которое |
является термодинамически устойчивым |
|
во |
всех |
|||||||||
|
наиболее распространенных коррозионных средах, указанных в табл. 10. |
|||||||||||||
|
|
В технике для защиты металлов от коррозии используются |
||||||||||||
|
различные методы: легирование, нанесение различных покрытий, |
|||||||||||||
|
электрохимическая защита, изменение свойств среды. В зависимости от |
|||||||||||||
|
условий эксплуатации изделий может быть выбран тот или иной метод |
|||||||||||||
|
защиты от коррозии. В наиболее агрессивных средах (в морской воде, в |
|||||||||||||
|
почве и т.д.) применяют комбинированные методы защиты. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
Легирование |
металлов – это |
созданиеИповерхностного |
||||||||||
экранирующего слоя, т.е. введение элементов, предотвращающих коррозию.
Неметаллические защитные покрытия – это лаки, краски, смазки, керамика, резина и т.п.
Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (Zn, Cd, Al, Ni, Cr, Cu, Ag и др.), так и их сплавы
63
(бронза, латунь). По характеру поведения металлических покрытий при коррозии различают катодные и анодные покрытия. Металлы анодного покрытия имеют меньшее (более отрицательное) значение потенциала по сравнению с потенциалом защищаемого металла, последний является в этом случае катодом и не корродирует. Примером является оцинкованное железо.
Катодными являются металлические покрытия, имеющие в данной среде большее значен е потенциала, чем потенциал основного металла. Например, Sn, Cu, Ni, Ag на стали являются катодными покрытиями. При
поврежден |
ли нал ч и в покрытии |
пор возникают коррозионные |
элементы, в которых основной материал служит анодом и растворяется, а |
||
С |
|
|
материал покрыт я – катодом, на котором происходит восстановление |
||
|
среды, сопровождающееся выделением водорода или |
|
поглощен ем |
слорода. Таким |
, катодные покрытия могут |
защищать металл в отсутствии пор или повреждений.
Пример 1. Описать процесс коррозии железной пластинки с включениями меди, опущенной в раствор соляной кислоты. Привести схему образующегося при этом коррозионного гальванического элемента.
К электрох м ческ м методам защиты относятся протекторная, |
|||
коррозионной |
|
|
|
катодная |
анодная защ та. Протектор – это кусок металла, имеющего |
||
более отр |
цательное значение стандартного электродного потенциала по |
||
сравнению с металлом защищаемого изделия, соединенный с |
|||
защищаемым изделием. При воздействии |
агрессивной (коррозионной) |
||
|
образом |
|
|
среды в первую очередь разрушается протектор. |
|
||
Для подавления процесса коррозии при катодной или анодной |
|||
защите изделие подключают к источнику внешнего тока так, чтобы оно |
|||
стало катодом (процесс коррозии подавляется). |
ля изменения свойств |
||
|
А |
||
агрессивной среды ее обрабатывают. |
этого |
используют удаление |
|
окислителей из среды (деаэрация) или введение ингибиторов. |
|||
|
Примеры решения типовых задач |
||
|
Для |
||
|
|
И |
|
Решение. Исходя из положений металлов в ряду напряжений или сравнивая величины стандартных электродных потенциалов φ0(Fe/Fe2+ ) = = –0,44 В; φ0(Cu/Cu2+ ) = +0,337 В, определяем, что железо является более активным металлом и в образующейся гальванической паре железо будет анодом, медь – катодом. Железный анод растворяется, железо окисляется, а на медном катоде выделяется водород.
64
Схема работающего при коррозии гальванического элемента:
(–) Fe0 |Fe2+ || HCl || 2H+ | H2 (Cu0) (+)
или в сокращенной форме |
|
|
|
|
С |
(–) |
Fe0 || HCl || Cu0 |
(+). |
|
|
||||
Анодный процесс: |
Feo – 2ē → Fe2+. |
|
||
Катодный процесс: |
2 H+ + 2ē → H2. |
|
||
находится |
|
|
||
Образован е продукта коррозии: |
|
|||
|
Fe |
2+ |
- |
|
|
|
+ 2Cl → FeCl2. |
||
бА |
||||
Пр мер 2. Хром |
|
|
в контакте с медью. Какой из металлов |
|
будет ок сляться при коррозии, |
если пара металлов находится в кислой |
|||
среде (в соляной к слоте). Привести схему образующегося при этом |
||||
гальванического элемента. |
|
|
|
|
Решен е. Исходя |
з положений металлов в ряду напряжений или по |
|||
таблице сравнивая величины |
стандартных |
электродных потенциалов |
||
φ0(Cr/Cr3+) = –0,744 В; φ0(Cu/Cu2+) = +0,337 В, определяем, что хром |
||||
является более активным металлом и в образующейся гальванической |
||||
паре хром будет анодом, медь – катодом. Хромовый анод растворяется, а |
||||
|
|
|
Д |
|
на медном катоде выделяется водород. |
|
|||
Схема работающего при коррозии гальванического элемента: |
||||
(–) 2Cr0 | 2Cr3+ |
|| HCl || 6H+ |3H2 (Cu0) (+). |
|||
В сокращенном виде |
|
|
И |
|
|
|
|
||
|
(–) |
Cr0 || HCl || Cu0 |
(+). |
|
Анодный процесс: |
Cr0 – 3ē → Cr3+ . |
|
||
Катодный процесс: |
2 H+ + 2ē → H2. |
|
||
Продукт коррозии:
Cr3+ + 3Cl- → CrCl3.
Следовательно, окисляется хром.
65