- •Глава 11. Основы электрохимии и коррозии металлов..
- •11.1. Электродные потенциалы металлов
- •И эдс гальванических элементов.
- •Электродного потенциала меди:
- •Коррозия металлов.
- •Классификация коррозионных процессов.
- •Химическая коррозия металлов.
- •11.2.3. Электрохимическая коррозия.
- •11.2.4. Электродные процессы при коррозии металлов.
- •11.2.3. Причины электрохимической гетерогенности поверхности металлов.
- •11.2.5. Роль поляризации и деполяризации при коррозии металлов.
- •11.2.5. Влияние внутренних и внешних факторов на скорость коррозии
- •Защита металлов от коррозии.
- •11.1. Вопросы для самоконтроля
- •11.2. Вопросы и упражнения для самостоятельного решения.
- •Глава 12 Электролиз
- •3 2 4 3 1 Катод Анод
- •Процессы восстановления на катоде.
- •Процессы окисления на аноде
- •Рассмотрим несколько примеров процессов электролиза
- •Количественные соотношения при электролизе
- •Практическое применение электролиза
- •12.1. Вопросы для самоконтроля
- •12.2. Примеры решения типовых задач по теме
- •12.2. Задачи и упражнения
Электродного потенциала меди:
1 – стандартный водородный электрод; 2 – стандартный медный электрод;3 – электролитический ключ (для замыкания внутренней цепи);4 – внешняя цепь с измерительным устройством.
Каждому из этих равновесий соответствует вполне определенная величина электродных потенциалов.
Электродвижущая сила (ЭДС) этого гальванического элемента представляет собой разность потенциалов между катодом и анодом:
ЭДС =
![]()
Для данного гальванического элемента она будет равна 0,34 В:
![]()
Учитывая, что катодом в любом гальваническом элементе является менее активный электрод(в рассматриваемом случае - медный) можем написать:
![]()
или
![]()
Помня, что
= 0, получим, что стандартный электродный
потенциал медного электрода равен:
![]()
Измерение величины электродного потенциала осуществляют в условиях отсутствия тока в цепи гальванического элемента. Обеспечить отсутствие тока в цепи гальванического элемента можно, применив специальную электрическую схему, предусматривающую компенсацию ЭДС элемента равной по величине, но противоположно направленной ЭДС от внешнего источника. Кроме того, можно использовать специальные вольтметры с большим входным сопротивлением, так называемые катодные вольтметры. В этом случае ток, протекающий в цепи, будет пренебрежимо мал, а потенциалы электродов будут близки к потенциалам, соответствующим состоянию равновесия.
С помощью гальванического элемента, составленного из цинкового электрода и стандартного водородного электрода, условная запись которого:
(–)Zn/ZnSO4//H2SO4/H2, Pt (+),
можно определить электродный потенциал цинкового электрода.
Более активным электродом – анодом в данном гальваническом элементе будет являться цинковый электрод.
ЭДС такого гальванического элемента при стандартных условиях для обоих электродов будет равна 0,76 В.
Значит
![]()
Учитывая, что потенциал стандартного водородного электрода принимается равеным нулю, найдем:
![]()
Как в лабораторной практике, так и в промышленности вместо водородного электрода (хотя и точно воспроизводимого, но не очень удобного в обращении) часто применяют более удобные в работе электроды сравнения, например, каломельный, хлорсеребряный и медносульфатный электроды.Потенциалы некоторых электродов сравнения по отношению к нормальному водородному электроду приведены в табл.11.1.
Измерив величину потенциала какого-либо исследуемого электрода по отношению к какому-либо электроду сравнения, можно, используя данные таблицы 11.1., пересчитать полученное значение на значение по отношению к стандартному водородному электроду.
Таблица 11.1.
Потенциалы электродов сравнения по отношению и нормальному водородному электроду
|
Электрод сравнения |
Обозначение |
Потенциал, В |
|
Нормальный водородный |
Pt, H2/H2SO4 |
0,000 |
|
Коломельный
|
Hg/Hg2Cl2/KCl |
+0,241 +0,280 +0,336 |
|
Хлорсеребряный
|
Ag/AgCl/KCl |
+0,201 +0,290 |
|
Медносульфатный
|
Cu/CuSO4 |
+0,300 |
Располагая металлы в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, можно получить ряд, называемый рядом стандартных электродных потенциалов (рядом активностей):
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Ca, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Числовые значения стандартных электродных потенциалов для ряда металлов приведены в табл. 9 приложения.
Исходя из ряда стандартных электродных потенциалов, можно сделать следующиевыводы:
1. Чем левее в ряду находится металл, тем он химически активнее, тем металл легче окисляется и труднее восстанавливаются его ионы.
2. Каждый металл этого ряда, не разлагающий воду, вытесняет (восстанавливает) следующие за ним металлы из растворов их солей.
3. Все металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода, вытесняют (восстанавливают) его из разбавленных кислот типа серной или соляной, анионы которых не проявляют окислительных свойств; стоящие правее водорода, его не вытесняют.
4. Чем дальше расположены два металла в ряду друг от друга, тем большее значение ЭДС будет иметь составленный из них гальванический элемент.
Потенциалы электродов при условиях, отличающихся от стандартных, можно расчитать по уравнению Нернста:

где: Е-потенциал электрода при условиях, отличающихся от стандартных, В;
Е0-стандартный электродный потенциал, В;
R-универсальная
газовая постоянная, равная 8,314
;
F-число Фарадея, равное 96500 Кл/моль;
n-число электронов, принимающих участие в окислительно-восстановительном процессе;
a окис.ф.-активность окисленной формы, моль/л;
a восст.ф. -активность восстановительной формы, моль/л;
Напомним, что под
активностью иона понимают ту его
«эффективную» или условную концентрацию,
соответственно которой он проявляет
себя при химических процессах. Активность
иона (а) равна его концентрации (С),
умноженной на коэффициент активности
:
![]()
В концентрированных
растворах значение
меньше единицы, что указывает на
взаимодействие между ионами. В очень
разбавленных растворах межионные
взаимодействия малы и
примерно
равен 1. В этом случае значения активности
(a)и концентрации (С) совпадают.
Таким образом, для разбавленных растворов можно пользоваться уравнением Нернста в следующем виде:
ln

где [C окис.ф] и [C восст.ф.] - концентрации, окисленной и восстановленной форм, моль/л.
Учитывая, что для металлических электродов восстановленная форма представляет собой металл на электроде, формула Нернста для металлического электрода примет вид:

Для температуры 298К, учитывая значения R и F, а также, что ln x = 2,3 lg x, можно получить:
lg
,
или для металлических электродов, находящихся в разбавленных растворах:
lg
,
Потенциал водородного электрода, зависящий от концентрации ионов водорода для температуры 298К можно рассчитать по следующим формулам:

Формула Нернста справедлива для расчетов электродных потенциалов, характеризующих только обратимые процессы, находящиеся в состоянии равновесия.
Электроды, на которых протекает обратимый электродный процесс, принято называть обратимыми электродами, а составленные из них гальванические элементы – обратимыми гальваническими элементами.В таком элементе все процессы могут протекать в обратном направлении, если извне приложена ЭДС, превышающая собственную ЭДС этого элемента. В обратимом элементе, находящемся в разомкнутом состоянии химического изменения вещества не происходит.
Если гальванический элемент составлен из двух различных электродов, то его называют химическим гальваническим элементом.
Гальванический элемент может быть составлен и из одинаковых электродов, но погруженных в растворы различной концентрации, либо находящиеся в различных температурных условиях. В первом случае имеют дело с концентрационными гальваническими элементами, а во втором – с термогальваническими элементами.
Примером обратимого химического гальванического элемента может служить медно-цинковый гальванический элемент (элемент Даниэля – Якоби):
анод (–)Zn/ZnSO4//CuSO4//Cu(+) катод.
При работе такого элемента будет иметь место реакция:
Zn+CuSO4Cu+ZnSO4.
Более активный цинковый электрод будет являться анодом, а менее активный медный электрод – катодом.
На аноде гальванического элемента будет протекать процесс окисления:
Zn0– 2e–→Zn+2.
На катоде гальванического элемента протекает процесс восстановления:
Cu+2+ 2e–→Cu0.
При приложении извне ЭДС, противоположно направленной ЭДС самого элемента, в нем будет идти обратная реакция:
Cu+ZnSO4Zn+CuSO4,
то есть, в отличие от токообразующей реакции, медь начнет растворяться, а цинк – выделяться из раствора.
