Неорг химия

Пример 30. При электролизе водного раствора соли на электродах выделяются водород и кислород. Раствор какой соли подвергается электролизу?

1.NaCl

2.CaBr2

3.NaClO4

4.CuSO4

5.CuCl2

Водород может выделяться на катоде в случае металлов с E0 < - 1б6 B (см. табл. 8). Среди металлов, входящих в состав перечисленных солей такими стандартными электродными потенциалами обладают:

ENa0 + / Na0 = − 2,714 B;

ECa0 2+ / Ca0 = − 2,866 B,

поэтому при электролизе солей Na и Ca (ответы 1, 2, 3) на катоде выделяется водород.

Выделение кислорода можно ожидать в тех случаях, когда в состав соли входят кислородосодержащие анионы (см. табл. 9). Этому условию удовлетворяют 3 и 4. В случае солей NaCl и CaBr2 на аноде выделяются Сl2 и Br2. Таким образом, единственная соль, при электролизе раствора которой на катоде выделяется водород, а на аноде кислород - это NaClO4 (ответ 3).

Пример 31. Написать уравнение электродных процессов, происходящих при электролизе водного раствора сульфата меди с графитовыми электродами. Указать продукты электролиза.

Рассматриваемая система может быть отражена электрохимической схе-

мой

(-)С│CuSO4, H2O│C(+).

Из возможных катодных процессов (восстановление Сu2+, восстановление H2O) происходит восстановление меди, так как величина стандартного электродного потенциала меди (ECu0 2+ / Cu0 =0,337 B) > - 0,15 (B):

131

Cu2+ + 2e- = Cu0.

Из возможных анодных процессов (окисление SO24− , окисление H2O)

происходит окисление воды, так как сульфат-анион относится к категории кислородсодержащих анионов, в состав которых входит атом элемента в высшей степени окисления:

2H2O – 4e- = O2 + 4H+.

Следовательно, проводя электролиз водного раствора сульфата меди (II), можно выделить:

–медь (на катоде),

–газообразный кислород (на аноде),

–серную кислоту (в прианодном растворе).

Образование серной кислоты объясняется взаимодействием катионов водорода, образующихся на аноде, и сульфат-анионов, находящихся в прианодном пространстве и не участвующих в электродном процессе.

Коррозия металлов и способы защиты от нее

Коррозия – это процесс самопроизвольного разрушения металлов и сплавов при их взаимодействии с окружающей средой. По механизму протекания коррозия разделяется на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия происходит как следствие обычной гетерогенной окислительно-восстановительной реакции. Чаще всего это газовая коррозия, т. е. взаимодействие металлов с газами при высокой температуре. Примером может служить образование окалины при ковке и отливке металлов.

Электрохимическая коррозия металлов – это их окислительное разрушение в среде электролитов.

Согласно электрохимической теории коррозии процессы окисления (анодные) и процессы восстановления (катодные) пространственно разделены, то есть протекают на разных участках поверхности металла.

132

Анодный процесс происходит на участках поверхности с меньшими электродными потенциалами при анодной поляризации, т. е. смещении потенциала в положительную сторону от его равновесного значения, и сопровождается переходом ионов металла в раствор:

Me0– ne- = Men+.

Катодный процесс происходит на участках поверхности с большими электродными потенциалами при катодной поляризации (смещении значения потенциала в отрицательную сторону) и представляет собой восстановление окислителей, присутствующих в растворе электролита. Роль катодных участков играют металлы с большими электродными потенциалами или неметаллические компоненты. Например, в углеродистых сталях катодными участками являются включения карбида железа – цементита.

При контакте двух металлов роль катода играет металл с большим электродным потенциалом, а анода – с меньшим электродным потенциалом.

Наиболее распространенные в природе окислители – растворенный в воде кислород и ионы водорода. В кислом растворе обычно окислителем являются ионы водорода. На катодном участке эти ионы восстанавливаются и выделяется водород:

2H+ + 2e- = H2.

В нейтральном и щелочном растворах окислителем чаще всего является кислород и восстановление происходит согласно уравнению:

O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-.

На изменении скорости катодных и анодных процессов основаны некото-

рые способы защиты металлов от коррозии.

Например, деаэрация воды или применение ингибиторов приводит к уменьшению скорости катодной реакции и тем самым к уменьшению скорости коррозии в целом. Уменьшение скорости анодных процессов достигается уве-

личением электродного потенциала поверхности (использованием металлов с

133

большими электродными потенциалами, нанесением химических покрытий,

например оксидированием, фосфатированием и т. п.).

Часто используется изоляция металлической поверхности от коррозион-

ной среды с помощью различных покрытий. Покрытия могут быть неметалли-

ческими (краски, лаки, эмали и т. п.) или металлическими. Металлические по-

крытия разделяются на катодные и анодные. Катодными называются покрытия из металла с большим электродным потенциалом на металле с меньшим потен-

циалом, например оловянное или медное покрытие на железе. В случае нару-

шения такого покрытия анодный процесс (окисление) идет на поверхности ос-

новного металла.

Анодные покрытия – это покрытия из металлов с меньшими электродны-

ми потенциалами на металлах с большими электродными потенциалами, на-

пример цинковое покрытие на железе. При нарушении анодного покрытия раз-

рушению подвергается преимущественно металл покрытия.

Пример 32. Какой из перечисленных ниже металлов может быть использован в качестве катодного покрытия на медном изделии:

1.Sn,

2.Fe,

3.Zn,

4.Ni,

5.Ag

Катодное покрытие должно быть выполнено из металла с большим элек-

тродным потенциалом, чем у металла изделия. Поэтому, используя приложе-

ние 7, необходимо сравнить Е0 меди и всех перечисленных металлов:

134

Только серебро имеет большее значение Е0, чем медь. Поэтому именно Ag можно использовать в качестве материала для нанесения катодного покрытия (ответ 5).

Пример33. КакаячастицаобразуетсянаанодеприконтактнойкоррозииAl иCu?

1.OH-

2.Cu2+

3.H+

4.Al3+

5.O2

Вслучае контактной коррозии двух металлов анодная поляризация про-

ления алюминия: Аl0 – 3e- = Al3+. Следовательно, на аноде образуется Аl3+ (ответ 4).

Пример 34. Какая частица образуется на катодных участках при контактной коррозии Pb и Ag в кислой среде:

1.Pb2+

2.OH-

3.Ag+

4.H+

5.H2

135

В катодномпроцессе в кислой среде участвуют ионы водорода: 2H+ + 2e- = H2. Следовательно, на катодных участках образуется водород (ответ 5).

Пример 35. Как происходит коррозия цинка, содержащего примеси железа, в кислой и в нейтральной среде?

Стандартные электродные потенциалы цинка и железа составляют – 0,76 В и - 0,44 В соответственно. При контакте в первую очередь разрушается цинк:

Zn0 – 2e- -= Zn2+ (анодный процесс). В кислой среде окислителем служат ионы водорода:

2H+ + 2e- = H2 (катодный процесс).

В нейтральной среде окислитель - растворенный в воде кислород: O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- (катодный процесс).

136

4.КАРТА КОНТРОЛЯ 20,21

1.ВкакомизгальваническихэлементовпротекаетпроцессZn2+ + 2e- = Zn0?

1.Mg│O2 (H2O)│Zn

2.Zn│HCl│Sn

3.Mg│MgCl2║ZnCl2│Zn

4.Mg│HCl│Zn

5.Zn│ZnCl2║SnCl2│Sn

2. Какие процессы протекают на электродах в гальваническом элементе

Zn│Zn(NO3) ║AgNO3│Ag?

3. Какая частица образуется на аноде при электрохимической коррозии в системе "магний - алюминий" в нейтральной среде?

1.OH-

2.Al3+

3.O2

4.H2О

5.Mg2+

20Необходимо указать номер правильного ответа.

21Нравильные ответы смотрите на стр. 164

137

4. Какой из металлов можно получить при электролизе водного раствора его соли?

1.Sn

2.Ba

3.Ca

4.Al

5.Na

5. При электролизе водного раствора какой соли на инертных электродах выделяются водород и кислород?

1.KCl

2.KClO4

3.FeCl2

4.FeCl3

5.FeSO4

138

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Опыт 1. Электролиз водных растворов галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов

По указанию преподавателя заполните электролизер (см. рис. 3) одним из

В оба колена электролизера опустите графитовые стержни и после проверки установки преподавателем подключите к полюсам источник тока. В течение 1...2 мин пропускайте электрический ток, затем выключите установку и добавьте в катодное пространство фенолфталеин, а в анодное – крахмал (в случаях 1 и 2) или несколько капель KI и крахмал (в случаях 3-8).

Наблюдайте за изменением цвета раствора в прикатодном и прианодном пространстве и за выделением газообразных продуктов.

Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов

(см. табл. 7 и 8).

Перечислите продукты, образующиеся на электродах и в приэлектродных пространствах.

Опыт 2. Электролизводныхрастворовхлоридовметаллов, имеющихЕ0 > -1,6 В По указанию преподавателя заполните электролизер (см.рис. 3) одним из

В оба колена опустите графитовые электроды и после проверки установки преподавателем подключите к источнику постоянного тока. Через 2...3 мин наблюдайте выделение металла на катоде.

Докажите образование свободного хлора на аноде. Для этого через 4...5 мин пропускания электрического тока в анодное пространство электролизера

139

добавьте по 3…4 капли растворов крахмала и иодида калия. Объясните появление синего окрашивания раствора; составьте уравнение окислительно-восста- новительной реакции.

Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Перечислите продукты, образующиеся на электродах.

Опыт 3. Электролиз водных растворов сульфатов и нитратов щелочных, ще- лочно-земельных металлов и магния

По указанию преподавателя заполните электролизер (см. рис. 3) одним из

Опустите графитовые электроды и после проверки установки преподавателем подключите электроды к полюсам источника тока.

В течение 1...2 мин пропустите электрический ток. Отключите электроды от источника тока. Добавьте в катодное пространство 2-3 капли фенолфталеина, а в анодное – 2…3 капли синего лакмуса.

Вновь вставьте в прибор графитовые стержни и пропускайте через раствор в течение 5 мин электрический ток. Отметьте и объясните изменения окраски индикаторов в катодном и анодном коленах электролизера.

Опыт 4. Электролиз водных растворов сульфатов и нитратов металлов, имею-

щих Е0 > -1.6 В

По указанию преподавателя заполните электролизер (см. рис. 3) одним из

Опустите в электролизер графитовые электроды и после проверки установки преподавателем подключите электроды к положительному и отрицательному полюсам источника тока.

140