ОПЫТ 3. Концентрационный гальванический элемент

    Две цинковые пластинки хорошо очистить наждачной бумагой и опустить в стаканы с растворами сульфата цинка разных концентраций: 1М и 0,0001 М. Пластики соединить с клеммами миллиамперметра, а стаканы –  гальваническим ключом. Следить за показаниями миллиамперметра. Составить электрохимическую схему гальванического элемента с указанием процессов протекающих на электродах.

    Рассчитать ЭДС полученного концентрационного элемента.

    Провести расчет ЭДС гальванических элементов, если концентрации растворов сульфата цинка: 1М и 0,1М; 1М и 0,001М. В каком случае вырабатывается большее количество электричества, почему?

КЕЙС-Задания

1. В два стакана налито по 25 мл 0,1 М раствора AgNO₃. Растворы соединены солевым мостиком, содержащим КNO₃, и в них введены одинаковые серебряные электроды. Разность потенциалов между электродами равна нулю. Почему? В один из стаканов налили 10 мл раствора Pb(NO₃)₂ , вследствие чего между электродами возникла ЭДС, равная 0,007 В. Чему равна массовая доля примеси серебра в свинце, если раствор Pb(NO₃)₂ приготовлен растворением 10 г свинца, загрязненного серебром, в азотной кислоте? Коэффициенты активности растворов принять равными 1, температуру 298К.

2. В заряженном свинцовом аккумуляторе, состоящем из шести последовательно соединенных элементов, электролитом является 38%-ная серная кислота (ρ=1,286 г/см³). Чему равна ЭДС аккумулятора в заряженном состоянии и разряженном, когда концентрация кислоты равна 5%, а ρ=1,025 г/см³.

3. Известно, что для питания различной аппаратуры используется сухой марганцево-цинковый элемент. Какова должна быть минимальная масса цинкового электрода, при ЭДС элемента, равной 1,5В? Составьте электрохимическую схему и приведите процессы на электродах.

4. В настоящее время, как источники электрического тока, наибольший интерес вызывают низкотемпературные топливные элементы. Среди которых, наиболее простым является водородно-кислородный топливный элемент. Рассчитайте стандартную ЭДС такого элемента, при рабочей температуре 25°С (относительное парциальное давление = 1 Па). Чему будет равна константа равновесия протекаемой электрохимической реакции в этом элементе? (Расчет проводить на 1 моль образовавшейся воды, с использованием данных приложения Д).

Контрольные вопросы

 

1. Вычислить электродный потенциал серебра, опущенного в раствор
его соли с концентрацией 0,001 моль/л.

2. Составить электрохимическую схему свинцово-алюминиевого гальванического элемента. Записать процессы, протекающие на электродах и уравнение токообразующей реакции. Рассчитать ЭДС элемента.

3. В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней
цепи следующих гальванических элементов: а) Мg | Мg²⁺ || Рb²⁺ | Рb;
б) Сu | Сu²⁺ || Аg⁺ | Аg, если концентрации растворов электролитов 1М? Какой металл будет растворяться в каждом из этих случаев?

4. Вычислить потенциал водородного электрода, погруженного:
а) в раствор с рН = 4; б) в раствор с рН = 11.

5. Электродвижущая сила элемента, состоящего из медного и свинцового электродов, опущенных в 1М растворы соответствующих солей, равна 0,47В. Изменится ли ЭДС, если взять растворы с концентрацией 0,001М? Ответ подтвердить расчетом.

 

Лабораторная работа

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

3.1 Теоретическая часть

 

Коррозия (от лат. сorrodere – разъедать, разрушать) – самопроизвольный процесс разрушения металла вследствие его окисления при воздействии с окружающей средой:

Ме⁰ – nē = Меⁿ⁺

Коррозию металлов по характеру ее проявления различают:

- равномерная;

- неравномерная;

- межкристаллитная;

- нитевидная.

Классификация коррозийных процессов по механизму их протекания подразделяет коррозию на химическую, электрохимическую и электрокоррозию.

Химическая коррозия возникает при взаимодействии металлов с сухими газами или неэлектролитами. Этот процесс происходит в отсутствии электролитов. К химической коррозии относится:

- газовая коррозия, которая протекает в газовой среде (Cl₂, H₂S, SO₂ и др.) без конденсации влаги на поверхности металлов при высокой температуре. Такая коррозия происходит при ковке или сварке металлов;

- коррозия в органических жидкостях. Например, коррозия нефтепроводов, коррозия двигателя внутреннего сгорания под действием жидкого топлива.

В результате химической коррозии металл покрывается оксидной пленкой. У некоторых металлов (Al, Zn, Cr и др.) на поверхности образуется плотная защитная пленка, которая замедляет, а иногда и прекращает дальнейшую коррозию металла. Рыхлая оксидная пленка не обладает защитным действием и не предохраняет металл (например, Fe) от дальнейшей коррозии. 

Электрокоррозии подвержены металлы, находящиеся под действием блуждающих токов (например, вблизи линий электропередач, трамвайных и троллейбусных линий в городах).

Электрохимическая коррозия металлов – совокупность пространственно разделенных процессов окисления (анодный процесс) и восстановления (катодный процесс). Этот вид коррозии происходит в токопроводящих средах, содержащих электролиты, например, во влажном воздухе или в морской воде.

В основе процессов электрохимической коррозии лежит работа короткозамкнутых микро- или макрогальванических элементов (коррозийных гальванопар), основные моменты которой являются:

1) процесс анодного окисления (роль анода выполняет более активный металл);

2) переход электронов с анодного участка на катодный (в отличие от обычного гальванического элемента электроны движутся внутри металла из-за отсутствия внешней цепи);

3) перемещение ионов в растворе электролита;

4) процесс катодного восстановления окислителей, присутствующих в растворе электролита.

Причинами возникновения гальванопар могут являться, например: контакт двух металлов, находящихся в растворе электролита, примеси в металлах, контакт металла с его оксидом, электрохимическая неоднородность поверхности металла и др.

 Окислители снимают избыточный отрицательный заряд с поверхности катода, уменьшая его поляризацию, поэтому их называют в этом процессе деполяризаторами.

Наиболее распространенные в природе окислители – ионы водорода и растворенный в воде кислород, поэтому различают:

· водородную деполяризацию (происходит в кислых средах)

2Н⁺ +2ē = Н₂

· кислородную деполяризацию (влажный воздух, морская вода, почвенные воды нейтрального характера и т.п.)

О₂ + 2Н₂О + 4ē = 4ОН^-

Таким образом, в кислых средах продуктами коррозии являются соль металла-анода и газообразный водород, а в нейтральной среде – гидроксид металла-анода Ме(ОН)_n или его оксогидроксид МеО(ОН)_n-2.

Металлы, применяемые в технике, всегда содержат примеси других металлов, поэтому металл-основа и металл-примесь образуют множество микрогальванических элементов.

Сталь состоит в основном из мельчайших кристалликов железа (феррит), смешанных с зернами карбида железа (цементит – Fe₃C) и углерода. В агрессивной среде возникает гальванический элемент, в котором отрицательным электродом (анодом) является феррит, а положительным электродом (катодом) является цементит и углерод.

По окислительной способности растворенный в воде кислород значительно активнее ионов водорода, поэтому вода, содержащая кислород более опасна в коррозийном отношении.

Схема образовавшегося гальванического элемента:

 

А (–) Fe | H₂O, O₂ | Fe₃C (+) K

На аноде протекает процесс окисления железа (металл разрушается, ионы его переходят в раствор):

Fe⁰ – 2ē = Fe²⁺

 

На катоде происходит кислородная деполяризация (восстанавливается агрессивная среда):

О₂ + 2Н₂О + 4ē = 4ОН^-

 

Процессы, протекающие в растворе:

 

Fe²⁺ + 2OH^- = Fe(OH)₂

Последующее окисление до гидроксида железа (III):

 

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

Продуктами коррозии железа является сложная смесь гидратированных и дегидратированных форм гидроксидов железа (например, FeO(OH)), в упрощенном виде выражается общей формулой: Fe₂O₃ · nH₂O (ржавчина – бурый рыхлый порошок, который не защищает поверхность железа от дальнейшего разрушения).

Электрохимической коррозии подвержены стальная и алюминиевая арматура железобетона при образовании в теле бетона микротрещин, по которым в толщу бетона проникают морские, речные или сточные воды. В этом случае скорость электрохимической коррозии зависит от рН среды, влажности грунта, количества растворенного кислорода и других факторов.

Таким образом, при электрохимической коррозии поток электронов направляется от более активного металла к менее активному и более активный металл корродирует. Скорость коррозии будет тем больше, чем дальше стоят друг от друга металлы в ряду напряжений (см. приложениие В), т.е. чем больше величина ЭДС гальванического элемента.

 

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 594; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!