VI. 3. Коррозия металлов и сплавов
Методы защиты металлов от коррозии
По степени термодинамической неустойчивости все металлы делят на пять групп (Н.Д.Томашов), согласующиеся с их положением в ряду напряжений.
Группу металлов повышенной термодинамической нестабильности составляют металлы, имеющие значение стандартного электродного потенциала меньше, чем потенциал водородного электрода при рН = 7 (φ = = –0,413 В). К ним относятся: Li, Rb, Cs, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Ti, Zr, Mn, Cr, Zn, Fe.
Эти металлы при создании необходимых условий могут окисляться даже водой (рН = 7: 2Н2О + 2е = 2ОН− + Н2, φ = –0,413 В).
Металлы термодинамически нестабильные имеют значения стандартных электродных потенциалов большие, чем металлы предшествующей группы, но меньше нуля: Cd, In, Tl, Co, Ni, Mo, Pb, W.
Окисляться водой (рН = 7) они не могут, но будут неустойчивыми в кислых средах (рН = 0; 2Н+ + 2е = Н2, φ = 0 В) и в любых средах в присутствии кислорода.
Группу металлов промежуточной термодинамической стабильности составляют металлы с положительными значениями стандартных электродных потенциалов, не превышающими значения электродного потенциала (φ = 0,816 В), связанного с окисляющим действием кислорода в нейтральной среде (О2 + 2Н2О + 4е = 4ОН−, φ = 0,816 В): Bi, Sb, Re, Tc, Cu, Ag, Rh. Данные металлы будут устойчивы в любых кислых и нейтральных средах в отсутствие кислорода.
Устойчивы во влажной атмосфере, т.е. в присутствии кислорода в нейтральной среде, металлы высокой стабильности: Hg, Pd, Ir, Pt. Стандартные электродные потенциалы этих металлов находятся в интервале между значениями двух электродных потенциалов, характеризующих окисляющее действие кислорода в нейтральной (рН = 7; О2 + 2 Н2О + 4е = 4ОН−, φ = 0,816 В) и кислой (рН = 0; О2 + 4Н+ + 4е = 4Н2О, φ = 1,229 В) средах.
Металлом полной стабильностиявляется золото. Его электродный потенциал максимален, поэтому оно не может быть окислено перечисленными окислителями.
Типовые задачи и их решение
1. Составить схему коррозионного гальванического элемента, образующегося при контакте железа с медью в:
а) кислой среде (раствор серной кислоты);
б) кислой среде с доступом кислорода;
в) атмосферных условиях.
Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии.
Решение.При контакте двух металлов возникает коррозионный гальванический элемент. По таблице 5 находим значения стандартных электродных потенциалов железа и меди : φоFe2+/Fe = –0,44 В; φоCu2+/Cu = 0,34 В.
Так как, φоFe2+/Fe < φоCu2+/Cu , то анодом коррозионного ГЭ будет являться железо, т.е. оно будет разрушаться (окисляться – отдавать электроны).
а) составляем схему коррозионного ГЭ в кислой среде:
(–) Fe / Н2SO4 / Cu (+),
в ионной форме
(–) Fe / Н+ / Cu (+).
Железо, как более активный металл, окисляется, посылая свои электроны на медь, и переходит в раствор в виде положительных ионов Fe2+, а на меди, играющей роль катода, происходит восстановление ионов водорода Н+ из раствора кислоты (водородная деполяризация). Уравнения катодного и анодного процессов для рассматриваемой схемы имеют следующий вид:
А: Fe – 2е = Fe2+
К: 2Н+ + 2е = Н2
В результате: железо разрушается в месте контакта, а на меди выделяется водород (водородная деполяризация).
Суммарная реакция процесса коррозии: Fe + Н2SO4 = FeSO4 + Н2.
В зависимости от характера среды, деполяризаторами (окислителями) могут быть: ионы водорода (при рН < 7), молекулярный кислород (рН > 7 и близком к 7) и молекулы воды, а также частицы других окислителей.
б) коррозия в кислой среде в присутствии кислорода (Н+ + О2). Схему коррозионного гальванического элемента:
(–) Fe / Н+ + O2 / Cu (+).
Составляем уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии:
НОК
А: Fe – 2е = Fe2+ 2
К: 4Н+ + О2 + 4е = 2Н2О 1
суммарное уравнение реакции в ионном виде:
2Fe + 4Н+ + О2 = 2Fe2+ + 2Н2О.
В молекулярной форме: 2Fe +2Н2SO4 + О2 = 2FeSO4 + 2Н2О.
в) коррозия в атмосферных условиях (Н2О + О2):
(–) Fe / Н2O + О2 / Cu (+),
А: 2Fe – 4е = 2Fe+2
К: 2Н2О + О2 + 4е = 4ОН− (кислородная деполяризация).
Гидроксо-ионы соединяются с перешедшими в раствор ионами железа:
Fe2+ + 2ОН− = Fe(ОН)2 (белая ржавчина).
Под влиянием кислорода воздуха происходит дальнейшее окисление гидроксида железа (II) в гидроксид железа (III):
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2О = 4Fe(ОН)3
Fe+2 – e = Fe+3 4
О2 + 4е = 2О−2 1
Гидроксид железа (III) дегидратируется с образованием оксида-гидроксида железа (III):
Fe(OH)3 ® FeООН + Н2О
бурая ржавчина
Суммарная реакция процесса коррозии:
4Fe + 6Н2О + 3О2 = 4Fe(ОН)3.
2. Составить схему коррозионного ГЭ, возникающего при контакте железной пластинки площадью 20 см2 с никелевой в растворе соляной кислоты HCl. Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии. Вычислить: а) объемный и весовой показатели коррозии, если за 40 минут в процессе коррозии выделилось 0,5 см3 газа (н.у.); б) весовой и глубинный показатели коррозии, если за 2 часа потеря массы железной пластинки составила 3,7∙10–3 г. Плотность железа равна 7,9 г/см3.
Решение.По таблице 5 (стр. 80) находим значения стандартных электродных потенциалов железа и никеля: φоFe2+/Fe = –0,44 В; φоNi2+/Ni = – 0,25 В. Так как φоFe2+/Fe < φоNi2+//Ni , то анодом коррозионного ГЭ будет являться железо.
Запишем схему коррозионного ГЭ:
(–)Fe / HCl / Ni (+),
в ионной форме (–)Fe / H+ / Ni (+).
Составляем уравнения электродных процессов:
А: Fe – 2е = Fe2+
К: 2Н+ + 2е = Н2
и суммарной реакции процесса коррозии (в ионной и молекулярной формах):
Fe + 2Н+ = Fe2+ + Н2,
Fe + 2HCl = FeCl2 + Н2.
а). Рассчитываем объемный показатель коррозии КV по формуле:
Vг
S ∙ τ
где Vг – объем выделившегося газа, см3;
S – площадь корродируемого металла, м2;
τ – время процесса коррозии, час.
Подставляем значения в формулу:
КV = 0,5 / 20∙10–4 ∙ (40 / 60) = 375 см3/м2∙час.
Рассчитываем весовой показатель коррозии Кm по формуле:
Мэ (Ме)
VМэ (г)
где Мэ (Ме) – молярная масса эквивалента металла, г/моль;
VМэ (г) – молярный объем эквивалента газа (н. у.), см3/моль.
На катоде выделяется водород. Для него VМэ = 11200 см3/моль (22400 /2).
Мэ (Fe) = М Fe / 2 = 56 / 2 = 28 г/моль.
Подставляем значения: Кm = 375 ∙ 28 / 11200 = 0,94 г/м2∙час.
б). Рассчитываем весовой показатель коррозии Кm по формуле:
∆mМе
S ∙ τ
где ∆mМе – потеря массы металла в процессе коррозии, г.
Подставляем в формулу значения:
Кm = 3,7∙10–3 / 20∙10–4 ∙ 2 = 0,925 г/м2∙час.
Рассчитываем глубинный показатель коррозии П по формуле:
8,76
ρ Ме
где ρ Ме – плотность металла, г/см3.
Подставляем значения:
П = 0,925 ∙ 8,76 / 7,9 = 1,03 мм/год.
Контрольные задачи
1. Как происходит электрохимическая коррозия луженого железа при нарушении покрытия в атмосферных условиях (Н2О + О2)? Составить схему коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии. Каков характер покрытия?
2. Как происходит электрохимическая коррозия луженого железа при нарушении покрытия на площади 15 см2 в кислой среде (Н+)? Составить схему коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия? Вычислить объемный показатель коррозии , если за 1 час 20 минут в процессе коррозии выделилось 0,6 см3 газа (н.у.).
3.Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении луженого железа в кислой среде с доступом кислорода (Н+ + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
4.Как происходит электрохимическая коррозия оцинкованного железа при нарушении покрытия в атмосферных условиях (Н2О + О2)? Составить схему коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионной форме) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
5.Как происходит электрохимическая коррозия оцинкованного железа при нарушении покрытия в кислой среде (Н+)? Составить схему коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия? Вычислить весовой показатель коррозии, если объемный показатель составляет 450 см3/м2∙час.
6. Как происходит электрохимическая коррозия оцинкованного железа при нарушении покрытия в кислой среде с доступом кислорода (Н+ + О2)? Составить схему коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
7.Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако, если к грануле цинка, опущенной в разбавленную серную кислоту, прикоснуться медной проволокой, то на ней происходит бурное выделение водорода. Дать объяснение: составить схему возникшего коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии.
8.Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении кадмированного железа в кислой среде с доступом кислорода (Н+ + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
9.Как происходит электрохимическая коррозия никелированного железа при нарушении покрытия в кислой среде (Н+)? Составить схему коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионной форме) процесса коррозии. Каков характер покрытия? Рассчитать весовой показатель коррозии, если объемный показатель равен 500 см3/м2∙час.
10.Серебро не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако, если к грануле цинка, опущенной в разбавленную серную кислоту, прикоснуться серебряной пластинкой, то на ней происходит бурное выделение водорода. Дать объяснение: составить схему возникшего коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии.
11.Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении никелированного железа в атмосферных условиях (Н2О + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
12.Почему техническое железо (сталь) подвержено сильнее коррозии, чем чистое? Составить схему гальванического элемента, имеющего место при коррозии технического железа в кислой среде (Н+), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Рассчитать весовой показатель коррозии, если железная пластинка площадью 30 см2 за 1 час 30 минут потеряла в масе 4,5∙10–3 г. Плотность железа равна 7,9 г/см3.
13.Железная деталь находится в контакте со свинцом в атмосферных условиях (Н2О + О2). Составить схему коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии.
14.Свинцовая пластинка, покрытая медью, находится в кислой среде (Н+). Составить схему коррозионного гальванического элемента, образующегося при повреждении медного покрытия на площади 20 см2, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия? Вычислить объемный показатель коррозии, если за 2 час 10 минут в процессе коррозии выделилось 0,4 см3 газа (н.у.).
15. Хромированная железная деталь имеет нарушение покрытия. Составить схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента в атмосферных условиях (Н2О + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
16. Стальные (железные) диски сцепления крепятся алюминиевыми заклепками. Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при коррозии в кислой среде (Н+), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии.
17.Серебряное покрытие на железном (стальном) изделии имеет пов реждение. Записать схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента в атмосферных условиях (Н2О + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
18.Имеется повреждение на позолоченном железном (стальном) изделии. Составить схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента в атмосферных условиях (Н2О + О2) , используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
19.Магний и цинк находятся в контакте в кислой среде (Н+). Составить схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии.
20. Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении хромированной стальной (железной) детали в атмосферных условиях (Н2О + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
21. Имеется повреждение слоя платины на стальном (железном) контакте. Составить схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента в атмосферных условиях (Н2О + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии.
22. Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении слоя кадмия на стальной (железной) детали в атмосферных условиях (Н2О + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
23.Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении хромированной стальной (железной) детали в кислой среде с доступом кислорода (Н+ + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионной форме) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
24. Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении никелированной стальной (железной) детали в кислой среде с доступом кислорода (Н+ + О2), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионной форме) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
25.Имеется повреждение слоя золота на стальном (железном) контакте. Составить схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента в кислой среде (Н+), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия?
26.Алюминий и медь находятся в контакте в кислой среде (Н+). Составить схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Рассчитать весовой и глубинный показатели коррозии, если алюминиевая пластинка площадью 40 см2 за 2 час 20 минут потеряла в масе 6,8∙10–3 г. Плотность алюминия равна 2,7 г/см3.
27.Магний и олово находятся в контакте на площади 20 см2 в кислой среде (Н+). Составить схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Вычислить объемный показатель коррозии, если за 30 минут в процессе коррозии выделилось 0,8 см3 газа (н.у.).
28.Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении 30 см2 слоя кадмия на стальной (железной) детали в кислой среде (Н+), используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Каков характер покрытия? Вычислить объемный и весовой показатели коррозии, если за 1 час 40 минут в процессе коррозии выделилось 0,6 см3 газа (н.у.).
29. Склепанные на площади 10 см2 железная и медная пластинки находятся в кислой среде (Н+). Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего в месте контакта, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии. Рассчитать объемный, весовой и глубинный показатели коррозии, если за 2 часа в процессе коррозии выделилось 0,9 см3 газа (н.у.). Плотность железа равна 7,9 г/см3.
30.Цинк и никель находятся в контакте в кислой среде с доступом кислорода (Н+ + О2). Составить схему образовавшегося коррозионного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов металлов (табл. 5, стр. 80). Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции (в ионном виде) процесса коррозии.
VI. 4. Электролиз
При составлении схем электролиза растворов необходимо учитывать, что протекание электрохимических процессов у электродов будет зависеть, прежде всего, от относительных значений электродных потенциалов соответствующих электрохимических систем. Из нескольких возможных процессов будет протекать тот, осуществление которого сопряжено с минимальной затратой энергии. Это означает, что на катоде будут восстанавливаться окисленные формы электрохимических систем, имеющих наибольший электродный потенциал, а на аноде будут окисляться восстановленные формы систем с наименьшим электродным потенциалом.
С учетом сказанного ряд напряжений можно разделить на три группы, которые представлены в таблице 6.
Таблица 6
Катодные процессы (инертные электроды)
| Электродный потенциал процесса восстановления | |||
| φоМеn+/Me < –1,4 В | φоМеn+/Me = –1,4….0 В | φоМеn+/Me > 0 В | |
| Группы метал- лов | I | II | III |
| Li, Rb, K, Cs, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Sc, Be, Al, Ti | Mn, Nb, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, Co, Ni, Mo, Sn, Pb, H | Bi, Re, Cu, Ag, Os, Hg, Pd, Pt, Au | |
| Катод- ный про цесс | 2Н2О+2е =Н2 + 2ОН − | Меn+ + ne = Me 2Н2О+2е = Н2 + 2ОН− | Меn+ + ne = Me |
| Описание про- цесса | Ионы металла не вос- станавливаются. Вос- станавливаются моле кулы воды. | Одновременно вос- станавливаются ионы металла и молекулы воды. | Восстанавлива- ются ионы металла. |
С учетом стандартных электродных потенциалов анионов и перенапряжения анодные процессы протекают в следующей последовательности (инертный анод – графит, платина):
- в первую очередь окисляются анионы бескислородных кислот, имеющие φоА/Аn− < 1,5 В: Cl− (φо = 1,358 В), Br−(φо = 1,065 В), I− (φо = 0,536 В), S2− (φо = = –0,48 В) и др. (кроме F−, т. к. его φо = 2,866 В). Анодный процесс в общем виде: Аn− – ne = A;
- во вторую очередь в зависимости от реакции среды окисляются гидроксо-ионы (φо = 0,401 В) или молекулы воды (φо = 1,229 В):
А(+) (рН > 7): 4ОН−– 4е = О2 + 2Н2О;
А(+) (рН ≤ 7): 2Н2О – 2е = О2 + 4Н+.
Анионы кислородсодержащих кислот: SO42−, NO3−, PO43− и др., имеющие φоА/Аn- > 1,5 В, в водных растворах не окисляются.
Анодный процесс окисления металла с растворимым(металличе-ским)анодомбудет происходить, если φоМеn+/Me > –1,4В.
Катодный процесс восстановления только ионов металла с растворимым анодом происходит, если стандартный потенциал металла больше потенциала водорода в нейтральной среде (φо = –0,41В).
Если стандартный потенциал металла меньше φо = –0,41В, то на катоде одновременно восстанавливаются ионы металла и молекулы воды.
Типовые задачи и их решение
1.Составить схемы электролиза водных растворов солей (инертные электроды): а) LiCl, б) AgNO3. Какие продукты выделяются на электродах? Какой объем кислорода и какая масса серебра выделятся из раствора AgNO3, если из раствора LiCl выделилось 420 см3 хлора (н.у.)? Количества электричества, прошедшие через растворы, одинаковые.
Решение. а) схема электролиза:
в водном растворе имеются ионы: LiCl → Li+ + Cl-.
К(–) А(+) (инертный)
Li+ 2Cl− – 2е = Cl2
2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН− Н2О
(Li+ + OH− = LiOH – промышленный способ получения щелочей).
На катоде выделяется водород, на аноде выделяется хлор.
б) схема электролиза: AgNO3 → Ag+ + NO3−.
К(–) А(+) (инертный)
Ag+ + е = Ag NO3−
Н2О 2Н2О – 4е = О2 + 4Н+.
На катоде выделяется серебро, на аноде выделяется кислород.
По закону электролиза:
Vo (Cl2) Vo (O2)
VMэ (Cl2) VMэ (O2)
где VMэ (Cl2) – молярный объем эквивалента хлора, равный 11200 см3;
VMэ (O2) – молярный объем эквивалента кислорода, равный 5600 см3.
Следовательно, объем выделившегося кислорода равен:
Vo(Cl2) ∙ VMэ (O2) 420 ∙ 5600
VMэ (Cl2) 11200
mAg Vo(O2)
Mэ (Ag) VMэ (O2)
где Mэ (Ag) = 108 / 1 = 108 г/моль
Следовательно,
Vo(O2) ∙ Mэ (Ag) 210 ∙ 108
VMэ (O2) 5600
2.Составить схемы электролиза водного раствора соли ZnCl2, если:
а) электроды инертные, б) анод цинковый. Какие продукты выделяются на электродах? Сколько времени должен длиться электролиз с растворимым анодом (б), чтобы металлическую деталь площадью 30 см2 покрыть слоем 0,15 мм электролитически осажденного цинка при силе тока 5А и выходе по току 97%. Плотность цинка равна 7,13 г/см3.
Решение.Схема электролиза: а) ZnCl2 → Zn2+ + 2Cl−
К(–) А(+) (инертный)
Zn2+ + 2е = Zn 2Cl− – 2е = Cl2
2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН− Н2О.
На катоде выделяются цинк и водород. На аноде – хлор.
б) схема электролиза: ZnCl2 → Zn2+ + 2Cl−
К(–) А(+) (цинковый)
Zn2+ + 2е = Zn Cl−
2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН− Zn – 2е = Zn2+.
На катоде выделяются цинк и водород. На аноде растворяется цинк.
Масса цинка, необходимая для получения цинкового покрытия:
m Zn = S ∙ h ∙ ρ, где S – площадь детали, см2; h – толщина слоя наносимого металла, см; ρ – плотность наносимого металла, г/см3.
Подставляем значения: m Zn = 30 ∙ 0,015 ∙ 7,13 = 3,21 г.
Такое количество цинка должно быть выделено при электролизе. По закону электролиза с учетом выхода по току (ВТ) масса цинка равна:
Mэ (Zn) ∙ Ј ∙ τ
F
где Ј – сила тока, А; τ – время электролиза. Время выражается в секундах при F = 96500 А∙с/моль. При F = 26,8 А∙ч/моль время выражается в часах.
Рассчитываем время электролиза:
m Zn ∙ F 3,21 ∙ 26,8
Mэ (Zn) ∙ Ј ∙ ВТ 32,5 ∙ 5 ∙ 0,97
где Mэ (Zn) = M Zn / 2 = 65 / 2 = 32,5 г/моль.
3.Какие вещества и в каком количестве выделяются на электродах, если проводить электролиз водного раствора NaNO3 в течение 3-х часов при силе тока 2 А. Температура 20 оС. Давление 98 кПа. Составить схему электролиза на инертных электродах.
Решение.Схема электролиза: NaNO3 → Na+ + NO3−
К(–) А(+) (инертный)
Na+ NO3−
2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН− 2Н2О – 4е = О2 + 4Н+
По закону электролиза объемы водорода и кислорода (н.у.):
VMэ (Н2) ∙ Ј ∙ τ 11,2 ∙ 2 ∙ 3
F 26,8
где VMэ (Н2) = 11,2 л/моль.
VMэ (O2) ∙ Ј ∙ τ 5,6 ∙ 2 ∙ 3
F 26,8
где VMэ (O2) = 5,6 л/моль.
Определяем объем водорода при заданных условиях:
Vo (Н2) ∙ Ро V Н2 ∙ Р Vo (Н2) ∙ Ро ∙ Т
То Т Р ∙ То
2,5 ∙ 101,3 ∙ (273 + 20)
98 ∙ 273
Vo (О2) ∙ Ро ∙ Т 1,25 ∙ 101,3 ∙ 293
Р ∙ То 98 ∙ 273
4.Определить молярную концентрацию эквивалента AgNO3 в раст-воре, если для выделения всего серебра из 100 см3 этого раствора потребовалось пропустить ток силой 2 А в течение 30 минут. Составить схему электролиза водного раствора AgNO3 на инертных электродах.
Решение.Схему электролиза см. в задаче 1 (б).
Молярная концентрация эквивалента AgNO3 в растворе:
nэ (AgNO3)
Vp
По закону электролиза nэ (AgNO3) = nэ (Ag)
m Ag
Mэ (Ag)
где mAg – масса серебра, выделившегося при электролизе;
Mэ (Ag) ∙ Ј ∙ τ
F
тогда nэ (AgNO3) = nэ (Ag) = Ј ∙ τ / F
Молярная концентрация эквивалента AgNO3 в растворе:
Ј ∙ τ 2 ∙ 30 ∙ 60
F ∙ Vp 96500 ∙ 0,1
где τ – время в секундах; Vp – объем раствора в литрах; F = 96500 Кл/моль.
Контрольные задания
1.Через водные растворы нитрата серебра и сульфата никеля пропустили одинаковые количества электричества. Из раствора AgNO3 выделилось 5,4 г серебра. Какая масса никеля выделится из раствора NiSO4? Составить схему электролиза водного раствора NiSO4 на инертных электродах.
2. Составить схемы электролиза водных растворов солей на инертных электродах: а) NaBr, б) CuSO4. Какое количество электричества нужно пропустить через раствор CuSO4, чтобы выделить 8 граммов меди при выходе по току (ВТ), равным 86%?
3.Составить схемы электролиза водных растворов солей на инертных электродах: а) NaI, б) CuSO4. Какие объемы газов выделятся из растворов, если электролиз проводить при силе тока 4 А в течение 20 минут (н.у.)?
4.Определить молярную массу эквивалента и название двухвалентного металла, если при пропускании через раствор его соли тока силой 5 А в течение 30 минут выделилось 2,96 грамма металла. Составить схему электролиза водного раствора сульфата данного металла на инертных электродах.
5.Определить молярную массу эквивалента и название двухвалентного металла, если для выделения 1 грамма этого металла из раствора его соли потребовалось 2966,36 Кл электричества. Составить схему электролиза водного раствора хлорида данного металла на инертных электродах.
6.Рассчитать, сколько времени потребуется для получения 20 граммов олова путем электролиза водного раствора SnCl2 при силе тока 10 А. Какой объем хлора выделится (н.у.)? Составить схему электролиза водного раствора хлорида олова на инертных электродах.
7.Составить схему электролиза водного раствора сульфата кадмия CdSO4 на инертных электродах. Какая масса кадмия восстановится, если при электролизе на аноде выделилось 1120 см3 газа (н.у.)?
8.Составить схему электролиза водного раствора нитрата висмута Bi(NO3)3 на инертных электродах. Какой объем кислорода (н. у.) образуется при электролизе, если на катоде выделилось 1,05 грамма висмута?
9.Составить схему электролиза водного раствора нитрата серебра AgNO3 при серебряном аноде. Как изменится масса анода, если электролиз проводить при силе тока 2 А в течение 45 минут?
10.Составить схему электролиза водного раствора нитрата бария на инертных электродах. Рассчитать объемы выделившихся газов, если электролиз раствора Ва(NO3)2 проводить в течение 2-х часов при силе тока 3 А. Температура 22 оС. Давление 90 кПа.
11.Составить схему электролиза водного раствора хлорида никеля на инертных электродах. Вычислить объем выделившегося хлора, если масса выделившегося никеля составила 3 грамма. Электролиз раствора NiCl2 проводился при температуре 30 оС и давлении 96 кПа.
12.Металлическую деталь, площадью 20 см2, необходимо покрыть слоем электролитически осажденной меди из водного раствора хлорида меди (II). Составить схему электролиза при медном аноде. Какой силы ток необходимо пропустить через раствор СuCl2 в течение 40 минут и выходе по току 99%, чтобы получить толщину покрытия 0,2 мм? Плотность меди равна 8,96 г/см3.
13.Металлическую деталь, площадью 40 см2, необходимо покрыть слоем электролитически осажденного никеля из водного раствора хлорида никеля – NiCl2. Составить схему электролиза при никелевом аноде. Сколько времени должен длиться электролиз при силе тока 6 А и выходе по току 95%, чтобы получить толщину покрытия 0,18 мм? Плотность никеля равна 8,91 г/см3.
14.Металлическую деталь, площадью 28 см2, необходимо покрыть слоем электролитически осажденного олова из водного раствора хлорида олова. Составить схему электролиза при оловянном аноде. Какой силы ток необходимо пропустить через раствор SnCl2 в течение 1 часа 20 минут и выходе по току 94 %, чтобы получить толщину покрытия 0,16 мм? Плотность олова равна 7,26 г/см3.
15.Металлическую деталь, площадью 16 см2, необходимо покрыть слоем электролитически осажденного серебра из водного раствора нитрата серебра. Составить схему электролиза при серебряном аноде. Сколько времени необходимо пропускать через раствор AgNO3 ток силой 10 А и выходе по току 98%, чтобы получить толщину покрытия 0,14 мм? Плотность серебра равна 10,5 г/см3.
16.Определить молярную концентрацию эквивалента CuSO4 в растворе, если для выделения всей меди из 150 см3 этого раствора потребовалось пропустить ток силой 5 А в течение 1-го часа 15 минут. Составить схему электролиза водного раствора сульфата меди (II) на инертных электродах.
17.Через водные растворы хлоридов хрома (III) и никеля пропустили одинаковое количество электричества. Из раствора СrCl3 выделилось 6,8 г хрома. Какая масса никеля выделится из раствора NiCl2? Составить схемы электролиза растворов на инертных электродах.
18.Составить схемы электролиза водного раствора сульфата кобальта (II) – СоSO4, если: а) анод инертный, б) анод кобальтовый. Как изменится масса кобальтового анода (б), если через раствор пропустили ток силой 2 А в течение 4 часов?
19.Сколько времени потребуется для выделения всей меди из 40 см3 0,25 н раствора СuCl2 при силе тока 2 А? Составить схему электролиза водного раствора хлорида меди (II) на инертных электродах.
20.При какой силе тока можно выделить в течение 30 минут всю медь из 120 см3 0,1 н раствора нитрата меди (II)? Составить схему электролиза водного раствора Cu(NO3)2 на инертных электродах.
21.Определить молярную концентрацию эквивалента AgNO3 в растворе, если для выделения всего серебра из 80 см3 этого раствора потребовалось пропустить ток силой 0,8 А в течение 20 минут. Составить схему электролиза водного раствора нитрата серебра на инертных электродах.
22.При какой силе тока можно выделить из водного раствора NaOH 6 литров кислорода в течение 3-х часов при температуре 17 оС и давлении 98 кПа? Составить схему электролиза водного раствора гидроксида натрия на инертных электродах.
23. Какой объем водорода выдел