Работа 4. Основы электрохимии

Задание 1. Коррозия металлов и методы защиты от коррозии

Задание 1.1. Коррозия металлов в кислой среде

В стеклянную трубку, согнутую под углом, налейте разбавленный раствор соляной кислоты. В одно колено трубки введите полоску цинка. Наблюдается ли выделение водорода из кислоты?

Введите в другое колено медную проволоку, не доводя ее до соприкосновения с цинком. Наблюдается ли выделение водорода на меди?

Продвиньте медную проволоку глубже, так, чтобы она контактировала с цинком. Наблюдайте изменение интенсивности выделения пузырьков газа на цинковом электроде и появление пузырьков газа на поверхности меди. Отодвиньте медную проволоку от цинка и убедитесь, что интенсивность выделения водорода снова меняется.

Почему в соляной кислоте растворяется (корродирует) цинк, а медь не корродирует? Напишите уравнение реакции взаимодействия цинка с кислотой. Какой металл корродирует после соприкосновения пластинок? Объясните выделение водорода на меди при контакте с цинком, учитывая, что цинк с медью образуют гальваническую пару. Запишите процессы, проходящие на электродах гальванопары Cu-Zn в кислой среде. Как и почему влияет на коррозию контакт металла с менее активным металлом?

Задание 1.2. Коррозия при участии гальванических микроэлементов

(коррозия углеродистой стали)

В углеродистой стали кристаллы железа контактируют с зернами неметаллических включений – углерода, цементита Fe₃C и других карбидов. На поверхности такой стали при соприкосновении ее с водой или растворами электролитов возникает множество микроскопических гальванических элементов, в которых кристаллы железа являются анодом:

Fe½H₂O½C (или Fe₃C)

В данном опыте электролитом является водный раствор хлорида натрия NaC1. За счет высокой электропроводности раствора и активизирующего действия ионов хлора существенно возрастает скорость процесса коррозии.

В стакан с раствором хлорида натрия добавьте несколько капель гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] и поместите в него пластинку из углеродистой стали. Оставьте стакан в спокойном состоянии на некоторое время, стараясь не перемешивать раствор, и наблюдайте появление окрашенного слоя около пластинки.

Реактив K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль) дает характерную реакцию с ионами Fe²⁺, образуя соединение синего цвета KFe[Fe(CN)₆], называемое «турнбулевой синью».

Запишите процессы, протекающие при гальванокоррозии углеродистой стали.

Задание 1.3. Протекторная защита от коррозии

В стакан с раствором хлорида натрия добавьте по 1-2 капли фенолфталеина и гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] и опустите железную и цинковую пластинки, которые имеют плотный контакт друг с другом. Оставьте стакан в спокойном состоянии, стараясь не перемешивать раствор, и наблюдайте появление окрашенного слоя около одной из пластин.

Приведите схему гальванопары. Какой металл растворяется, выполняя роль протектора? Около какого металла наблюдается окрашивание раствора, о каком процессе оно свидетельствует?

Наблюдается ли образование «турнбулевой сини»? Сделайте вывод о том, каким образом можно подобрать протектор для конкретного металла, располагая рядом стандартных электродных потенциалов металлов.

Задание 1.4. Электрозащита от коррозии

Этот метод защиты иначе называют «катодным», поскольку защищаемый металл соединяют с «минусом» внешнего источника постоянного тока, и он играет роль катода в процессе электролиза.

В стакан с раствором хлорида натрия добавьте по несколько капель гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] и фенолталеина и поместите в него два одинаковых железных электрода, закрепленных на пластмассовой подставке. Присоедините электроды к источнику постоянного тока. Наблюдайте образование окрашенных «рубашек» около обоих электродов и бурное выделение пузырьков газа на одном из них.

Какой из электродов не корродирует? Какой газ выделяется? Чем обусловлено появление разных окрасок раствора около электродов? Запишите электродные процессы, протекающие на катоде и аноде.

Задание 2. Электролиз водных растворов солей

Во всех опытах электролизер заполняют раствором до метки. Графитовые электроды перед каждым опытом тщательно промывают водой и, если необходимо, зачищают наждачной бумагой. При подключении электродов к источнику постоянного тока обращайте внимание на маркировку “+” и “-“ на вилке, розетке и держателях электродов.

Перед началом опыта напишите уравнения процессов, которые должны протекать на катоде “-“ и аноде “+”.

Задание 2.1. Электролиз хлорида олова SnC1₂

Заполните электролизер раствором хлорида олова. В оба колена электролизера опустите графитовые электроды, подключите их к источнику постоянного тока и пропустите ток в течение 2-4 минут.

Наблюдайте выделение на одном электроде кристаллов металлического олова, на другом – выделение пузырьков газа.

Задание 2.2. Электролиз иодида калия KI

Заполните электролизер раствором иодида калия, добавьте 5-6 капель фенолфталеина и аккуратно перемешайте раствор. В оба колена электролизера поместите графитовые электроды и соедините их с источником постоянного тока. Пропустите ток до появления окраски растворов около обоих электродов. Укажите цвета растворов и процессы, которые приводят к появлению определенной окраски около каждого электрода.

Задание 2.3. Электролиз сульфата натрия Na₂SO₄

Заполните электролизер раствором сульфата натрия и поместите в оба колена графитовые электроды, но не подключайте их к источнику тока. В соответствии со знаками электродов и ожидаемыми процессами добавьте в одно колено электролизера 2 капли фенолфталеина (индикатор на ионы гидроксила ОН^-), а в другое – 2 капли метилового оранжевого (индикатор на ионы Н⁺). Пропустите электрический ток и наблюдайте появление окрашенных “рубашек” около электродов.

Задание 2.4. Электролиз сульфата меди CuSO₄

Налейте в электролизер раствор сульфата меди, погрузите в него графитовые электроды и пропустите через раствор электрический ток. Через 1-2 минуты прекратите электролиз и обратите внимание, что на катоде образовался красный налет меди. Какой газ выделяется на аноде?

Поменяйте полюса электродов (переставьте вилку в розетке). Теперь помедненный электрод является анодом. Снова пропустите электрический ток и наблюдайте за протекающими процессами.

Что происходит с медью на аноде? Какое вещество выделяется на катоде? С какого момента на аноде начинает выделяться газ? Напишите уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе раствора сульфата меди с помедненным анодом.

Задание 3. Расчет отношения активностей окисленной и восстановленной форм ионов в растворе

Запишите схему гальванического элемента, составленного из платинового электрода, погруженного в раствор смеси солей металла в разных степенях окисления (например, Fe²⁺ и Fe³⁺), и электрода сравнения. Платиновый электрод называется редоксиэлектродом, поскольку его потенциал определяется отношением активностей окисленной и восстановленной форм сопряженной ионной пары металла в растворе (редокспары). Электродом сравнения является хлоридсеребряный электрод – электрод из серебра, погруженный в насыщенный раствор смеси солей AgC1 и KCl. Его потенциал при температуре 25^оС равен + 0,201 В.

Pt½Ox, Red║KC1, AgC1½Ag

Определите полюса ГЭ, запишите электродные процессы. Рассчитайте потенциал редоксиэлектрода, используя приведенное в табл.3 значение ЭДС гальванического элемента, и отношение активностей катионов металла a(Ox)/a(Red) по уравнению Нернста.

Таблица 3

Индивидуальные задания для расчета