Опыт 1. Определение ЭДС медно-цинкового гальванического элемента.
Выполнение опыта проводится на установке, которая изображена на рис. 5.
Порядок выполнения работы.
1. В один батарейный стакан налить 1 М раствор CuSO4(до 0,5 объема стакана), в другой – такой же объем ZnSO4.
2. Закрепить в крышках стаканов с помощью универсальных клемм цинковую и медную пластинки и погрузить их в растворы солей этих металлов.
3. Соединить стаканы U-образной трубкой.
4. Собрать схему (рис. 5). Цепь не замыкать.
5. Замкнуть цепь и одновременно включить секундомер. Записать показания вольтметра. Убедиться с помощью гальванометра в наличии тока в цепи.
6. Наблюдать, измениться ли во времени ЭДС. Через десять минут после включения разомкнуть цепь, записать показания вольтметра.
7. Вынуть U-образную трубку и поместить в склянку с концентрированным раствором нитрата калия. Открепить цинковую и медную пластины, промыть их водопроводной водой и протереть фильтровальной бумагой.
8. Растворы перелить в соответствующие склянки и промыть стаканы дистиллированной водой.
Рис. 5 – Установка для определения ЭДС гальванических элементов: 1 – батарейный стакан, 2 – стеклянная трубка, 3 – изолирующие крышки, 4 – универсальные клеммы, 5 – электроды, 6 – провода, 7 – вольтметр, 8 – гальванометр, 9 – секундомер, 10 – выключатель
9. В отчете записать: а) краткую схему гальванического элемента, б) уравнение процесса окисления на аноде, в) уравнение процесса восстановления на катоде, г) суммарное уравнение окислительно – восстановительной реакции.
10. Зарисовать схему работающего медно – цинкового гальванического элемента и указать на ней стрелками направление движения электронов и ионов.
11. Рассчитать теоретическую величину ЭДС гальванического элемента.
12. Сделать вывод, является ли исследованный гальванический элемент практически поляризующимся.
13. Рассчитать относительную погрешность по формуле:
Еэксп – ЭДС, определенная сразу после замыкания цепи.
В таком же порядке изучить работу гальванических элементов, заданных преподавателем.
Примечание и меры предосторожности
В данной работе используются растворы сульфата меди и цинка. При работе с ядовитыми веществами (CuSO4, ZnSO4) необходимо соблюдать максимальную осторожность. Наливая эти жидкости в реакционные сосуды, нужно следить, чтобы не пролить их на руки или на стол. После работы тщательно убрать рабочее место и вымыть руки с мылом.
Контрольные вопросы
1. Какие приборы называются гальваническими элементами?
2. Что представляет собой водородный электрод?
3. Что называется стандартным электродным потенциалом металла?
4. Какие выводы можно сделать из положения металла в ряду напряжений?
5. Как по формуле Нернста определить значение равновесного электродного потенциала металла?
6. Как рассчитывается ЭДС гальванического элемента?
7. В чем отличие гальванического элемента Якоби-Даниэля от элемента Вольта?
8. Рассчитать ЭДС гальванического элемента, образованного никелевым электродом, погруженным в 0,1 М раствор NiSO4, и медным электродом, погруженным в 1 М раствор CuSO4.
9. Составить схемы двух гальванических элементов Якоби-Даниэля, в одном из которых медь является катодом, а в другом – анодом.
Лабораторная работа № 2
Коррозия металлов
Цель работы: ознакомиться с некоторыми видами коррозии металлов, встречающимися на практике.
Программа коллоквиума:
Виды коррозии металлов. Коррозия химическая и электрохимическая, их особенности. Схема электрохимической коррозии. Виды деполяризации: кислородная и водородная. Коррозия при контакте двух металлов. Защита металлов от коррозии. Анодные и катодные защитные металлические покрытия. Электрохимическая защита.
Теоретическая часть
Коррозия – самопроизвольное технически нецелесообразное разрушение металлов и сплавов под воздействием внешней среды. Ржавление является частным случаем коррозии, когда разрушению подвергаются черные металлы, т.е. железо и его сплавы. В зависимости от характера среды, с которой взаимодействует металл, различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия протекает в средах, не проводящих электрический ток. По условиям протекания коррозионного процесса различают газовую коррозию и коррозию в неэлектролитах.
При газовой коррозии разрушение металлов происходит в сухих газах и парах при высокой температуре в отсутствии влаги. Появление слоя окалины на деталях двигателя внутреннего сгорания, лопатках газовых турбин, металлах после обработки – результат протекания газовой коррозии.
При высоких температурах на поверхности металла протекает окисление металла кислородом воздуха:
2 Ме (тв) + О2 ↔ 2 МеО
Химическая коррозия в неэлектролитах протекает при эксплуатации химико-технологического оборудования. В её основе лежат гетерогенные реакции:
2 R – CI + Me → MeCl2 + R – R ,
R1
S + Me → Me + R1 – R2
R2
R – органический радикал
По типу второй реакции протекает коррозия стальных резервуаров – хранилищ нефти, в которой содержится большое количество сернистых соединений. Так же корродируют плунжерные пары, форсунки двигателей внутреннего сгорания, работающих на топливе с примесями сернистых соединений.
Электрохимическая коррозия имеет более широкое распространение, она протекает в электролитах, т.е. средах, проводящих электрический ток.
Согласно теории микропар, причиной электрохимической коррозии металлов является наличие на их поверхности микроскопических короткозамкнутых гальванических элементов, возникающих вследствие неоднородности металла и его контакта с окружающей средой. В отличие от специально изготовленных в технике гальванических элементов они возникают на поверхности металла самопроизвольно.
На поверхности любого металла, находящегося в атмосфере, всегда существуют условия для построения гальванического элемента. В тонком слое влаги на поверхности металла растворяются оксиды углерода, серы, азота и другие газы, присутствующие в воздухе. Это создает условия для контакта с электролитом.
С другой стороны, различные участки поверхности металла обладают разными потенциалами. Причины этого многочисленны, например, разность потенциалов между различно обработанными частями поверхности, разными структурными составляющими сплава, примесями и остальным металлом и т.д. При этом участки поверхности образца металла с более электроотрицательным потенциалом становятся анодами и растворяются.
При конструировании металлических изделий необходимо всегда учитывать угрозу их электрохимической коррозии, особенно, когда имеется контакт между металлами, стоящими в ряду напряжений на значительном расстоянии друг от друга. При этом металл, характеризующийся более отрицательным значением стандартного электродного потенциала, будет подвергаться коррозии. Сочетания металлов, сильно отличающихся значениями электродных потенциалов, в технике не допустимы.
Поскольку электрохимическая коррозия обусловлена возникновением микрогальванических элементов, все факторы, способствующие деятельности этих элементов, усиливают коррозию. Такими факторами являются: значительная ЭДС, небольшая поляризация, высокая электропроводность раствора.
Механизм электрохимической коррозии.
На анодном участке, потенциал которого электроотрицательнее, происходит окисление - растворение металла:
А: Ме о - n = Me n+
На катоде протекает деполяризация – процесс отвода электронов с катодного участка. Вещества или ионы, участвующие в этом процессе, называются деполяризаторами.
На практике наиболее часто встречаются два вида деполяризации, при которых происходит связывание электронов на катодных участках: водородная и кислородная.
Водородная деполяризация протекает в кислых средах, деполяризаторы – ионы водорода Н+:
j = 0 В
Кислородная деполяризация протекает в нейтральных (и слабощелочных) средах, деполяризаторы – молекулы О2:
j = 0,4 В
Особенно широко распространен процесс с кислородной деполяризацией. Он наблюдается при коррозии металлов в воде, почве, во влажном воздухе и т. д.
Примером может служить ржавление железа во влажном воздухе. Составляющий сплава Fe3С имеет более электроположительный потенциал и является катодом, чистое железо характеризуется более отрицательным потенциалом и является анодом. На аноде протекает окисление железа, на катоде – кислородная деполяризация.
Уравнения процессов коррозии:
На аноде: 2Fe - 4ē = 2Fe2+
На катоде: 2Н2O + O2 + 4ē = 4ОН‾
В итоге : 2Fe + 2Н2O + O2 = 2Fe(OH)2
4Fe(ОН)2 + 2Н2O + O2 = 4Fe(ОН)3
Основная масса черных металлов разрушается вследствие протекания этих реакций.
Очень часто электрохимическая коррозия возникает в результате различной аэрации, т. е. неодинакового доступа кислорода воздуха к отдельным участкам поверхности металла. На рис. 6 изображена схема коррозии железа под каплей воды.
Рис. 6 - Схема коррозии железа под каплей воды
Около краев капли, куда кислороду проникнуть легче, возникают катодные участки. В центре, где толщина слоя воды больше и кислороду проникнуть труднее, - анодный участок. На аноде протекает окисление и разрушение металла, на катоде – восстановление окислителя, присутствующего в растворе.
Неравномерный доступ кислорода может также быть причиной коррозии подземных трубопроводов (рис. 7).
Рис. 7 – Коррозия в почве
Если трубопровод проходит через участки почвы, различные по составу и плотности (песчаные, глинистые, болотистые), то коррозии будет подвергаться тот участок трубопровода, который находится в боле плотном слое – глине. Часть трубопровода, находящаяся в песке, будет являться при этом катодом, т.к. через слой песка к поверхности трубопровода легче доступ кислорода и воды. На катоде будет протекать кислородная деполяризация, на аноде – разрушение металла.
Методы защиты металлов от коррозии
Для защиты металлов от коррозии используются следующие методы: легирование металлов, защитные покрытия, электрохимическая защита, изменение свойств коррозионной среды.
Легирование металлов – эффективный (хотя и дорогой) метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивацию металла; в качестве таких компонентов применяются Cr, Ni, W. Широкое применение нашло легирование для защиты от газовой коррозии.
Защитные покрытия бывают металлическими и неметаллическими. К неметаллическим покрытиям относятся: лакокрасочные, полимерные, неорганические (оксидные или солевые пленки).
Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (Zn, Ni, Cr, Ag), так и их сплавы (бронза, латунь и др.). По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные.
Катодные покрытия образуют металлы, электродные потенциалы которых имеют более положительное значение, чем потенциал защищаемого металла. В качестве примеров металлов катодных покрытий на стали можно привести Cu, Sn, Ni. При повреждении покрытия или наличии пор возникает гальванопара, в которой защищаемый металл является анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором протекает кислородная или водородная деполяризация. Следовательно, катодные покрытия могут защищать металл от коррозии только при отсутствии в них пор и повреждений.
Анодные покрытия образуются металлами, которые имеют более отрицательный потенциал, чем защищаемый металл. Пример – покрытие железа цинком. При нарушении целостности анодного покрытия образуется гальванопара, в которой материал покрытия становится анодом и растворяется, а защищаемый металл является катодом, поэтому коррозии не подвергается.
Уравнения процессов, происходящих при коррозии оцинкованного железа во влажном воздухе при механическом повреждении покрытия, имеют вид:
А: Zn - 2ē = Zn2+
К: 2Н2O + O2 + 4ē = 4ОН‾
2Zn + 2Н2O + O2 = 2Zn(OH)2
Т.о. анодные покрытия выполняют защитную функцию и в случае нарушения их целостности.
Электрохимическая защита (протекторная и катодная)основана на торможении анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Наиболее эффективна электрохимическая защита в коррозионных средах с хорошей ионной электрической проводимостью. При протекторной защите к изделию подсоединяют металл или сплав, потенциал которого значительно отрицательнее потенциала защищаемого изделия. Такие металлы или сплавы называются протекторами. В качестве материала протекторов используются сплавы алюминия, магния, цинка.
В коррозионной среде, например, в морской воде, металл протектора растворяется:
Mg – 2e → Mg2+
На защищаемом изделии протекает кислородная деполяризация:
Сущность катодной защиты (рис. 8) заключается в том, что защищаемое изделие подсоединяется к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, поэтому оно становится катодом, а анодом служит вспомогательный, обычно стальной электрод (металлолом). Вспомогательный электрод (анод) растворяется, а на защищаемом сооружении (катоде) протекает кислородная деполяризация.
Рис. 8 – Схема катодной защиты
Этот метод используется для защиты от коррозии подземных и морских трубопроводов, подводных лодок, буровых платформ, оборудования химических заводов. Радиус действия аккумуляторной батареи при катодной защите составляет до 50 км.
Введение ингибиторов коррозии.
Ингибитор – это вещество, при добавлении которого в небольших количествах в среду, где находится металл, значительно уменьшается скорость коррозии. Ингибиторы применяют главным образом в системах, работающих с постоянным или мало обновляемым объёмом раствора, например, в системах охлаждения, некоторых химических аппаратах, парогенераторах и т.п.
Они применяются при транспортировке газа и нефти, вводятся в автомобильные топлива и смазочные материалы. По составу различают ингибиторы органические и неорганические. Механизм действия значительного числа ингибиторов заключается в осаждении ингибитора на защищаемой поверхности и последующем торможении катодных и анодных процессов.
Экспериментальная часть