ІІ. Ознайомлення з процесами, які відбуваються при роботі гальванічних елементів; вимірювання різниці потенціалів на електродах гальванічного елемента.

Для досліджень пропонуються гальванічні елементи по яких виконані розра-хунки на попередньому етапі роботи.

Для виконання дослідів треба скласти гальванічний елемент згідно зі схемою на рисунку. 1

V Рис.1. Схема гальванічного елемента:

6 1 – вольтметр; 2,3 - електроди; 4, 5–

2 3 електроліти; 6 – електролітичний

ключ

4 5

Для цього слід зачистити поверхню металевих електродів і опустити їх у розчини відповідних електролітів. Два стакани з електролітами сполучити електрохімічним ключем (U-подібною трубкою, заповненою насиченим розчином КСІ). Контакти вимірювального приладу і зразків з¢єднати з електродами, попередньо виявити полярність за значеннями стандартних потенціалів з урахуванням схеми гальванічного елемента. Зверніть увагу на концентрації розчинів, які записані на стаканах напівелементів.

Виміряти різницю потенціалів (U) на електродах гальванічних елементів і записати ці значення у протоколі. Порівняти їх з розрахованими значеннями ЕРС. Пояснити, чому вони значно відрізняються у випадку, коли електродами є нікелеві пластини. Згадати, що це пов¢язано з хімічною поляризацією нікелевих електродів внаслідок їх пасивації. Визначити дійсне значення потенціалу нікелевого електрода в елементі 5, використовуючи замірянийта розрахований потенціал цинкового електрода.

Результати вимірів та розрахункові значення занести до таблиці.

Таблиця

№ п/п Схема гальванічного елемента Розрахункові значення (В) Виміряні

j_кат j_ан ЕРС значення U(В)

По закінчення досліджень схему розімкнути та розібрати, металеві пластини промити та висушити фільтрувальним папером.

Лабораторна робота № 3

ЕЛЕКТРОЛІЗ РОЗЧИНІВ СОЛЕЙ

Мета роботи: вивчення процесів, які відбуваються на електродах у процесі електролізу та визначення маси продуктів електролізу і виходу за струмом.

Дослід 1. Мідніння (електроліз розчину сульфату міді та сульфатної кислоти з розчинним анодом)

І. Характеристики процесу.

Склад електроліту: CuSO₄ – 200...250 г/дм³, Н₂SO₄ – 50...70 г/дм³; аноди – мідні, катод графітовий; густина за струмом (і) – 6...8 А/дм²; швидкість осадження міді 0,2...1,6 мкм/хв.

ІІ. Порядок роботи.

1. Зважити вугільний катод з точністю до 0,01 г і результат записати (m₁).

2. Визначити площу частини катоду S, яка занурюється у електроліт (S = hl, де l = pD – довжина кола циліндричного катоду, h - висота змоченої частини катода), виразити її у дм² (1 дм² = 100 см²). Обчислити силу струму: І = іS (A).

3. Зібрати прилад для електролізу згідно зі схемою на рис.2.

1 2

3 А 4

V

А К А

6 5 6

7

Рис.2. Схема приладу: 1 – випрямляч; 2 – амперметр; 3 – реостат; 4 – вольтметр (встановлюється 6 В); 5 – катод; 6 – анод; 7 – електролітична ванна з електролітом.

Помістити катод на катодну штангу і через реостат з'єднати з негативним полюсом випрямляча. Аноди помістити на анодні штанги і з'єднати з позитивним полюсом випрямляча. Складену схему запропонувати викладачеві для перевірки. Увімкнути прилад в мережу і негайно виставити реостатом розрахункову силу струму. Зафіксувати час і проводити електроліз на протязі 20...25 хвилин. Після закінчення електролізу схему розімкнути та розібрати, катод промити, висушити

над електроплиткою, зважити (m₂) і визначити масу металу, яка виділилася на катоді (m_прак = m₂ – m₁). Електроліз у цьому випадку зводиться до виділення металу на катоді і поступовому розчиненні аноду.

Під час електролізу необхідно описати дослід, записати процеси на електродах і розрахувати масу металу, яка виділиться на катоді за рівнянням Фарадея:

,

де m_теор– маса речовини, яка теоретично повинна виділитися на катоді, г; Е– еквівалентна маса виділеної речовини, г/моль; І– сила струму, А; τ – час електролізу в с або год; F – число Фарадея (96500 Кл/моль, якщо час вимірюється у секундах, або 26,8 А^.год/моль, якщо час вимірюється у годинах).

Розрахувати вихід за струмом h згідно з формулою:

.

ІІІ. Завдання. Записати процеси на електродах і розрахувати масу речовини, яка утворюється на аноді за умовами досліду 1, але з нерозчинними анодами.

Дослід 2. Нікелювання. (Електроліз розчину суміші солей та борної кислоти з розчинним нікелевим анодом)

І. Характеристики процесу.

Склад електроліту: NiSO₄ – 250...300 г/дм³, Na₂SO₄ – 60...80 г/дм³, Н₃ВО₃ – 25...40 г/дм³ (Н₃ВО₃ додається для підтримування певного значення рН, Na₂SO₄ – для збільшення електропровідності електроліту); аноди – нікелеві, катод – мідний, густина за струмом (і) – 0,5...2 А/дм², рН – 5,2...5,8; швидкість осадження нікелю – 0,1...0,4 мкм /хв.

ІІ. Порядок роботи.

1. Зачистити наждачним папером і зважити мідний катод з точністю до 0,01 г; результат записати (m₁).

2. Визначити площу частини мідного катода S, яка занурюється в електроліт S = 2hl, де h і l - висота і довжина частини катода, де буде утворюватися покриття, 2 – дві сторони поверхні катода, виразити її у дм². Обчислити силу струму в амперах (А): І = іS.

3. Далі все, як в п. 3 досліду 1. Пояснити процеси на катоді і анодах.

ІІІ. Завдання. Записати процеси на електродах і розрахувати кількість речовини, яка утворюється на аноді за умовами досліду 2, але з нерозчинними анодами.

Дослід 3. Цинкування. (Електроліз розчину суміші солей з розчинним цинковим анодом)

І. Характеристики процесу.

Склад електроліту: ZnSO₄ – 200...300 г/дм³, Al₂(SO₄)₃ – 20...30 г/дм³, Na₂SО₄ – 25...40 г/дм³. Al₂(SО₄)₃ додається для підтримування певного значення рН, Na₂SO₄ – для збільшення електропровідності електроліту; аноди – цинкові, катод – залізний, густина за струмом (і) – 1...3 А/дм², рН – 3,5...4,0; швидкість осадження цинку – 0,2...0,65 мкм /хв.

ІІ. Порядок роботи:

1. Зачистити ретельно наждачним папером і зважити залізний катод з точністю до 0,01 г; результат записати (m₁).

2. Визначити площу частини залізного катода S, яка занурюється у електроліт S = 2hl, де h і l - висота і довжина катода, де буде утворюватися покриття, 2 – дві сторони поверхні), виразити її у дм². Обчислити силу струму в амперах (А): І = і·S .

3. Далі все, як в п. 3 досліду 1. Пояснити процеси на катоді і анодах.

ІІІ. Завдання. Записати процеси на електродах і розрахувати масу речовини, яка утворюється на аноді за умовами досліду 3 але з нерозчинними анодами.

Лабораторна робота № 4

КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ

Мета роботи: вивчення причин виникнення мікрогальванопар на поверхні кородуючого металу; визначення стаціонарних потенціалів корозійних процесів.

Дослід 1.Утворення мікрогальванопар на цинку та залізі у кислому середовищі в присутності солі Купруму

1. Шматочок гранульованого цинку помістити в пробірку і долити 2-3 мл розведеної сульфатної кислоти. Спостерігати розчинення цинку і поступове виділення водню за реакцією:

Zn⁰ + 2H­­­­⁺ ® Zn⁺² + H₂⁰.

Долити декілька крапель розчину купрум сульфату і спостерігати збільшення швидкості виділення водню внаслідок виникнення мікрогальванічних елементів на поверхні цинку, в яких цинк є анодом, а мідь катодом:

(–) Zn | H₂SO₄ | H₂, (Cu) (+).

Анод окиснюється (розчинюється):

А: Zn⁰ – 2ē ® Zn⁺².

На катоді відбувається воднева деполяризація (процес відновлення):

К: (Cu) 2H⁺ + 2ē ® 2H⁰; 2H⁰ ® H₂ .

2. Зробити аналогічний дослід зі шматочком заліза. Записати схему утворено-го корозійного елемента, визначити катод і анод. Записати процеси, які відбува-ються на електродах корозійного гальванічного елемента.

Дослід 2. Корозія внаслідок нерівномірного доступу кисню (диференційної аерації).

На рис.3 зображено поверхню металу, вкритого краплею вологи.

О₂

О₂ О₂

К А К

Рис.3. Схема диференційної аерації

Стальну пластинку ретельно зачистити наждачним папером, промити і висушити фільтрувальним папером. На чисту поверхню нанести 1-2 краплі 3%-го розчину натрій хлориду. У центр цієї краплі додати краплю червоної кров¢яної солі К₃[Fe(CN)₆], на край краплі – фенолфталеїну.

Внаслідок нерівномірного доступу кисню утворюється корозійний гальванічний елемент

(–)Fe, Fe²⁺ | H₂O, O₂(C₁) | H₂O, O₂(C₂) | OH^–, Fe (+) , C₂ > C₁, або

(–)Fe, Fe²⁺ | H₂O, O₂ | OH^–, Fe (+)

Записати катодні а анодні процеси в ньому.

Спостерігати появу синього забарвлення в центрі краплі і рожевого по краях і пояснити ці явища. Записати реакцію, яка підтверджує наявність анодної ділянки

у центрі краплі.

Дослід 3. Активатори корозії

Іони, які руйнують захисні плівки металів і тим самим сприяють корозії, називаються активаторами корозії. У морській воді активаторами є іони хлору.

Помістити в дві пробірки по шматочку або гранулі алюмінію і долити до нього розчин купрум сульфату, трохи підкисленого сульфатною кислотою. В одну з пробірок долити декілька крапель розчину NaCl.

Спостерігати корозію (розчинення) алюмінію в пробірці з NaCl. Пояснити результати досліду, записати схему корозійного гальванічного елемента і реакції на катоді і аноді.

Дослід 4. Визначення стаціонарного потенціалу металу в морській воді

Для визначення стаціонарного потенціалу металу в морській воді зібрати гальванічний елемент, який складається з зразка досліджуваного металу і електрода порівняння (рис.4.)

v Рис.4. Схема гальванічного елемента:

3 1–досліджуваний зразок; 2–електрод . 2 порівняння; 3 - вольтметр

1

Досліджуваними металами є сталь 3 (j⁰ = -0,44 В), нержавіюча сталь (j⁰ = = -0,25 В), алюміній (j⁰ = -1,68 В), мідь (j⁰ = +0,34 В), латунь (j⁰ = -0,44 В). Зразок металу зачистити наждачним папером, протерти фільтрувальним папером і, закріпивши клемою, помістити в склянку з імітатом морської води (3,5%-й розчин NaCl). Потім в склянку помістити хлорсрібний електрод порівняння (j⁰_х.-с = = +0,203 В). Стаціонарний потенціал встановлюється через 1-3 хвилини. В електрохімічне коло підключити вольтметр і заміряти падіння напруги U складеного гальванічного елемента.

Визначити електродні потенціали металів, виходячи з формули U = j_к – j_а .

Розмістити хімічні символи металів та значення їх стандартних і стаціонарних потенціалів в таблиці в порядку зростання їх величин. Зазначити також значення стандартного водневого електрода і хлорсрібного електрода порівняння.

Дослід 5. Контактна корозія металів.

Розмістити досліджувані в досліді 4 конструкційні матеріали в електрохімічні пари за величиною електродних потенціалів. Занурити пари металів в імітат морської води, закріпити їх клемою і заміряти вольтметром потенціал (падіння напруги) контактної пари. Одержані дані порівняти з потенціалами окремих металів, приведених до контакту. Зробити висновок, до якого з металів, більш чи менш активного, наближається потенціал контактної пари. Скласти схеми утворених гальванічних корозійних елементів, записати електродні реакції.

Зробити загальний висновок по роботі.

Лабораторна робота № 5