В. А. Миронова - Методические указания к выполнению лабораторных работ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1. Качественное определение электрохимической активности металлов

Установите опытным путем относительную активность пяти металлов: меди, железа, олова, свинца и цинка. Для этого в пять пробирок налейте по 1-2 мл раствора следующих солей: сульфата цинка, сульфата железа (II), хлорида олова (II), ацетата свинца, сульфата меди. Во все растворы (за исключением раствора соли цинка) опустите на 2-3 мин по 1 грануле металлического цинка. Что происходит на поверхности цинка во всех пробирках? Напишите уравнения реакций взаимодействия цинка с растворами взятых солей в ионном виде. Какова роль цинка в этих реакциях? Какова его восстановительная активность по сравнению с железом, оловом, свинцом и медью?

Проведите аналогичные опыты со всеми остальными металлами. Наблюдайте каждый раз, в каких пробирках происходит вытеснение металла из его соли. Напишите уравнения протекающих реакций с указанием направления перехода электронов.

На основании сделанных наблюдений заполните таблицу 6.1

Знаком плюс под соответствующими ионами металлов обозначайте вытеснение металлов из раствора соли при действии того или другого чистого металла, и знаком минус - тот случай, когда вытеснения не происходит. Какой из исследованных металлов самый активный, а какой наименее активный? Расположите все эти металлы в ряд по убыванию их восстановительной активности. Выпишите под каждым металлом значение его стандартного электродного потенциала (приложение 8). Принимая электродный потенциал водорода равным нулю, поместите водород в полученный ряд активности. Какие из исследованных металлов могут вытеснять водород из разбавленных кислот?

Опыт 2. Изготовление гальванического элемента и ознакомление с его работой

В один микростакан (см. рис. 6.1) налейте почти доверху 1%-ный раствор сульфата меди и опустите в него медный электрод, в другой налейте 1%-ный раствор сульфата цинка и опустите в него цинковый электрод. Оба

51

полуэлемента поставьте на подставку и соедините электролитные растворы мостиком (П-образной трубкой), заполненным насыщенным раствором хлорида калия. Отклонение стрелки вольтметра, с которым соединены взятые электроды, указывает на возникновение', электрического тока,

обусловленной различной величиной электродных потенциалов Zn+2/ Zn0 и

Cu+2/Cu0.

Выпишите стандартные электродные потенциалы меди и цинка и укажите направление движения электронов во внешней цепи. Напишите уравнения химических реакций, протекающих на электродах, и суммарное уравнение окислительно-восстановительного процесса, в результате которого в данном гальваническом элементе возникает электрический ток. По выписанным значениям стандартных электродных потенциалов цинка и меди вычислите стандартную ЭДС изготовленного гальванического элемента.

Опыт 3. Электролиз водных растворов солей с нерастворимым анодом

Электролиз иодида калия.

Налейте в электролизер раствор иодида калия, к которому добавлен фенолфталеин и крахмальный клейстер. Опустите в оба колена электролизера графитовые электроды, присоединенные проводом к выпрямителю, и подключите выпрямитель к сети переменного тока.

Почему на катоде не выделяется металлический калий? Появление каких ионов в процессе электролиза обусловило окрашивание в красный цвет раствора в катодном пространстве? Напишите уравнение катодного процесса. Что произошло с иодид ионами на аноде? Чем обусловлено синее окрашивание раствора в анодном пространстве? Напишите уравнение анодного процесса.

Примечание. После окончания опыта и отключения электродов для полного удаления йода с графитового анода промойте его раствором гипосульфита, а затем дистиллированной водой.

Электролиз дихлорида олова.

Налейте в электролизер раствор дихлорида олова. Опустите в оба колена графитовые электроды, присоединенные к выпрямителю, и подключите выпрямитель к сети переменного тока. Через 1-2 мин наблюдайте на графитовом катоде появление блестящих кристаллов олова. Через 4-5 мин пропускания тока выньте из электролизера графитовый анод, прибавьте в раствор 3-4 капли раствора иодида калия и крахмального клейстера и наблюдайте посинение раствора.

Напишите уравнение катодного и анодного процессов. Окисление или восстановление ионов Sn2+ происходит на катоде? Окисление или восстановление ионов Сl2- происходит на аноде? Почему изменилась

52

окраска раствора в анодном пространстве при добавлении иодида калия и крахмала?

Опыт 4. Электролиз водного раствора сульфата меди с нерастворимым и растворимым анодом

Налейте в электролизер 1 %-ный раствор сульфата меди, опустите в него графитовые электроды, присоединенные к выпрямителю, и подключите выпрямитель к сети переменного тока. Какое вещество выделилось на катоде? Выделяется ли газ? Напишите уравнения катодного и анодного процессов на графитовых электродах. Отключите выпрямитель от сети.

Выньте электроды и поменяйте их местами, вследствие чего анодом окажется электрод, покрытый медью. Вновь опустите электроды в электролизер и подключите выпрямитель к сети переменного тока. Наблюдайте на аноде постепенное растворение меди и отсутствие выделения газа. Напишите уравнение анодного процесса, протекающего при электролизе с графитовым электродом, покрытым медью.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Никелевые пластины опущены в растворы MgSO4, NaCl, CuSO4,

3.Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом - анодом. Напишите уравнения процессов, протекающих на никелевых электродах в первом и во втором случаях.

4.Напишите уравнения реакций катодного и анодного процессов, протекающих при электролизе перечисленных ниже водных растворов с графитовыми электродами: а) хлорида меди (II); б) гидроксида калия.

Литература

1.Коровин Н. В. Общая химия. С. 251-309.

2.Фролов В. В. Химия. С. 268-301.

53

Лабораторная работа № 7

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ НЕЕ

Цель работы: экспериментально ознакомиться с основными видами коррозионных процессов и способами защиты металлов от коррозии.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой называется коррозией. Широко известны такие коррозионные явления, как ржавление железа на воздухе, образование окалины на железе при высокой температуре, разъедание металлов кислотами.

Коррозия - это разрушение металла в результате его физикохимического взаимодействия с окружающей средой.

При этом металлы окисляются и образуются продукты, состав которых зависит от условий коррозии.

Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия происходит в среде не электролита, например в агрессивных органических жидкостях, таких как нефть, бензин, керосин или в газах без конденсации влаги на поверхности металла, обычно при высоких температурах. Примером могут служить реакции:

2Fe + 3Cl2 (t) 2FeCl3

4Fe + 3O2 (t) 2Fe2O3

Электрохимическая коррозия металлов происходит в результате действия микрогальванических элементов на их поверхности в среде электролита.

Электрохимическая коррозия возникает при наличии разности потенциалов в электропроводящей среде, т.е. в среде электролита, например при соприкосновении металлов с водой, растворами электролитов, атмосферным воздухом и другими влажными газами. В этих случаях процесс коррозии сопровождается перемещением электронов с одних участков металла к другим, т. е. появлением электрического тока. При этом на одних участках поверхности металла протекают катодные, а на других - анодные процессы. В качестве примера электрохимической коррозии рассмотрим действие H2SO4 на технический цинк, содержащий примеси железа.

На поверхности такого цинка возникает множество микроскопических гальванических элементов Zn || H2SO4 || Fe.

При контакте двух металлов анодом всегда является тот, у которого меньше величина потенциала, т.е. цинк служит анодом, а железо - катодом. На цинке протекает анодный процесс:

Zn0 Zn+2 +2e- (окисление, коррозия цинка)

54

Катодный процесс протекает на железе и связан с выделением водорода (водородная деполяризация происходит в кислой среде, если pH 7):

2H+ +2e- 2H0 H2 (восстановление, водородная деполяризация).

Обычно при электрохимической коррозии катодные процессы зависят от рН среды: если рН < 7 (кислая среда), то на катоде происходит водородная деполяризация (см. выше); при рН > 7 (нейтральная или основная среда) происходит ионизация (восстановление) кислорода или кислородная деполяризация. За катодный процесс отвечает вода и растворенный в ней кислород: они присоединяют электроны, образуя гидроксо-группу:

pH 7: 2Н2О + О2 + 4e- 4ОН- (катодный процесс)

При описании коррозионных явлений окисляющийся металл называют анодом, а процесс окисления - анодным. Металл, на котором электроны переходят к окислителю, называют катодом, а процесс восстановления - катодным (по аналогии с гальваническими элементами).

В случае контакта разнородных металлов в результате различия стандартных электродных потенциалов этих металлов возникает разность потенциалов. При этом более активный электрохимически металл разрушается и становится анодом, а менее активный металл — катодом.

Однако даже на безукоризненно однородной поверхности металла, согласно уравнению Нернста:

E E0 RT ln C1 , nF C2

могут образоваться анодные и катодные участки, если на различных частях поверхности разная концентрация электролита. Примером может служить электрохимическая коррозия вследствие неравномерной аэрации (насыщения воздухом). Замечено, что пластина металла, опущенная в воду, ржавеет так, как показано на рис. 7.1, вследствие неодинаковой доставки кислорода к различным участкам поверхности металла. Участки металла, соприкасающиеся с раствором, содержащим больше кислорода, становятся катодными: в них металл не растворяется, а на металле происходит катодная реакция:

2Н2О + О2 + 4e- 4ОН-

Участки с меньшей концентрацией кислорода являются анодами и там начинается коррозия:

Fe0 Fe2 + + 2e-.

55

защитных покрытий механически изолирует поверхность металла от окружающей среды, а также изменяет ее электрохимические свойства.

Способы защиты от коррозии

Рис.7.2 Схема способов защиты металлов от коррозии.

Пассивирование металлов осуществляется путем образования на их поверхности пассивирующих пленок из оксидов или труднорастворимых солей.

При оксидировании происходит уплотнение защитной оксидной пленки. Оксидирование осуществляется химическим и электрохимическим способами.

Металлические покрытия из металлов, устойчивых к коррозии (Zn, Sn, Ni, Ag, Cr), наносят путем электролиза (гальваностегии).

По характеру защитного действия различают анодные и катодные металлические покрытия. Анодными называются такие покрытия, в которых покрывающий металл имеет более отрицательный потенциал. Например, анодным является цинковое покрытие на железо. При нарушении целостности покрытия возникают гальванопары, в которых роль анода будет выполнять цинк. Катодными являются такие покрытия, в которых покрывающий металл имеет более положительный электродный потенциал

(Sn на Fe).

57

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1. Коррозия, возникающая при контакте двух различных металлов

В пробирку внесите 8-10 капель 1%-го раствора серной кислоты и поместите туда гранулу цинка. Наблюдайте медленное выделение водорода. Введите в раствор медную проволоку, не доводя ее до соприкосновения с цинком. Наблюдается ли выделение водорода на меди? Погрузите медную проводку глубже так, чтобы она контактировала с цинком. Объясните выделение водорода на меди в этом случае. Составьте схему действия образовавшейся гальванопары. Как повлиял на коррозию цинка контакт с медью?

Опыт 2. Коррозия в результате различного доступа кислорода (аэрационная коррозия)

Очистите стальную пластинку наждачной бумагой, промойте и вытрите фильтровальной бумагой. На чистую поверхность нанесите каплю специального реактива, состоящего из 3%-го раствора хлорида натрия, к которому добавлен фенолфталеин и гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6] (рис. 7.3). Наблюдайте появление синего окрашивания в центре капли и розового по ее окружности.

Составьте схему действия гальванопары, возникающей при различной аэрации металлической поверхности. Чем вызвано появление розовой окраски у краев капли?

Примечание. Гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6] добавлен как реактив на ионы Fe+2.

Опыт 3. Активирующее действие ионов хлора

Поместите в две пробирки по кусочку алюминиевой проволоки и прилейте к ним раствор сернокислой меди, слегка подкисленный серной кислотой.

В одну из пробирок добавьте 4-5 капель 10%-го раствора хлорида натрия. В каком случае скорее протекает реакция? Объясните результат опыта и составьте схему действия образовавшихся гальванопар.

Опыт 4. Электрохимическая коррозия оцинкованного и луженого железа

Налейте в две пробирки на 0,5 ее объема специальный раствор, состоящий из гексацианоферрата (III) калия и 2%-го раствора серной кислоты. Две железные проволочки очистите наждачной бумагой. Концом одной проволочки плотно обмотайте кусочек цинка, другой - кусочек олова. Опустите каждую проволочку в одну из пробирок с приготовленным раствором.

58

Опыт 6. Электрохимическая защита

В стакан с 1%-ной уксусной кислотой, к которой прибавлено несколько капель раствора йодида калия KI, поместите цинк и свинец в контакте друг с другом. Другой образец свинца для сравнения поместите в другую пробирку с тем же раствором. Где скорее появится желтое окрашивание (йодид свинца имеет желто-золотистый цвет)? Составьте схему действия гальванопары. Объясните результаты опыта.

Опыт 7. Применение ингибиторов

Втри пробирки внесите по 7 капель 0,2%-ного раствора серной кислоты

ипо 1 капле раствора гексацианоферрата (III) калия (индикатор на ионы Fe2+ - синее окрашивание). В первую пробирку добавьте микрошпатель уротропина. Опустите в первую и вторую пробирки железные проволоки, предварительно протравленные соляной кислотой, а в третью - проволоку, покрытую ржавчиной. Отметьте время появления и интенсивность синей окраски в каждой пробирке. Почему они различны? Какова роль уротропина

иржавчины?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое коррозия металлов?

2.Какие виды коррозии вы знаете?

3.Как в случае нарушения целостности покрытия будет протекать в кислой среде коррозия железа: а) покрытого медью; б) покрытого марганцем?

4.В каком случае коррозия железа будет происходить быстрее в случае луженого железа или оцинкованного? Приведите схему работы микрогальванопар.

5.Какие методы защиты металлов от коррозии существуют?

6.Какие покрытия называются катодными, а какие - анодными?

7.Напишите уравнения химических процессов, протекающих на электродах при электролитическом никелировании.

8.Какой процесс называется оксидированием? Приведите пример.

Литература

1.Коровин, Н. В. Общая химия. С. 310-340

2.Фролов, В. В. Химия. С. 522-548

60