Работа 11. Основы электрохимии.

Цель работы - овладеть методикой измерения ЭДС и напряжения гальванических элементов; изучение условий возникновения коррозионных микроэлементов.

Введение.

Электрохимия изучает окислительно-восстановительные процессы, сопровождающие возникновение электрического тока, либо происходящие под действием постоянного электрического тока.

Если погрузить металл в раствор его соли или, воду, то ионы металла из поверхностного слоя взаимодействуют о полярными молекулами воды и переходят в гидратированном виде в раствор. Устанавливается равновесие:

Между металлом и раствором возникает разность потенциалов,- которую называют электродным потенциалом металла - . Для характеристики значения электродного - потенциала используются относительные величины, измененные по отношению к стандартному электроду (водородному), потенциал которого условно принимают за 0.

По возрастанию величины стандартного электродного потенциала металлы и водород расположены в ряд напряжений (ряд активностей), который характеризует химическую активность металлов и их ионов. Чем меньше величина электродного потенциала, тем легче его атомы отдают электроны, т.е. проявляют большую восстановительную активность и тем труднее его ионы присоединяют электроны, т.е. проявляют меньшую окислительную активность.

Восстановительные свойства металлов и окислительные свойства их ионов изменяются следующим образом: увеличение восстановительной способности металлов:

(увеличение окислительной способности ионов)

Металлы с более отрицательными потенциалами (более сильные восстановители) вытесняют металлы с более положительными потенциалами из растворов их солей.

Чем дальше расположен металл в ряду напряжении, тем более сильными окислителями являются его ионы, тем легче их восстановить.

Гальваническим элементом называется любое устройство, дающее возможность получить электрический ток за счет проведения окислительно-восстановительной химической реакции. Гальванический элемент состоит из двух электродов, соединенных внешней и внутренней цепью.

При работе гальванического элемента роль анода выполняет обычно расположенный в ряду напряжений левее катода - металл, расположенный правее.

Если в гальваническом элементе протекает суммарная электродная реакция:

то ЭДС (Е_Э) этого элемента описывается уравнением:

- стандартны ЭДС; ,,,- активности реагирующих веществ и продуктов реакции. Например, для реакции:

Рассмотрим цинково-никелевый гальванический элемент, анодом является , катодом. Схематически гальванические элементы записываются следующим образом:

Более активный электрод указывается слева; граница между электродом и раствором обозначается одной вертикальной чертой, а между растворами – двумя.

В рассматриваемом гальваническом элементе на электродах протекают следующие реакции;

(окисление)

(восстановление)

Стандартную ЭДС гальванического элемента, можно рассчитать по известным значениям стандартной энергии Гиббса реакции:

где n - заряд иона металла, F - число Фарадея, равное 35500 Кл; либо по разности стандартных равновесных потенциалов электродов.

Потенциалы металлических электродов.

При погружении металла в раствор собственных ионов устанавливается равновесие:

При равновесии скорость растворения металла равна скорости разряда его ионов. Потенциал, устанавливающийся на электроде при равновесии, называется равновесным потенциалом электрода. Для измерения его нужен гальванический элемент. Пусть такой гальванический элемент состоит из водородного электрода и металла:

Токообразующей в этом элементе будет реакция:

ЭДС такого элемента в соответствии о уравнением (1.1) равна:

ЭДС измеренного элемента равна потенциалу электрода по водородной шкале , так как по условию, и.

где активность ионов металла.

Уравнение (1.4) называется уравнением Нерста по имени ученого, его предложившего.

Переходя м натуральных логарифмов к десятичным, получаем:

Подставляя в уравнение Т=298° и соответствующие значения R и F,приходим к выражению:

Для разбавленных растворов, где активности мало отличаются от концентраций (а  с), уравнение (1.6) имеет вид:

Величина - называется стандартным потенциалом металлического электрода, в растворе собственных солей ионов с активностью последних, равной 1.

Коррозия металлов.

Коррозией называется окислительно-восстановительный процесс самопроизвольного разрушения металлов, происходящий вследствие физического взаимодействия их с окружающей средой. По механизму действия коррозию подразделяют на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия - разрушение металлов в результате прохождения химической реакции. Электрохимическая коррозия - разрушение металла в результате работы микрогальванических пар.

Неоднородность (гетерогенность) состава, поверхности металла или окружающей его среды приводит к возникновению в металле участков с различными электродными потенциалами, образуется многоэлектродный гальванический элемент.

Участок с меньшей величиной электродного потенциала будет анодом, на нем происходит процесс окисления, т.е. отдача электронов и разрушение (коррозия) металлов:

Участок с большей величиной электродного потенциала будет катодом, на нем происходит процесс восстановления, т.е. присоединение - электронов (коррозии не подвергается).

Так, в нейтральной среде:

В кислой среде:

Чтобы предохранить металлы от разрушения применяются различные способы защиты: катодная защита - защищаемый металл подключают к отрицательному полюсу внешнего источника тока, протекторная защита, анодные покрытия.

Сущность протекторной защиты состоит в том, что к защищаемому металлу присоединяют другой металл (протектор) с меньшей величиной электродного потенциала. Например, железо соединяют с цинком.

В образующейся гальванической паре защищаемый металл (железо) является катодом и не будет подвергаться коррозии.

Для защиты от коррозии используется покрытие из пленки металла, нанесенное на поверхность защищаемого металла. Для покрытия выбирается металл практически не коррозирующий в тех же условиях (,,,,и др.). Если покрытие изготовлено из металла, имеющего меньшее значение электродного потенциала, чем защищаемый металл, то такое покрытие называетсяанодным. При нарушении целостности такого покрытия образуется гальванопара, в которой анодом является металл покрытия, и он будет разрушаться, предохраняя основной металл. Например:

А: - окисление.

К: - восстановление.

Катодным называется покрытие из металла с большим электродным потенциалом, защищаемый металл. При нарушении целостности такого покрытия образуется гальванопара, в которой металл покрытия является катодом, а анодом - основной металл. Например:

А: - окисление.

К: - восстановление.

Железо разрушается.

Экспериментальная часть.

Опыт 1 Вытеснение свинца цинком из раствора соли свинца.

Кусочек цинка обвяжите ниткой; опустите цинк в раствор ацетата свинца. Оставьте раствор стоять спокойно и наблюдайте происходящее. Составьте уравнение реакции.

Опыт 2. Гальванический элемент с медным и цинковым электродами.

Собрать схему, состоящую из металлических пластинок Zn и Cu, батарейных стаканов с растворами и, гальванометра, U-образной трубки.

Соединить металлические пластинки и гальванометр проводниками. Наблюдать отклонение стрелки гальванометра. Чем обусловлено возникновение электрического тока?

Выписать из таблицы (см. приложение) числовые значения электродных потенциалов и указать направление перехода электронов. Написать уравнения химических реакций, протекающих на электродах элемента, и суммарное уравнение химической реакции. Вычислить электродвижущую силу гальванического элемента. Привести соотношение, выражающее связь ЭДС гальванического элемента с изменением изобарно-изотермического потенциала (). Вычислить ().

Вычислить ЭДС медно-цинкового гальванического элемента, зная, что концентрация ионов Сu в растворе равна 1г-ион/л, а концентрация ионов цинка - 0,01г-ион/л.

Указать в каком направлении перемещаются электроны во внешней цепи гальванических элементов,

Привести уравнения электродных реакций, суммарное уравнение химической реакции и вычислить ЭДС, пользуясь величинами электродных потенциалов (концентрации ионов металлов во всех случаях считать равными 1г-ион/л.

Опыт 3.Электрохимическая коррозия.

а) Влияние образования гальванических пар на течение химических процессов.

Взаимодействие цинка с серной кислотой в отсутствии и присутствии меди.

Внести в пробирку 5-6 капель 2Н и кусочек чистого цинка. Наблюдается ли выделение водорода? Коснуться медной проволочкой кусочка в пробирке. Как изменится интенсивность выделения водорода и на каком металле он выделяется? Отнять медную проволочку от цинка и убедиться, что интенсивность выделения водорода изменяется. Как влияет контакт цинка с медью на коррозию (растворение) цинка?

Составьте схему образующейся гальванической пары, уравнение электродных реакций и суммарное уравнение реакции.

б) Электрохимическая катодная защита от коррозии.

Налейте в электролизер З% с несколькими каплями. Анод графитовый, катод железный. Включите источник питания. Для сравнения опустите в раствор того же электролита железную пластинку. Отметьте появление синего окрашивания. Чем это объясняется? В каком случае коррозия развивается интенсивно? Составьте уравнения происходящих процессов. Чем объясняется различие скоростей коррозии в первом и втором случаях?

Контрольные вопросы и задачи.

1. Какой потенциал называется стандартным потенциалом?

2. От каких факторов зависит величина электродного потенциала?

3. Какие из приведенных реакций возможны:

1)3)

2)4)

4. Чем объяснить, что медь обычно не вытесняет водород иэ кислот?

5. Что называется коррозией металлов?

6. Кратко сформулируйте отличие электрохимической защиты от химической.

7. Чем вызвана электрохимическая неоднородность поверхности металла?

8. Каковы причины возникновения микрогальванопар?

9. Какие существуют методы зашиты от коррозии?

10. Что такое анодные и катодные защитные покрытия?

11. В чем заключается сущность катодной защиты металлов?

12. Что такое протекторная защита металлов?