Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ок-вос и эл-хим.doc
Скачиваний:
144
Добавлен:
07.03.2015
Размер:
1.29 Mб
Скачать

8.3.2.1. Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки

1. Сформулируйте законы Фарадея. Запишите аналитическое выражение законов.

2. Через раствор сульфата некоторого металла пропускали ток силой 6 А в течение 45 мин, в результате чего на катоде выделилось 5,49 г металла. Вычислите молярную массу эквивалентов металла.

Ответ: 32,7 г/моль.

3. Через водный раствор сульфата натрия пропускают ток силой 5 А в течение 2 ч. Какая масса воды подвергнется превращению?

Ответ:3,36 г.

4. Через раствор сульфата кадмия пропускали ток силой 10 А в течение 1 часа. Найдите массу выделившегося кадмия, если выход по току составляет 90 %.

Ответ:18,87 г.

5. При электролизе водного раствора нитрата меди током силой 6 А в течение 30 мин выделилось 3,38 г меди. Определите выход по току для меди.

Ответ: 94,9 %.

6. Какие вещества образуются при электролизе раствора хлорида железа (II) с угольными электродами?

7. Какие процессы будут протекать при электролизе раствора серной кислоты с графитовым катодом и платиновым анодом? Перенапряжение выделения водорода на графите- 0,65 В, кислорода на платине -0,7 В.

8. Какими факторами определяется последовательность восстановления окислителей на катоде и окисления восстановителей на аноде?

9. Укажите последовательность восстановления катионов при постепенном повышении напряжения на электродах в растворе, содержащем следующие ионы: Pb2+, Fe3+, Ni2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+.

10. При электролизе водных растворов каких солей на катоде выделяется металл: а) CuSO4; б) K2SO4; в) CaSO4; г) AgNO3?

11. При электролизе водных растворов каких солей у анода окисляется вода:а) KCl; б) K2S; в) NaNO3; г) Na2SO4?

12. Опишите химические процессы, протекающие при электролизе расплава хлорида натрия.

13. Опишите химические процессы, протекающие при электролитическом получении алюминия.

14. Опишите химические процессы, протекающие при электролизе водного раствора хлорида натрия.

15. Опишите химические процессы, протекающие при электролитической очистке меди.

8.3.2.2. Задания для текущих и промежуточных контролей.

  1. Какое количество воды разложится при пропускании через раствор сульфата натрия тока силой 5 А в течение 2 часов?

Ответ: 3,36 г.

  1. Сколько времени потребуется для разложения 1 моль воды током силой 5 А?

Ответ: 38600 с.

  1. Какое количество металла выделится на катоде при протекании через раствор сульфата никеля в течение 10 мин постоянного тока силой 5 А?

Ответ: 0,912 г.

  1. Какое количество электричества необходимо для выделения (н.у.) 0,112 л водорода при электролизе водного раствора сульфата натрия?

Ответ: 965 Кл.

  1. Определите массу выделенной на катоде меди, если через раствор хлорида меди пропускать ток силой 3 А в течение 6 часов.

Ответ: 21,3 г.

  1. Какой объем водорода, измеренный при нормальных условиях, выделится на катоде при пропускании через раствор хлорида натрия тока 5 А в течение 1 часа?

Ответ: 2,1 л.

  1. Сколько времени нужно пропускать ток силой 2 А через 0,1н раствор сульфата никеля, чтобы полностью выделить никель из 500 мл раствора? Выход по току равен 90 %.

Ответ: 2680 с.

  1. Сколько граммов цинка выделилось на катоде при электролизе водного раствора сульфата цинка, если на аноде выделилось 250 мл кислорода, измеренного при нормальных условиях? Выход по току цинка составляет 80 %.

Ответ: 1,168 г.

  1. Вычислите количество хлора, выделившееся на аноде при пропускании тока силой 3 А в течение 6 часов.

Ответ: 0,336 моль.

  1. Какова была сила тока при электролизе, если за 50 минут выделилась вся медь из 120 мл 0,4н раствора сульфата меди?

Ответ: 1,54 А.

  1. Вычислите объем выделившегося на аноде кислорода, если через разбавленный раствор серной кислоты проходил ток силой 5 А в течение 1 часа.

Ответ: 1,045 л.

  1. Определите количество гидроксида натрия, которое образуется при электролизе водного раствора хлорида натрия при пропускании через электролит тока силой 3 А в течение 24 часов.

Ответ: 2,69 моль.

  1. Сколько времени потребуется для разложения 1 моль расплава хлорида натрия током силой 2 А?

Ответ: 48250 с.

  1. Вычислите массу разложившейся воды, если ток силой 5 А пропускали в течение 1 часа через разбавленный раствор серной кислоты.

Ответ: 1,68 г.

  1. Какое количество электричества необходимо пропустить через водные растворы хлорида железа (II) и хлорида железа (III), чтобы на катоде выделилось одинаковая масса (m) железа?

Ответ: 3446 m Кл; 5169 m Кл.

  1. Сколько граммов цинка выделится на катоде при электролизе водного раствора сульфата цинка, если через раствор пропускать ток силой 5 А в течение 20 минут?

Ответ: 2,03 г.

  1. Какое количество электричества надо пропустить через водный раствор хлорида натрия, чтобы получить 1 кг гидроксида натрия?

Ответ: 2412500 Кл.

  1. При электролизе водного раствора сульфата хрома (Cr2(SO4)3) током силой 1 А масса катода возросла на 10 г. Какое количество электричества и в течение какого времени было пропущено?

Ответ: 55673 Кл; 55673 с.

  1. Сколько времени пропускали ток силой 8 А через водный раствор сульфата никеля, если масса никелевого анода уменьшилась на 0,8805 г?

Ответ: 362 с.

  1. Через водный раствор хлорида натрия пропускали ток силой 15 А в течение 16 минут. Сколько граммов гидроксида натрия образовалось у катода?

Ответ: 6 г.

  1. Через водный раствор сульфата натрия пропускали ток в течение 2 часов, в результате чего выделилось 2 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Вычислите силу тока.

Ответ: 2,39 А.

  1. Через водный раствор сульфата некоторого металла пропускали ток силой 6 А в течение 45 минут, в результате чего на катоде выделилось 5,49 г металла. Найдите молярную массу эквивалента металла.

Ответ:32,7 г/моль.

  1. При электролизе водного раствора сульфата меди на аноде выделилось 420 мл газа (н.у.). Вычислите количество и массу вещества, выделившегося на катоде.

Ответ: 0,0375 моль или 2,38 г.

  1. Сколько времени пропускали через водный раствор щелочи ток силой 3 А, если при этом выделилось 2,24 л кислорода, измеренного при нормальных условиях?

Ответ: 12867 с.

  1. Какие вещества и в каком количестве (г) выделяются на электродах, если через водный раствор нитрата серебра пропускали ток силой 2 А в течение 4 часов? Оба электрода выполнены из серебра.

Ответ: 32,2 г серебра; 2,39 г кислорода.

  1. Вычислите молярную массу эквивалентов железа, если при прохождении через раствор соли железа тока силой 5 А в течение 5,36 часа выделилось 27,9 г железа.

Ответ: 27,9 г/моль.

  1. Какие вещества и в каком количестве (г) образуются при пропускании тока силой 6 А в течение 1 часа через водный раствор гидроксида калия? Оба электрода угольные.

Ответ: 0,224 г водорода; 1,791 г кислорода.

  1. Какие вещества и в каком количестве выделяются при пропускании 48250 Кл электричества через водный раствор хлорида магния? Оба электрода угольные.

Ответ: 0,5 моль(экв) хлора или 17,75 г; 0,5 моль (экв) водорода или 1 г.

  1. Сколько времени пропускали ток силой 10 А через водный раствор щелочи, если при этом было получено 8,4 л водорода, измеренного при нормальных условиях?

Ответ: 7240 с.

  1. Через водные растворы сульфата никеля и сульфата свинца пропускали одно и то же количество электричества. На одном из катодов выделилось 25,9 г свинца. Сколько граммов никеля выделилось на другом катоде? Какой газ и в каком объеме (н.у.) выделился на каждом из анодов?

Ответ: 7,34 г никеля; 1,4 л кислорода.

      1. Коррозия

Рабочая программа. Коррозия. Виды коррозии. Химическая коррозия. Электрохимическая коррозия. Способы защиты от коррозии: легирование металлов, защитные покрытия, протекторная и катодная защита, ингибиторы, водоподготовка.

Коррозия – процесс самопроизвольного разрушения материалов в результате взаимодействия с окружающей средой. Коррозии подвергается абсолютное большинство используемых в настоящее время материалов. Это связано с тем, что в условиях атмосферы Земли (кислород, влага, температура) большинство естественных и искусственных материалов являются термодинамически неустойчивыми, т.е. для реакций материалов с компонентами атмосферы изменение энергии Гиббса ΔrG<0.

Основной материал современной цивилизации – железо, поэтому наибольший практический интерес представляет коррозия железа и его сплавов. По некоторым оценкам ежегодно в результате коррозии теряется до 1–1,5 % металла, накопленного человечеством. Прямой и косвенный ежегодный ущерб от коррозии составляет многие десятки и сотни миллиардов долларов.

Коррозия металлов подразделяется на химическую и электрохимическую. Химическая коррозия имеет место в средах, не проводящих электрический ток, и состоит в прямом химическом взаимодействии металла с реагентами окружающей среды.

Электрохимическая коррозия протекает в проводящих средах и включает в себя анодные и катодные процессы. Электрохимическая коррозия может протекать не только в среде растворов электролитов, но в среде влажного воздуха.

Поверхность металла (рис.8.6), находящегося во влажном воздухе, адсорбирует влагу из атмосферы и покрывается тонкой пленкой воды, содержащей атмосферные газы (О2, СО2, SO2 и др.) и, следовательно, обладающей заметной ионной проводимостью. Ионы металла переходят в раствор, образуется двойной электрический слой и разность потенциалов. Если в контакте находятся два различных металла, то возникает гальванический элемент, работа которого приводит к разрушению материала анода. Роль второго металла могут выполнять микрокристаллы примесей, содержащихся в основном металле. Так, железо и его сплавы практически всегда содержат различные соединения железа с углеродом (например, Fe3C – цементит). Кристаллы железа исполняют роль анода, на котором протекает реакция

Fe – 2e- → Fe2+,

а кристаллы цементита – роль катода, на котором идет процесс восстановления растворенного кислорода воздуха

О2 + Н2О + 4е- → 4ОН-.

Далее возможно протекание побочных процессов:

Fe2+ +2OH- → Fe(OH)2;

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3.

Микроскопические кристаллы железа и примесей образуют огромное количество гальванических элементов, работа которых будет сопровождаться разрушением металла и образованием ржавчины xFeO.yFe2O3.zH2O. Рыхлый слой ржавчины не предохраняет металл от дальнейшей коррозии, и процесс идет до полного разрушения материала.

Реакция восстановления кислорода протекает по приведенной выше схеме в щелочной или нейтральной среде. В кислой среде восстановление кислорода идёт по схеме

О2 + 4Н+ + 4е-→ 2Н2О

и сопровождается выделением водорода

+ + 2е- → Н2.

Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода, или коррозией с кислородной деполяризацией. Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода, или коррозией с водородной деполяризацией.

Коррозия металлов иногда сопровождается образованием тонкой и плотной пленки соединений, защищающей его от дальнейшего разрушения. Это явление носит название пассивации и характерно для алюминия, хрома, кадмия, титана и др. Вещества, благоприятствующие образованию защитной пленки, носят название пассиваторов. Например, фосфорная кислота, гидрофосфаты, серная кислота с концентрацией выше 93 % являются пассиваторами железа.

Напротив, вещества, ускоряющие коррозию, называются активаторами коррозии, например, хлорид-ионы являются активаторами коррозии железа.

Защита металлов от коррозии имеет большое значение, т.к. позволяет сэкономить огромные средства в результате продления срока службы изделий и сооружений, предотвращения простоев оборудования и аварий. Известно большое количество методов антикоррозионной защиты; важнейшие из них рассмотрены ниже.

Легирование металлов заключается во введении в металл добавок, повышающих устойчивость металлов к коррозии. В качестве легирующих добавок к железу используют хром, никель, молибден, вольфрам и др. Легирование железа позволяет получать на поверхности металла плотную пассивную пленку с высокими защитными свойствами. Метод дает надежную защиту, но является дорогостоящим.

Защитные покрытия обеспечивают изоляцию металла от внешней среды и таким образом препятствуют протеканию коррозии. Покрытия делятся на металлические и неметаллические.

В качестве неметаллических покрытий используют разнообразные органические и неорганические материалы. К органическим покрытиям относятся лаки, краски, пластмассы, каучуки, битум, асфальт. Неметаллические покрытия экономичны, обладают высокими защитными свойствами, их можно восстанавливать в процессе эксплуатации. Надежность этого способа определяется прочностью и долговечностью покрытия. Неорганические покрытия состоят из окисных, фосфатных, хроматных, фторидных и других сложных неорганических соединений. Распространено эмалирование, т.е. нанесение на поверхность металла при высокой температуре (500–1400оС) смеси оксидов кремния, бора, алюминия и др., в результате чего образуется стекло, обладающее очень высокой коррозионной устойчивостью. Недостатком эмалей является хрупкость.

Металлические покрытия в зависимости от величины электродного потенциала по отношению к потенциалу защищаемого металла делятся на анодные и катодные.

Покрытие называется анодным, если его электродный потенциал имеет меньшее значение, чем защищаемый металл, например цинковое покрытие на железе. При нарушении анодного покрытия защищаемый металл будет катодом и, следовательно, разрушению будет подвергаться материал покрытия.

Если электродный потенциал покрытия больше, чем потенциал защищаемого металла, то покрытие называется катодным, например покрытие железа оловом, медью. При нарушении катодного покрытия защищаемый металл будет играть роль анода и, следовательно, его разрушение ускорится. Тем не менее, катодные покрытия широко используют, т.к. они позволяют придать защищаемому металлу более высокие физико-механические или иные свойства.

В водоподготовке для получения защитных покрытий используют также адсорбцию растворённых веществ, например октадециламина C18H37NH2 поверхностью защищаемых изделий. Полярная аминогруппа NH2 молекулы октадециламина взаимодействует с поверхностью металла, а углеводородный радикал C18H37 образует инертную плёнку, обеспечивающую надёжную изоляцию от коррозионно-активных агентов.

Протекторная защита состоит в присоединении к защищаемому изделию металла с меньшим значением электродного потенциала, например магния или цинка. Образуется гальванический элемент, в котором металл изделия играет роль катода и, следовательно, будет защищен от электрохимической коррозии до полного разрушения протектора.

Катодная защита заключается в присоединении защищаемого изделия к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, т.е. изделие становится катодом. Положительный полюс присоединяют к вспомогательному электроду, играющему роль анода. Материал анода разрушается, а защищаемое изделие надежно предохраняется от коррозии. Метод широко используется для защиты изделий, находящихся в средах с высокой ионной проводимостью, например подземных трубопроводов, резервуаров, железнодорожных рельсов и т.п.

Ингибирование коррозионной среды заключается во введении в раствор, находящийся в контакте с защищаемым изделием, ингибиторов, т.е. веществ, понижающих скорость коррозии. Ингибиторы используют в тех случаях, когда изделие находится в контакте с одной и той же жидкостью длительное время, например в отопительных системах, парогенераторах, системах охлаждении и т.д. Известно огромное количество веществ, обладающих свойствами ингибиторов. Так, в теплоэнергетике в качестве ингибиторов коррозии внутренних поверхностей нагрева котлов, теплообменных аппаратов и трубопроводов используют уротропин N4(CH2)4, тиомочевину CS(NH2)2, тиосульфат натрия Na2S2O3, формальдегид НСНО, фосфаты, хроматы и др.

В некоторых случаях для предохранения от коррозии внутренних поверхностей изделий, находящихся длительное время в контакте с постоянной газовой средой, используют газообразные, или легколетучие ингибиторы.

Водоподготовка. Наличие в теплоносителе кислорода, углекислого газа, аммиака, хлорид-ионов, нитрит-ионов резко сокращает срок работы энергетических установок вследствие ускорения коррозии. Удаление кислорода и других газов посредством деаэрации и ионных примесей методами ионного обмена позволяет резко уменьшить скорость коррозии теплоэнергетического оборудования.

В борьбе с коррозией эффективны и такие нехимические методы, как термическая обработка металлов и рациональное конструирование, с помощью которых устраняют уязвимые для коррозии места конструкций и исключают неблагоприятные контакты разнородных металлов.

Пример 8.15. Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составить уравнения анодного и катодного процессов.

Решение. Стандартные восстановительные потенциалы имеют следующие значения:=-0,44 В,=-0,14B, =-0,76 В.

Из сравнения потенциалов делаем вывод, что луженое покрытие является катодным, а оцинкованное – анодным. При нарушении целостности покрытия в первом случае будет разрушаться железо, а во втором – цинк. Уравнения электродных процессов будут следующие:

  1. анод: Fe – 2e- = Fe2+,

катод: 1/2О2 + Н2О + 2е- = 2ОН-;

  1. анод: Zn – 2e- = Zn2+ ,

катод: 1/2О2 + Н2О+ 2е- = 2ОН-.