2550

Задачи для самостоятельного решения

10-1. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, помещенных в растворы своих солей с концентрацией [Mg2+] = [Cd2+] = 1 моль/дм3. Изменится ли величина ЭДС, если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 моль/дм3?

Ответ: 1,967 В.

10-2. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) CuSO4; б) MgSO4; в) Pb(NO3)2. Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

10-3. При какой концентрации ионов Zn2+ (в моль/дм3) потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала?

Ответ: 0,31 моль/дм3.

10-4. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) AgNO3; б) ZnSO4; в) NiSO4? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

10-5. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал –1,23 В. Вычислите концентрацию ионов Мn2+ в моль/дм3.

Ответ: 2·10-2 моль/дм3.

10-6. Потенциал серебряного электрода в растворе AgNO3 составил 95 % от величины его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов Ag+ в моль/дм3?

Ответ: 0,21 моль/дм3.

10-7. Никелевый и кобальтовый электроды помещены соответственно в растворы Ni(NO3)2 и Co(NO3)2. В каком соотношении должна быть концентрация ионов этих металлов, чтобы потенциалы обоих электродов были одинаковыми.

Ответ: CNi2 :CCо2 0,117 .

10-8. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь была бы катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде.

131

10-9. При какой концентрации ионов Сu2+ в моль/дм3 значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного элемента?

Ответ: 2,99·10-12 моль/дм3.

10-10. Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, помещенных: первый – в 0,01 н., второй – в 0,1 н. растворы AgNО3.

Ответ: 0,059 В.

10-11. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М растворе, а другой такой же электрод – в 0,01 М растворе сульфата никеля.

Ответ: 0,0295 В.

10-12. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, помещенных в растворы своих солей с концентрациями [Рb2+] = [Mg2+] = 0,01 моль/дм3. Изменится ли ЭДС этого элемента, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз?

Ответ: 2,244 В.

10-13. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде.

10-14. Электродный потенциал системы Zn|ZnSО4 при 25 °С равен –0,7925 В. Чему равна концентрация электролита ZnSО4 в указанной системе?

Ответ: 0,1 М.

10-15. Гальванический элемент состоит из металлического кадмия, погруженного в 0,002 н. раствор нитрата кадмия, и металлического серебра, погруженного в 0,01 н. раствор нитрата серебра. Составьте схему элемента, напишите уравнения электродных реакций, вычислите ЭДС элемента при 25 °С.

Ответ: 1,174 В.

132

10-16. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и катоде. Какой концентрации надо было бы взять ионы железа (II) (в моль/дм3), чтобы ЭДС элемента стала равной нулю,

если [Zn2+] = 0,001 моль/дм3? Ответ: 1,12 10-14 моль/дм3.

10-17. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Ni + Pb (NO3)2 = Ni(NO3)2 + Pb.

Напишите электронные уравнения анодного и катодного

процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если

[Ni2+] = 0,01 моль/дм3; [Рb2+] = 0,0001 моль/дм3. Ответ: 0,065 В.

10-18. Никелевый электрод в растворе своей соли имеет потенциал –0,22 В. Вычислите концентрацию ионов Ni2+ в моль/дм3.

Ответ: 10,4 моль/дм3.

10-19. Гальванический элемент состоит из металлического хрома, погруженного в 0,001 М раствор хлорида хрома, и металлического свинца, погруженного в 0,01 М раствор хлорида свинца. Составьте схему элемента, напишите уравнение электродных реакций и вычислите ЭДС элемента при 25 °С.

Ответ: 0,614 В.

10-20. При какой концентрации ионов Pb2+ (в моль/дм3) потенциал свинцового электрода будет на 0,059 В меньше его стандартного электродного потенциала.

Ответ: 0,01 моль/дм3.

10-21. Гальванический элемент состоит из металлического серебра, погруженного в 0,1 н. раствор нитрата серебра, и металлического кадмия, погруженного в 0,02 н. раствор сульфата кадмия. Составьте схему элемента, напишите уравнение электродных реакций и вычислите ЭДС элемента при 25 °С.

Ответ: 1,203 В.

10-22. Потенциал электрода Pt, Н2| NaOH при 25 °С равен –767 мВ. Вычислите молярную концентрацию раствора гидроксида натрия?

Ответ: 0,1 моль/дм3.

10-23. Гальванический элемент состоит из металлического алюминия, погруженного в 0,006 н. раствор сульфата алюминия, и

133

металлической меди, погруженной в 0,04 н. раствор нитрата меди. Составьте схему элемента, напишите уравнение электродных реакций и вычислите ЭДС элемента при 25 °С.

Ответ: 2,049 В.

10-24. Гальванический элемент состоит из металлического железа, погруженного в 0,02 н. раствор сульфата железа (II), и металлического золота, погруженного в 0,01 н. раствор хлорида золота (I). Составьте схему элемента, напишите уравнения электродных реакций и вычислите ЭДС элемента при 25 °С.

Ответ: 2,081 В.

10-25. Потенциал электрода Pt,Н2|НС1 неизвестной концентрации при 25 °С равен -118 мВ. Определите молярную концентрацию раствора соляной кислоты.

Ответ: 0,01 моль/дм3.

10-26. Гальванический элемент состоит из металлического свинца, погруженного в 0,02 н. раствор нитрата свинца, и металлического магния, погруженного в 0,002 н. раствор сульфата магния. Составьте схему элемента, напишите уравнения электродных реакций и вычислите ЭДС элемента при 25 °С.

Ответ: 2,274 В.

10-27. Гальванический элемент состоит из металлической меди, погруженной в 0,2 н. раствор сульфата меди, и металлического цинка, погруженного в 0,02 н. раствор хлорида цинка. Вычислите ЭДС элемента при 25 °С, напишите уравнения электродных реакций, составьте схему элемента.

Ответ: 1,133 В.

10-28. ЭДС цепи Cu|CuSО4||ZnSО4|Zn при 25 °С равна 1,039 В.

Молярная концентрация раствора сульфата цинка равна 0,1 М. Определите концентрацию ионов меди.

Ответ: 6,78·10-4 моль/дм3.

10-29. Гальванический элемент состоит из металлического серебра, погруженного в 0,0001 н. раствор нитрата серебра, и металлического свинца, погруженного в 0,002 н. раствор нитрата свинца. Составьте схему элемента, напишите уравнение электродных реакций, вычислите ЭДС элемента при 25 °С.

Ответ: 0,778 В.

10-30. Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены соответственно в стандартные растворы нитратов железа и серебра, соединенные полупроницаемой

134

мембраной. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите уравнения процессов, происходящих на аноде и на катоде. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента.

Ответ: 1,24 В.

Тестовые задания

Т10-1. Электродный потенциал рассчитывают по уравнению а) Вант-Гоффа; б) Фарадея; в) Аррениуса;

г) Даниэля – Якоби; д) Нернста.

Т10-2. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента, составленного из электродов Fe2+ (0,01 М)|Fe и Ag+ (0,1 М)|Ag.

а) –0,24 В; б) 0,24 В; в) 0,21 В; г) –0,15 В; д) 0,15 В.

Т10-3. Пользуясь значениями стандартных электродных потенциалов, укажите, какие процессы протекают на аноде (А) и катоде (К) при работе гальванического элемента, составленного из стандартных медного и водородного электродов.

Т10-4. Гальванический элемент составлен из серебряного Ag+(0,1 М)|Ag и кадмиевого Cd2+|Cd электродов. Определите концентрацию ионов Cd2+, если ЭДС гальванического элемента равна E = 1,16 B.

а) 0,29 М; б) 0,02 М; в) 0,1 М; г) 1,05 М;

135

д) 2,1 М.

Т10-5. При работе элемента Даниэля – Якоби на катоде протекает

следующий процесс:

а) Zn0 – 2ē → Zn2+;

б) Zn0 + Cu2+ → Zn2+ + Cu0; в) Zn2+ + 2ē → Zn0;

г) Cu0 – 2ē → Cu2+ ;

д) Cu2+ + 2ē → Cu0.

Т10-6. В гальванической паре Zn|Ag роль катода выполняет а) цинк; б) водород; в) серебро;

г) цинк и серебро одновременно.

Т10-7. В гальванической паре, где катодом является алюминий, анодом может быть

а) серебро; б) никель; в) магний; г) железо.

Т10-8. В каком гальваническом элементе на катоде протекает реакция

Ni2+ + 2ē = Ni0?

а) Fe|FeSO4||NiSO4|Ni;

б) Ni|NiSO4||SnSO4|Sn;

в) Ni|NiSO4||CuSO4|Cu;

г) Ni|NiSO4||AgNO3|Ag.

Т10-9. Чему равна ЭДС марганцево-хромового гальванического элемента, если концентрация электролита у анода 0,01 М, а у катода

0,001 М? а) 0,911; б) 0,340; в) 1,251; г) 2,162.

Т10-10. Какие металлы могут быть использованы в качестве анода в гальваническом элементе, катодом которого является Ag?

а) Cu;

б) Pt;

в) Au;

г) Pd.

136

Т10-11. При работе гальванического элемента, состоящего из железного и никелевого электродов, погруженных в 0,01М растворы их сульфатов, на катоде будет протекать реакция,

уравнение которой имеет вид а) Ni0 – 2ē = Ni2+;

б) Ni2+ + 2ē = Ni0;

в) Fe2+ + 2ē = Fe0;

г) Fe0 – 2ē = Fe2+.

Т10-12. В гальваническом элементе, состоящем из никелевого

φ0(Ni2+/Ni0) = –0,25B и железного φ0(Fe2+/Fe0)= –0,44B электродов,

погруженных в 1 М растворы их солей, на аноде протекает процесс а) Ni0 – 2ē = Ni2+;

б) Ni2+ + 2ē = Ni0;

в) Fe2+ + 2ē = Fe0;

г) Fe0 – 2ē = Fe2+.

Т10-13. При добавлении щелочи в раствор, содержащий ионы меди, значение ЭДС гальванического элемента Zn|Zn2+||Сu2+|Сu

а) не изменится; б) уменьшится; в) увеличится;

г) станет равна нулю.

Т10-14. При работе гальванического элемента в стандартных условиях происходят процессы превращения химической энергии реагентов в

а) электромагнитную; б) электрическую; в) магнитную; г) световую.

Т10-15. В гальваническом элементе c кадмиевым катодом в качестве анода в стандартных условиях может выступать ________ электрод.

а) медный; б) цинковый; в) никелевый; г) серебряный.

137

11. Электрохимические процессы.

Коррозия металлов

Коррозией называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие физико-химического взаимодействия их с окружающей средой. По механизму протекания процесса различают коррозию химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия протекает в неэлектропроводных средах (сухая атмосфера воздуха, растворы неэлектролитов). Химическая коррозия представляет собой непосредственное взаимодействие металла с окислителем, т.е. процессы окисления и восстановления протекают одновременно и на одном и том же участке поверхности:

Электрохимическая коррозия протекает в электропроводных средах: растворах электролитов, влажной атмосфере воздуха (относительная влажность воздуха больше 65 ).

Наличие электропроводной среды делает возможной работу большого числа небольших по размеру гальванических элементов (микрогальванопар). Причиной образования на поверхности металла гальванических элементов является то, что большинство технически важных металлов имеют в своем составе примеси или специально вводимые добавки. Поэтому отдельные участки поверхности металла имеют более положительное, другие – более отрицательное значение электродного потенциала (электрохимическая неоднородность поверхности).

Основной причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металла или сплава в той или иной коррозионной среде. Критерием термодинамической вероятности коррозии является уменьшение изобарно-изотермического потенциала (ΔG < 0). Так как ΔG = –nFE процесс коррозии протекает самопроизвольно, если Е > 0, т.е. к а .

Анодные процессы для всех металлов можно представить в

общем виде:

Ме0 – nē = Меn+.

138

Анодный потенциал φa соответствует потенциалу окисления металла, т.е. процессу его коррозии. Катодный потенциал φк соответствует потенциалу восстановления окислителя коррозионной

ности различных металлов в наиболее распространенных коррозионных средах может быть сделана по величине стандартных электродных потенциалов, что примерно соответствует потенциалу окисленияметалла в анодном процессе.

Наиболее распространенными коррозионными средами являются водные растворы электролитов, содержащие в качестве окислителя (деполяризатора) растворенный кислород или ионы водорода, т.е. чаще всего коррозионный процесс протекает с кислородной или водородной деполяризацией. Величины потенциалов, соответствующих катодному процессу φк в наиболее распространенных коррозионных средах, представлены в табл. 3. В таблице, по расположению в ряду напряжений, выделены 4 группы металлов, термодинамически неустойчивых (корродирующих) в той или иной среде (∆G < 0, если φк > φa).

Особое место среди металлов занимает золото (φ0Au/Au3+ = +1,5 В), которое является термодинамически устойчивым во всех наиболее распространенных коррозионных средах, указанных в табл. 3.

При решении задач следует использовать 1-ую и 4-ую схемы катодных процессов коррозии металлов.

Втехнике для защиты металлов от коррозии используются различные методы: легирование; нанесение различных покрытий; электрохимическая защита; изменение свойств среды.

Взависимости от условий эксплуатации изделий может быть выбран тот или иной метод защиты от коррозии. В наиболее агрессивных средах (в морской воде, в почве и т.д.) применяют комбинированные методы защиты.

Легирование металлов – это создание поверхностного экранирующего слоя, т.е. введение элементов, предотвращающих коррозию.

Неметаллические защитные покрытия – это лаки, краски, смазки, керамика, резина и т.п.

Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (Zn, Cd, Al, Ni, Cr, Cu, Ag и др.), так и их сплавы (бронза, латунь). По характеру поведения металлических покрытий при коррозии различают катодные и анодные покрытия. Металлы анодного покрытия имеют меньшее (более отрицательное) значение потенциала, по сравнению с потенциалом защищаемого металла; последний является в этом случае катодом и не корродирует. Примером является оцинкованное железо.

Катодными являются металлические покрытия, имеющие в данной среде большее значение потенциала, чем потенциал основного металла. Например, Sn, Cu, Ni, Ag на стали являются катодными покрытиями. При повреждении или наличии в покрытии пор возникают коррозионные элементы, в которых основной материал

140