Учебники Рудзитис / 11

0

Fe – 2e Fe2+ Fe2+ – e Fe3+

Обычно окислителем служит кислород воздуха, растворённый в воде:

4Fe(OH)2 + 2HOH + O2 = 4Fe(OH)3

Так как в воздухе могут содержаться оксид углерода(IV) и оксид серы(IV), то в результате их взаимодействия с водой получаются кислоты. При диссоциации последних образуются ионы водорода, которые тоже окисляют атомы железа:

Fe + 2H+ = Fe2+ + H2

При электрохимической коррозии процессы окисления и восстановления пространственно разделены. Они протекают на разных участках поверхности металла, различающихся потенциалами, что связано как с неоднородностью поверхности металла, так и с неоднородностью его состава. В результате происходит перенос электронов от одного участка

металла к другому.

Методы борьбы с коррозией. Важнейшие из этих методов отражены на схеме 6. Сравнительно новый метод защиты от коррозии — осушение конструкций — основан на том, что коррозия металла практически отсутствует при относительной влажности ниже 40 %. Этот экономичный и безопасный для окружающей среды метод используют при строительстве и реконструкции мостов.

110

111

Коррозия металлов. Химическая и электрохимическая коррозия

1.Чем химическая коррозия отличается от электрохимической?

2.Какой металл будет подвергаться коррозии при контакте Fe с Sn: а) в воде; б) в растворе соляной кислоты? Составьте уравнения химических реакций и объясните, какие процессы будут идти на поверхности железа и олова.

3.Требуется скрепить железные детали. Какими заклёпками следует пользоваться — медными или цинковыми, чтобы замедлить коррозию деталей? Ответ обоснуйте.

4.Почему многие детали машин быстрее корродируют вблизи промышленных объектов?

5.При взаимодействии 11,2 г железа с соляной кислотой выделилось 4,45 л водорода (н. у.). Вычислите объёмную долю (в процентах) выхода водорода от теоретически возможного.

6.Вычислите, какое количество вещества хлорида алюминия образовалось при взаимодействии алюминия с соляной кислотой, если в результате реакции выделилось 89,6 л водорода (н. у.). Выход хлорида алюминия составляет 75 % от теоретически возможного.

Ямогу отличить химическую коррозию от электрохимической.

Язнаю способы защиты металлических изделий от коррозии.

112

"Как в гальваническом элементе заряжены катод и анод?

Вгальваническом элементе протекающая окислительно-восстанови- тельная реакция служит источником электрического тока. Но и сам электрический ток может быть причиной протекания окислительновосстановительной реакции. Такие реакции можно осуществить при пропускании постоянного электрического тока через растворы или расплавы электролитов.

Окислительно-восстановительную реакцию, протекающую на электродах в растворе или расплаве электролита под действием постоянного электрического тока, называют ЭЛЕКТРОЛИЗОМ.

Устройство для проведения электролиза называют электролизёром.

В электролизёре электрод, на котором идёт реакция восстановления (катод), подключён к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Электрод, на котором протекает реакция окисления (анод), подключён к положительному полюсу источника тока.

113

Катионы Сu2+ движутся к отрицательно заряженному катоду, а анионы Сl– — к положительно заряженному аноду.

На поверхности катода скапливается избыток электронов. Ионы меди Сu2+ присоединяют электроны с катода (восстанавливаются):

0

Катод: Cu2+ + 2e Cu

У анода недостаток электронов, поэтому анод отнимает их от отрицательно заряженных хлорид-ионов (хлорид-ионы окисляются):

0

Анод: 2Cl– – 2e Cl2

Суммарное уравнение электролиза хлорида меди(II) следующее:

CuCl2 = Cu + Cl2

При электролизе водных растворов, кроме ионов электролита, в реакции могут участвовать ещё ионы водорода или гидроксид-ионы, которые образуются в результате диссоциации воды. Образующиеся ионы движутся к соответствующим электродам. К катоду подходят катионы электролита и ионы водорода Н+, а к аноду — анионы электролита и гидроксид-ионы ОН–.

Возникает вопрос: какие же ионы будут восстанавливаться на катоде и окисляться на аноде? Чтобы ответить на него, вспомним, что скорость химических реакций зависит от природы (активности) и концентраций реагирующих веществ. Следовательно, надо знать, какие ионы более актив-

ны: катионы данного электролита или ионы Н+, анионы электролита или гидроксид-ионы. Активность катионов можно определить по ряду стандартных электродных потенциалов. Рассматривая этот ряд, приходим к выводу, что химическая активность ионов должна изменяться в направлении, противоположном направлению изменения активности соответствующих металлов. Так, например, если атомы калия в этом ряду самые активные, то его ионы наименее активны:

K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au

химическая активность уменьшается

K+, Ca2+, Na+, Mg2+, Al3+, Zn2+, Fe2+, Pb2+, H+, Cu2+, Hg2+, Ag+, Pt2+, Au3+

химическая активность увеличивается

Этот ряд показывает, что при равных условиях в водных растворах у катода восстанавливаются катионы от Сu2+ до Аu3+ включительно, а ионы Н+ как менее активные остаются в растворе. При электролизе солей, содержащих катионы от K+ до Рb2+, при равных условиях вос-

114

станавливаются ионы Н+. Так как скорость химических реакций зависит также от концентраций реагирующих веществ, то при малых концентрациях ионов водорода (в нейтральной среде) у катода могут восстановиться катионы некоторых металлов, находящихся в электрохимическом ряду напряжений до водорода. Это используют при никелировании, лужении (покрытии оловом), хромировании и т. д.

Анионы по их способности окисляться располагают в следующем порядке:

I–, Br–, S2–, Cl–, OH–, SO24– и другие анионы кислородсодержащих кислот

химическая активность уменьшается

Пользуясь этим рядом, можно принять, что анионы бескислородных кислот более активны, чем гидроксид-ионы OH–.

С учётом указанных выше закономерностей можно предвидеть, как будет протекать электролиз водного раствора любого электролита.

Рассмотрим несколько примеров электролиза водных растворов

солей (во всех случаях взяты графитовые электроды). а) Электролиз хлорида калия — KCl, H2O

Катионы водорода восстанавливаются легче, чем ионы K+, поэтому на катоде будет восстанавливаться вода до газообразного водорода.

Анионы бескислородных кислот и их солей слабее удерживают свои электроны, чем гидроксид-ионы воды, поэтому на аноде окисляются хлорид-ионы до газообразного хлора.

Суммарное уравнение электролиза раствора хлорида калия имеет вид

электролиз

2KCl + 2H2O H2 + Cl2 + 2KOH б) Электролиз сульфата меди(II) — CuSO4, H2O

115

Катионы меди восстанавливаются легче ионов Н+, поэтому на катоде будет выделяться металлическая медь.

Анионы кислородсодержащих кислот и их солей сильнее удерживают свои электроны, чем гидроксид-ионы воды, поэтому на аноде окисляется вода и выделяется кислород.

Суммарное уравнение электролиза водного раствора сульфата меди(II) имеет вид

электролиз

2CuSO4 + 2H2O 2Cu + O2 + 2H2SO4

в) Электролиз сульфата калия — K2SO4, H2O

Если электролизу подвергается соль активного металла и кислородсодержащей кислоты, то на катоде и на аноде происходит электролитическое разложение воды:

116

онов хлора (хлор будет окисляться). Происходящие в расплаве хлорида натрия процессы можно изобразить так:

Суммарное уравнение реакции выглядит так:

Применение электролиза. Электролиз широко применяют при получении наиболее активных металлов (K, Na, Са, Mg, Al). Металлы, полученные этим способом, отличаются высокой чистотой. Электролиз используют и для очистки некоторых металлов (Cu, Ni, Pb, Ag, Au) от примесей (электролитическое рафинирование). Методом электролиза получают некоторые активные неметаллы (Сl2, F2), а также сложные вещества (NaOH, KОН, KСlО3). Электролизом пользуются для покрытия металлических предметов никелем, хромом, цинком, оловом, золотом и т. д.

Электролиз

117

1.Составьте схемы электролиза (с использованием угольных электродов) расплавов и растворов следующих солей: KCl, CuSO4, KI.

2.Объясните, почему металлический калий нельзя получить на угольных электродах электролизом водного раствора хлорида калия, но можно получить электролизом расплава этой соли.

3.В электролизёрах между катодным и анодным пространством существуют перегородки. Объясните почему.

4.Какие вещества и в какой последовательности выделяются на катоде при электролизе водного раствора смеси солей: KNO3, Zn(NO3)2,

AgNO3?

5.При электролизе водного раствора хлорида калия образовалось 112 кг гидроксида калия. Какие газы при этом выделились и чему равны их объёмы (н. у.)?

6.При электролизе раствора хлорида натрия выделилось 7,2 л водорода (н. у.). Вычислите, сколько гидроксида натрия по массе и количеству вещества образовалось в растворе.

7.При электролизе раствора хлорида меди(II) масса катода увеличилась на 8 г. Какой газ выделился и каковы его масса и объём (н. у.)?

1.При электролизе водного раствора нитрата серебра на катоде образуется

1) Ag 2) NO2 3) NO 4) H2

2. При электролизе водного раствора иодида калия на аноде образуется

1) О2 2) Н2О 3) I2 4) HI

Используя Интернет и дополнительную литературу, подготовьте электронную презентацию на тему «Применение электролиза».

Язнаю, какие процессы происходят на катоде и аноде при электролизе расплавов и растворов солей.

Яумею составлять суммарные уравнения реакций электролиза.

118

ГЛАВА VI

МЕТАЛЛЫ

"На какие две группы принято разделять все элементы?

"Какие способы получения металлов вам известны?

"Как устроены металлические кристаллы?

"Что такое полиморфизм?

Общая характеристика металлов. Закономерности изменения свойств элементов в периодах и группах периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева вам известны. В соответствии с этими закономерностями металлические элементы в основном расположены в левой и нижней частях периодической системы. Вам известно также, что деление элементов на металлы и неметаллы условно.

Атомы металлических элементов в отличие от неметаллических имеют значительно боXльшие размеры атомных радиусов.

119