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?