Задача 3. Коррозия металлов и защита от коррозии

Московский Энергетический Институт

(Технический университет)

 

Кафедра ХИЭЭ

 

Расчетное задание № 5

Тема: электрохимические процессы

 

Вариант № 20

 

 

Студент: Cоловьев Виктор

Группа Э-14-12

Преподаватель: Камышова.В.К

 

Задание 1

Вычислить активность водорода Н⁺ в растворе при которой потенциал кислородного электрода будет равен (относительное давление кислорода р(О₂)=0,1)?

Е⁰_Pd²⁺_/Pd = +0,987 В

Е^р_Pd²⁺_/Pd = +0,887 В

Е^р_Pd²⁺_/Pd = Е⁰_Pd²⁺_/Pd + (0,059/n)lga_Pd²⁺

lga_Pd²⁺ = (Е^р_Pd²⁺_/Pd - Е⁰_Pd²⁺_/Pd)*(2/0,059) = 2453,75

Задание 2

2.1 Составление схемы концентрационного ГЭ. Расчет ЭДС и А_мах этого гальванического элемента.

Pd|PdSO₄|| PdSO₄|Pd

C = 1 моль/л С = 0,01 моль/л

E=E_k-E_a

а(Ме) = С=0,01 моль/л

E^p_Pd2+/Pd=E⁰_Pd2+/Pd+ lna(Me) = 0,92 B

C = 1 моль/л

E^p_Pd2+/Pd=E⁰_Pd2+/Pd = 0,987 B

(K-) Pd|PdSO₄|| PdSO₄|Pd (A+)

E=E_k-E_a = 0,987 B - 0,92 B = 0,067 B

A_max= n*F*E = 12930,73 B

2.2 Схема гальванического элемента

ГЭ: (К) Pd (А) Pb

2.2.1 E⁰_Pb2+/Pb=-0.126 B

E⁰_Pd2+/Pd= +0,987 В

 

(K-) Pd²⁺ +2e Pd

(A+) Pb Pb²⁺ + 2e

TOP: Pd²⁺ + Pb Pd + Pb²⁺

2.2.2 Термодинамический подход

E = -G_TOP/(n*F)

∆G_ТОР=∆G_прод-∆G_исх= -200,8 кДж

Е = 1,04 В

Электрохимический метод

E=E_k-E_a

E= 1,1 В

Небольшое различие в величинах ЭДС обусловлено наибольшей точностью термодинамического подхода в расчете ЭДС. Термодинамический подход имеет большую точность по причине того что в нем используются энергия Гиббса токообразующей реакции и число Фарадея.

2.2.3 Температурная зависимость гальванического элемента.

E^p_Pd2+/Pd=E⁰_Pd2+/Pd+ lna(Me)

Температура влияет прямо пропорционально на ЭДС гальванического элемента. С увеличением температуры увеличивается разность потенциалов гальванического элемента.

2.2.4 Ход поляризационных кривых

Е, В

+0,987

Е

I, мА/см²

-0.126

 

2.2.5 U=E-Ir-∆E

Увеличить напряжение ГЭ можно, повысив ЭДС, уменьшив омические потери и поляризацию электродов.

Задача 2. Электролиз водных растворов.

Задание 1

Для электролиза раствора SnCl₂ на C электродах:

1.1 Cu(NO₃)₂→Cu²⁺ + 2NO₃^2-

HOH → H⁺ + OH^-

A: OH^-,(NO₃-не подвергается электролизу)

K:H⁺,Cu²⁺

 

E^p_H+/H2=-0.059pH, pH≈5, E^p_H+/H2=-0.295B

E⁰_Cu2+/Cu=0.337

Разница меньше единицы, по-этому на катоде будут проходить 2 процесса одновременно.

 

A: 4OH^-→O₂+2H₂O+4e

 

K: Cu²⁺ + 2e→ Cu

2H⁺+2e→H₂↑

1.2 U_min= E^p_O2/OH- - E⁰_Cu2+/Cu= 0.598

E^p_O2/OH-=1.23-0.059pH=0.935

E⁰_Cu2+/Cu=0.337

E^p_H+/H2=-0.295B

E^p_O2/OH-

U_min

E⁰_Cu2+/Cu

E^p_H+/H2 I,мА/см²

1.3 При замене исходных электродов на графитовые электроды электродные процессы не изменяются, поскольку графитовые электроды являются инертными.

Задание 2

Определение глубины съема металла Zn при электрошлифовании его поверхности в водном растворе NaNO₃ при анодном выходе металла по току 60%, если за то же самое время выделится водород объемом 22.4 мл (н.у.)

Масса выделившегося металла при электролизе

NaCl→Na⁺ + Cl^-

HOH → H⁺ + OH^-

K:H⁺,Na⁺

A:Cl^-, Cu, OH^-

pH=7

E^p_H⁺_/H2 = -0,059 pH = -0,413 B

E⁰_Na⁺_/Na = -2,714 B

E^p_O2/OH^- = 0,817 B

E⁰_Cu²⁺_/Cu = 0,337 B

E⁰_Cl2/Cl^- = 1,359 B

E^p_H⁺_/H2 > E⁰_Na⁺_/Na

K: 2H⁺ + 2e → H₂

A: 4OH^- → O₂ + 2H₂O + 4e

Cu → Cu²⁺ + 2e

11.2л - 96500 А*с

q=965 А*с

0.112л - х А*с

Q(Cu) = 0,95q = 916,75

m= = 0,304 г

V = m/ = 0,034 см³

H = = 0,04 см

Задача 3. Коррозия металлов и защита от коррозии.

3.1 Определение возможности коррозии сплава Fe – Pb в водном растворе PbSO₄ c концентрацией 0,01 моль/л при 298 К и относительном парциальном давлении кислорода 0,51, считая относительное парциальное давление водорода равным 1.

3.2 Уравнение процессов, протекающих при коррозии.

ZnCl₂ → Zn²⁺ + 2Cl^-

Соль образована слабым основанием Zn(OH)₂ и сильной кислотой HСl

Гидролиз слабой части соли:

Zn²⁺ + HOH→ ZnOH⁺ + H⁺

ZnOH⁺ + HOH→ Zn(OH)₂ + H⁺

К_д2(Zn(OH)₂) = 1,5*10^-9

К_г = К_w/ К_д2(Zn(OH)₂) = 6,66*10^-6

β = (К_г/С)^1/2 = 0,01

С_Н⁺ = β*С = 4*10^-4моль/л

рН = -lgC_H⁺ = 3,39 среда кислая

E^p_H+/H2=-0.059*pH= -0.2 B

E^p_O2/OH-=1,23+0.0147lg(p_парц(О₂)) = 1,22 В

E⁰_Zn²⁺_/Zn = -0,763 B

E⁰_Sn²⁺_/Sn = -0,136 B

E⁰_Sn²⁺_/Sn > E⁰_Zn²⁺_/Zn - окисление цинка

E⁰_Zn²⁺_/Zn < E^p_H+/H2 идет водородная диполяризация

E^p_O2/OH- > E⁰_Zn²⁺_/Zn кислородная деполяризация протекает

A: Zn→ Zn²⁺+2e

K: O₂+4H⁺+4e→2H₂O

2H⁺+2e→ H₂

3.3 Способы защиты от коррозии

а) Катодное металлическое покрытие:

E(катодного покрытия) > E(компонентов сплава)

E⁰_Zn²⁺_/Zn = -0,763 B

E⁰_Sn²⁺_/Sn = -0,136 B

Для защиты можно использовать медь E⁰_Сu²⁺_/Cu = 0,521 B

При повреждении покрытия возникает коррозионный гальванический элемент

Анодный участок - Zn→Zn²⁺ + 2e

Катодный участок – процессы в зависимости от среды

Анодное металлическое покрытие

Е (анодного покрытия) < Е (компонентов сплава)

E⁰_Zn²⁺_/Zn = -0,763 B

E⁰_Sn²⁺_/Sn = -0,136 B

4.3 Предложите для вашего сплава два способа защиты: Для защиты можно использовать алюминий E⁰_Al³⁺_/Al = -1,662 B

А) Металлическое покрытие (катодное анодное)

При повреждении покрытия сплав – катод коррозионного элемента не корродирует:

Анодный участок Al → Al³⁺ + 3e

Катодный участок – процессы в зависимости от среды

 

б) протекторная защита

Е (протектора) < Е (защищаемого металла)

E⁰_Zn²⁺_/Zn = -0,763 B

E⁰_Sn²⁺_/Sn = -0,136 B

E⁰_Mn²⁺_/Mn = -1,180 B

А: Mn→Mn²⁺ + 2e - корродирует протектор

К: процессы в зависимости от среды