Электродные процессы и гальванические элементы

Если металлическую пластину опустить в воду или электролит, то расположенные на ее поверхности катионы металла гидратируются полярными молекулами воды и переходят в воду или раствор электролита. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают примыкающий к поверхности слой отрицательно. Ввиду сил электростатического взаимодействия катионы металла, перешедшие в электролит, притягиваются к поверхности металла, образуя так называемый двойной электрический слой, по своему устройству напоминающий заряженный плоский конденсатор.

Образовавшийся двойной электрический слой препятствует дальнейшему растворению металла и система металл-раствор переходит в состояние термодинамического равновесия. В этом состоянии между металлом и раствором возникает устойчивая разность потенциалов (скачок потенциала), называемая электродным потенциалом металла. Абсолютное значение электродного потенциала определить невозможно. Поэтому определяют относительные электродные потенциалы (разность электродного потенциала исследуемого металла и электрода сравнения). В качестве электрода сравнения выбран водородный электрод, потенциал которого при стандартных условиях (Т = 298 К, Р = 1 атм.) и [H⁺] = 1 моль/л принимается равным нулю.

Стандартным электродным потенциалом металла (Е⁰) называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственных ионов с концентрацией 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом.

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов, получаем «ряд напряжений металлов». Чем меньше значение Е⁰, тем более сильным восстановителем является металл.

В электрохимических преобразователях энергии (гальванических и топливных элементах, аккумуляторах) протекают ОВР.

Окислительно-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС элемента имеет положительное значение.

 

Примеры решения задач

Пример 1. Определите электродный потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/л.

Решение. Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е = Е⁰ + 0,059 lgC,

n

Е⁰ – стандартный электродный потенциал;

n – число электронов, принимающих участие в процессе;

С – концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Е⁰ для никеля равен – 0,25 В (из таблицы).

Определим электродные потенциалы металла при данной концентрации:

 

Е = - 0,25 + 0,059 lg10^-3 = - 0,339 В.

Пример 2. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, погруженные в растворы их ионов с концентрацией 1моль/л. Какой металл является анодом, какой - катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.

Решение. Схема гальванического элемента:

 

(-) Mg ê Mg²⁺ êê Zn²⁺ êZn (+)

 

Mg имеет меньший потенциал -2,37 В и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mg – 2e^- = Mg²⁺ (1)

Цинк, потенциал которого -0,76 В, - катод, то есть электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

 

Zn²⁺ + 2е^- = Zn⁰ (2)

 

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:

 

Mg + Zn²⁺ = Mg²⁺ + Zn⁰

 

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода вычитаем потенциал анода. Концентрация ионов в растворе 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:

 

ЭДС = Е⁰_катода – Е⁰_анода = -0,763 - (-2,37) = 1,607 В.

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Примеры решения задач

Пример 1. При рафинировании меди ток силой в 50 А выделил - за 5 ч чистую медь массой 281 г. Какому выходу по току это соответствует?

Решение. По законам Фарадея можно рассчитать теоретическое значение массы выделившейся меди:

г

Выход по току находим по формуле:

.

 

Пример 2. Через раствор, содержащий ионы Pb²⁺, в течение 5 мин. пропускался ток постоянной силы. За это время масса катода увеличилась на 1,24 г. Какова сила тока, который был использован для электролиза?

Решение. Поскольку нет дополнительных сведений, считаем выход по току 100%-ным. Тогда для расчета силы тока можно воспользоваться законом Фарадея:

, отсюда .

Пример 3. Ток последовательно проходит через два электролизера, в которых содержатся водные растворы: а) NiSO₄; б) FeCl₂. Какие количества металлов выделятся на катодах, если известно, что у анода второго электролизера выделилось 1,4 л хлора?

Решение. Воспользуемся законом эквивалентов для расчета массы железа, выделившегося на катоде второго электролизера:

. Переведем объем хлора в массу: .

Аналогично вычислим массу никеля, выделившегося на катоде первого электролизера:

 

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Примеры решения задач

Пример 1.

Какими свойствами будут обладать оксидные пленки на металлах рубидии Rb и марганце Mn, образующих соответствующие оксиды R₂O, MnO, Mn₂O₃, Mn₃O₄?

Решение.

Для определения свойств оксидных пленок воспользуемся формулой Бедворса – Пиллинга:

<1

Оксидная пленка на рубидии не обладает защитными свойствами, т.к. не является сплошной.

>1

>1

>1

Все оксидные пленки, образующиеся на марганце, являются сплошными и защитными, т.к. >1, но меньше 2,5.

Пример 2.

При коррозии бериллиевой пластины весом 300г и поверхностью 164мм^, на воздухе прокорродировало 10% от массы бериллия в течение трех суток. Вычислите объемный показатель коррозии, считая, что продуктом коррозии является оксид бериллия, а внешние условия нормальными.

Решение.

Вычислим убыль массы бериллиевой пластины, т.е. сколько граммов бериллия прокородировало:

Составим уравнение реакции взаимодействия бериллия с кислородом и найдем из него объем поглощенного кислорода:

30г

2Ве + О₂ = 2ВеО

18г/моль 22,4л

 

Вычислим объемный показатель, учитывая, что , а :

Пример 3.

Оценить коррозионную стойкость меди на воздухе при высокой температуре. Медная пластина размером 50х40х2мм после 12 суток окисления и снятия продукта коррозии весила 35,798 г.

Решение.

Вычислим площадь поверхности медной пластины:

Вычислим массу пластины до начала коррозии :

Вычислим убыль массы медной пластины:

Вычислим глубину коррозии:

Вычислим глубинный показатель:

По десятибалльной шкале коррозионной стойкости металлов определяем, что в данных условиях меди соответствует 4 балла, и она относится к стойким металлам.

Пример 4.

Оценить коррозионную стойкость марганцевого стержня радиусом 1,5 мм и длиной 100 мм при температуре 1200^оС в атмосфере азота в течение 20 суток, если при этом поглотилось 250 азота.

Решение.

Вычислим объем поглощенного азота при нормальных условиях:

Вычислим по уравнению реакции массу прореагировавшего марганца:

 

Δm 0,0463 л

3Mn + N₂ = Mn₃N₂

165 г 22,4 л

Вычислим площадь поверхности стержня:

Вычислим глубину коррозии:

Вычислим глубинный показатель коррозии:

По десятибалльной шкале коррозионной стойкости металлов определяем, что марганцу в данных условиях соответствует 6 баллов, и он относится к пониженностойким металлам.

Комплексные соединения