Цель работы: 1. Изучение процесса электролиза с инертным анодом на примере электролиза водного раствора KJ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по физической химии

Раздел ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Тема Электролиз. Электрохимическая коррозия металлов

Цель работы: 1. Изучение процесса электролиза с инертным анодом на примере электролиза водного раствора KJ.

                      2. Изучение процесса контактной электрохимической коррозии металлов

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, раздел физической химии, изучающий химические процессы, которые сопровождаются появлением электрического тока или, наоборот, возникают под действием электрического тока. Предметом электрохимических исследований также являются электролиты и устанавливающиеся в них равновесия.

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного тока через раствор или расплав электролита. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую. Процессы окисления и восстановления и в этом случае пространственно разделены: они протекают на разных электродах. Характер протекания электродных процессов при электролизе зависит от многих факторов; состава электролитов, материала электрода, режима электролиза (і, Т).

Электролиз проводят в приборах или установках, называемых электролизерами. Их основным конструкционным элементом являются электроды, соединенные с полюсами источника постоянного электрического тока. Как и в случае гальванического элемента, электрод, на котором происходит процесс восстановления, называется катодом; катод присоединяют к отрицательному полюсу, куда из внешней цепи приходят электроны, необходимые для процессов восстановления. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом.

Анод присоединяют к положительному полюсу. На анод переходят электроны, освобождающиеся в результате окисления частиц (молекул, анионов или катионов). При электролизе химическая реакция осуществляется в растворе, либо в расплаве электролита за счет энергии электрического тока, подводимого из внешней цепи.

Различают электролиз расплавов и растворов электролитов. В расплавах и водных растворах электролиты образуют заряженные частицы: катионы и анионы.

При прохождении электрического тока через раствор катионы перемещаются к отрицательному катоду, а анионы − к положительному аноду.

Платиновый или графитовый аноды не подвергаются окислению. Из этих материалов изготавливают инертные аноды. В этом случае характер анодного процесса определяется составом раствора.

Электролиз водных растворов электролитов осложняется участием в электродных реакциях молекул воды, способных восстанавливаться на катоде

и окисляться на аноде

>

На электродах возможна и разрядка ионов Н⁺ и ОН^-, относительная концентрация которых определяется средой.

Из нескольких возможных параллельных электродных процессов будет протекать тот, осуществление которого требует меньшей затраты энергии. Критериями, определяющими преимущества того или иного электрохимического процесса, служат величины электродных потенциалов соответствующих равновесных систем.

В общем случае на аноде легче окисляются атомы, молекулы или ионы с наименьшим электродным потенциалом, а на катоде восстанавливаются те ионы, молекулы, атомы, потенциалы которых наиболее высокие.

 

Электрохимическая коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов, это разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока. Примером коррозионных процессов электрохимического характера является разрушение деталей машин и различных металлических конструкций в почвенных, грунтовых, речных и морских водах, во влажной атмосфере, в технических растворах, под действием смазочно-охлаждающих жидкостей, применяемых при механической обработке металлов и т.д.

Причиной электрохимической коррозии является образование на поверхности металла большого количества микрогальванических пар, которые возникают по следующим причинам:

1. Наличие примесей металлов или других веществ, отличающихся по активности от основного металла.

2. Структурная неоднородность поверхности металла, что определяет наличие участков с разной активностью.

3. Неравномерность распределения деформаций в металле после термической и механической обработки и др.

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса:

- анодный - окисление металла: Ме – nе^- = Meⁿ⁺

- катодный - восстановление ионов водорода в кислой среде:

2H⁺ + 2e^- = H₂ или молекул кислорода, растворенного в воде, в случае атмосферной коррозии:

2H₂O + O₂ + 4е = 4OH^-.

Ионы или молекулы, которые восстанавливаются на катоде, называются деполяризаторами. При атмосферной коррозии - коррозии во влажном воздухе при комнатной температуре - деполяризатором является кислород.

Рассмотрим пример коррозии цинка, находящегося в контакте с кадмием в нейтральном и кислом растворах? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

При таком контакте возникает коррозионный гальванический микроэлемент. Цинк имеет более отрицательный потенциал (-0,763 В), чем кадмий (-0,403) (табл. 12.1), поэтому он является анодом, а кадмий - катодом.

Анодный процесс: Zn – 2е^- = Zn²⁺.

Катодный процесс: в кислой среде: 2H⁺ + 2е^- = H₂;

в нейтральной среде: 2H₂O + O₂ + 4е^- = 4OH^-.

Так как ионы Zn²⁺ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии в нейтральной среде будет Zn(OH)₂.

Скорость коррозии тем больше, чем сильнее различаются электродные потенциалы металлов, т.е. чем дальше они расположены друг от друга в ряду напряжений. Кроме того, скорость коррозии повышается при увеличении концентрации электролита и повышении температуры.

Посмотрите демонстрацию опытов. В соответствии с приведенными ниже требованиями, оформите отчет.

 

Отчет должен содержать следующие сведения:

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Номер и название опыта

4. Краткое описание хода работы с указанием условий прове­дения опыта.

5. Рисунки и схемы используемых приборов.

6. Наблюдения и уравнения реакций.

9. Вывод.