Гальванические элементы

Гальваническими элементами называются устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую.

Гальванический элемент может быть выполнен из любых двух металлов (электродов), погруженных в растворы своих солей и соединенных проводником электричества.

Электрод, на котором происходит процесс окисления, называется анодом. Он заряжен отрицательно. Электрод, на котором происходит процесс восстановления, называется катодом. Он заряжен положительно. Процессы окисления и восстановления пространственно разделены. Контакт между растворами осуществляется с помощью электролитического ключа.

В гальванической паре анодом является металл, имеющий меньшее значение электродного потенциала (Е⁰). При схематической записи, заменяющей рисунок гальванического элемента, границу между металлом и раствором его соли обозначают одной вертикальной чертой, а границу между растворами солей – двумя вертикальными чертами:

Обычно уравнения окислительно-восстановительных процессов, обеспечивающих работу гальванического элемента, записывают следующим образом:

Важной количественной характеристикой гальванического элемента является его электродвижущая сила Е_Э, которая представляет собой максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому процессу протекания происходящей в нем реакции. Стандартная электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС) равна разности стандартных электродных потенциалов катода и анода:

Стандартные электродные потенциалы металлов, стоящие в ряду напряжений металла до водорода, имеют отрицательные значения, а после водорода – положительные. Чем более отрицательное значение параметра Е⁰_Э, тем больше восстановительная способность металла. Каждый металл вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из водных растворов их солей, например:

Al + CrCl₃ = Cr + AlCl₃.

В свою очередь, сам этот металл может быть восстановлен любым из металлов, стоящим «до» него. Водород из разбавленных растворов кислот вытесняют только активные металлы начала ряда напряжений, например:

Zn + 2НCl = ZnCl₂+ Н₂

Электродный потенциал каждого металла зависит не только от его природы, но и от температуры и от концентрации ионов данного металла в растворе. Для температуры 298⁰К эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Где Е⁰_Э - стандартный электродный потенциал металла, В;

n – количество электронов, участвующих в электродном процессе;

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

Зависимость электродного потенциала металла от концентрации его ионов в растворе позволяет создать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла, погружены в одинаковый электролит, но с разной концентрацией ионов. Такие гальванические элементы называются концентрационными, например:

Пример. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из никелевой и серебряной пластин, погруженных в растворы солей с концентрациями  = 10^-1 моль/л и = 10^-3 моль/л

Решение:

, – так как никель имеет более отрицательный электродный потенциал, чем серебро, то никель будет анодом, а серебро – катодом.

Схема гальванического элемента:

Анодный процесс:

Катодный процесс:

Электродвижущая сила элемента равна разности потенциалов катода и анода.

Для нахождения потенциалов воспользуемся уравнением Нернста:

Коррозия металлов

Коррозией металлов называется самопроизвольно протекающий процесс разрушения металла вследствие его химического взаимодействия с окружающей средой. По механизму коррозионного процесса различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Наиболее распространена электрохимическая коррозия, т.е. процесс разрушения металла при воздействии на него различных  электролитов и во влажной атмосфере. Механизм такого вида коррозии объясняют участием металла в образовании гальванической пары. Гальваническая пара может возникать по-разному. Например, применяемые в технике металлы почти всегда содержат примеси других металлов. При соприкосновении с раствором электролита система, состоящая из основного металла и металла-примеси, образует множество коррозионных микрогальванических элементов.

Когда описывают коррозионные явления, то окисляющийся металл называют анодом, так же как в случае описания гальванических элементов. Металл, на котором электроны переходят к окислителю, называют катодом. На катоде вещество-окислитель связывает электроны, которые образуются в анодном процессе.

 Процесс отвода электронов с катодных участков коррозирующей поверхности называется деполяризацией, а вещества деполяризаторами. Наиболее распространены коррозия с водородной деполяризацией (1) и коррозия с кислородной деполяризацией (2)

В кислой среде

Вморской воде, во влажном воздухе

В качестве примера можно рассмотреть коррозию технического цинка, содержащего небольшие примеси железа, в растворе соляной кислоты.

На поверхности цинка возникает множество микрогальванических элементов. Анодом микроэлемента является цинк, а катодом железо. На аноде протекает процесс окисления:

На катоде процесс восстановления:

Интенсивная коррозия протекает в случае соприкосновения металлов разной химической активности. Коррозия, возникшая при контакте двух металлов различной химической активности, называется макрогальванокоррозией (или контактной коррозией). Анодом в макроэлементе является металл с более отрицательным электродным потенциалом Е⁰ (более активный металл). Он будет разрушаться. Например, при контакте двух деталей, изготовленных из железа и меди, около мест соединения корродирует железо. Во влажном воздухе эта система представляет собой гальванический элемент, во внутренней цепи которого железо является анодом (Е⁰=-0,44 В), а медь - катодом (Е⁰ = 0,337 В).

Складывается такая ситуация:

Первичным продуктом коррозии является гидроксид железа (II) (белая ржавчина), который окисляется в воде в гидроксид железа (III) (бурая ржавчина).

Коррозия металла возможна и при отсутствии в нем примесей, если наблюдается доступ различных количеств кислорода к отдельным участкам его поверхности. Такой процесс носит название коррозии при неравномерной аэрации. Гальваническую пару в этом случае образуют разные участки поверхности одного и того же металла. Окисление металла происходит на менее аэрируемых участках поверхности, а восстановление кислорода - на более аэрируемых участках.

Морская вода - это агрессивная коррозионная среда, так как она содержит большое количество растворенных солей. Морская вода хорошо аэрирована, т.е. содержит растворенный кислород. Морская вода также содержит ионы Cl^-, которые являются активатором коррозии и препятствуют образованию оксидной пленки металла. Особенно опасна для обшивки судов коррозия при неравномерной аэрации, когда имеет место разное смачивание водой поверхности металла, т.е. разный доступ кислорода. Корпус судна частично находится под воздействием морской атмосферы, частично под водой, и самым опасным является район переменной ватерлинии.

Для защиты металлов от коррозии применяют различные металлические покрытия, позволяющие изолировать металлы от окружающей среды.

Причем, если наносят более активный металл, чем защищаемый, покрытие называется анодным (например, покрытие железа цинком, алюминием, магнием). Если покрытие осуществляется менее активным металлом (например, медью, никелем, серебром), то оно называется катодным.

В тех случаях, когда защищаемая конструкция (например, корпус судна) находится в среде электролита (в морской воде), нередко используют протекторную защиту. При этом к днищу судна прикрепляют пластину металла (протектор), у которого значение электродного потенциала меньше электродного потенциала металла основной конструкции. Создается, таким образом, гальванический элемент, в котором защищаемый металл является катодом, а присоединяемый металл (протектор) служит анодом. Протектор окисляется и разрушается в процессе защиты. Так, например, защита подводной части корпуса судна осуществляется с помощью алюминиево-магниевых протекторов, а защита внутренних емкостей танкерного флота – с помощью цинковых протекторов.

Расчет массы протектора (m) осуществляют по формуле:

где: m_Э – эквивалентная масса протектора;

F – число Фарадея ≈ 96500 кл или 26,8 А·ч;

i – плотность коррозионного тока в А/м²

S – площадь, защищаемая протектором в м²;

 - время работы протектора в ч;

Коррозия металлов наносит серьезный ущерб народному хозяйству. Специалисты полагают, что за год в результате действия коррозии разрушается примерно 1,5% общей массы эксплуатируемого металла.

 

Контрольные вопросы

1. Какие реакции называются окислительно-восстановительными? Приведите примеры.

2. Что такое степень окисления?

3. Правила определения степени окисления.

4. Понятие гальванического элемента.

5. Приведите схему медно-цинкового гальванического элемента, укажите анодный и катодный процессы.

6. Что такое ЭДС гальванического элемента?

7. Ряд напряжений металлов и особенности поведения металлов в растворах.

8. Сущность коррозии металлов.

9. Особенности коррозии металлов в морской воде.

10. В чем заключается протекторная защита металлов от коррозии?

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электронное учебное пособие по дисциплине «Химия» разработано в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом по уровню бакалавриата.

В электронном учебном пособии содержится систематическое изложение основ химии. Рассмотрены фундаментальные понятия, теории и законы химии; особенности химических процессов в природных системах, фундаментальные химические законы, лежащие в основе технологических процессов; основные химические методы теоретического и экспериментального исследования, используемые в профессиональной деятельности.

Содержание данного электронного учебного пособия соответствует рабочей программе дисциплины и основано на материалах отечественных и зарубежных исследований, включая современные публикации.