ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 131
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Гальванические элементы
Электрохимия – раздел химии, изучающий электрохимические процессы.Электрохимические процессы – процессы, сопровождающиеся возникновением электрического тока или протекающие под действием электрического тока.Электрохимические системы (ЭС) представляют собой электрические цепи из проводников первого рода (металлы, полупроводники) и второго рода (растворы и расплавы электролитов). В состав ЭС входят электроды. Электрохимическая система для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую энергию – гальванический элемент; для преобразования электрической энергии в химическую – электролизер.Механизм действия ГЭВспомним строение кристаллической решетки металла: Она построена из его катионов, которые занимают определённые места в узлах решётки, и относительно свободных валентных е, которые движутся между ионами («электронный газ»).При погружении Ме-ой пластины в воду, ионы поверхностного слоя Ме под действием полярных молекул воды отрываются от Ме и в гидратированном состоянии переходят в водную среду. Вследствие этого раствор вблизи к Ме заряжается (+), пластина - (-). В результате такого перехода ē наступает равновесие, при котором число ионов, переходящих с Ме в раствор будет равно числу ионов, возвратившихся на Ме.Между Ме и окружающей его средой создается разность потенциалов, называемая электродным потенциалом.Принцип работы ГЭ (Сu/Zn) Якоби-ДаниэляЭтот элемент состоит из медной пластины, погруженной в раствор CuSO4 (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnSО4 (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены пористой перегородкой. A Me соединены между собой проводником. Анод – электрод, на котором происходит процесс окисления. (Zn)Катод – электрод, на котором происходит процесс восстановления. (Cu)Zn и Cu погружены соответственно в растворы солей ZnSO4 и CuSO4. Растворы соединены солевым мостиком или полупроницаемой мембраной.А: Zn0 – 2 ē = Zn2+ - окислениеК: Cu 2+ + 2 ē = Cu 0 – восстановлениеСуммарное уравнение (токообразующая реакция):Zn0 + Сu2+ = Zn2+ + Cu0Zn0 + Сu+2SO4= Zn+2SO4 + Cu0ГЭ принято изображать в виде схемы:А(-) Ме(А) │ соль Ме(А) ││ соль Ме(К) │ Ме(К) К(+)А(-) Zn │ ZnSO4 ││ CuSO4 │ Cu К(+) По внешней цепи ē перемещаются от А к К (от Zn к Cu).По внутренней цепи (солевой мостик) ионы перемещаются от К к А. Для сравнения химической активности Ме используют стандартный (нормальный) водородный электрод (СВЭ, НВЭ). Он представляет собой Pt пластину, покрытую рыхлой Pt и опущенную в 2 н (1М) H2SO4. Через этот раствор при 25 °С пропускают газообразный Н2под давлением 1 атм, который адсорбируется платиной. Схема: H2, Pt │ H2SO4На электроде происходит процесс: Н2 – 2 ē = 2Н+ 0(Н2/2Н+)= 0 В Чтобы дать количественную характеристику химической активности Ме, надо собрать ГЭ из стандартного водородного электрода и исследуемого Ме, погруженного в 1 Н раствор своей соли.Разность потенциалов между стандартным водородным электродом и Ме, погруженным в раствор своей соли называется стандартным электродным потенциалом (φ0).Располагая Me в ряд по нарастанию величины их стандартных электродных потенциалов, мы получим так называемый ряд напряжений металлов (ряд стандартных электродных потенциалов).Расчет ЭДС (Е) ГЭ:Е = φК – φА. Е > 0. φМе определяется по формуле Нернста:где: φ0 – стандартный электродный потенциал;R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль К;T – температура, К;F – число фарадея, 96487 Кулон;n – число ē, участвующих в электрохимической реакции;C – молярная концентрация ионов Ме в растворе.Переведя ln в lg получим уравнение Нернста в следующем виде:Изменение потенциалов электродов при работе ГЭ называется поляризацией.Поляризация бывает химическая и концентрационная.Химическая поляризация связана с изменением химического состава электродов. Ее уменьшают, вводя деполяризаторы (MnO2, O2, K2Cr2O7).Концентрационная поляризация связана с изменением концентрации электролита в катодном и анодном пространстве. Это приводит к образованию концентрационного ГЭ.Пример: ГЭ образован железной пластинкой, опущенной в 0,1 М раствор FeSO4 и серебряной пластинкой, опущенной в 0,01 М раствор AgNO3. Составить схему ГЭ, написать уравнения электродных процессов, рассчитать ЭДС.0(Fe2+/Fe) = -0,44 В; 0(Ag +/Ag) = 0,8 B; Fe - анод Ag — катод(-) Fe |Fe+2SO4 || Ag+NO3 | Ag (+)A (-) Fe0 - 2ē Fe2+ | 1 | окислениеК (+) Ag+ + 1 ē Ag0 | 2 | восстановление
Fe0 + 2Ag+ Fe2+ + 2Ag0
А (Fe2+/Fe) = -0,44 + (0,059/2) lgl0-1 = -0,47 В
К (Ag+/Ag) = 0,8 + (0,059/1) lg10-2 = 0,68 В
E = К – А = 0,68- (- 0,47) = 1,15 В
Концентрационный ГЭ
Он состоит из электродов одного Ме, опущенных в одинаковые растворы, но разной концентрации.
Электрод с большей концентрацией – катод, а с меньшей – анод.
Пример: Составить схему и рассчитать ЭДС ГЭ, состоящего из медных пластин, опущенных в растворы сульфатов меди с концентрацией С1 = 1 М; С2 = 10 М.
А(-) Cu │ Cu+2SO4││ Cu+2SO4│ Cu К(+)
С1 С2 С1 < С2
A (-) Cu 0 - 2ē Cu2+ | 1 | окисление
К (+) Cu2+ + 2ē Cu0 | 1 | восстановление
Е = φК – φА
Е = φК – φА = 0,37 – 0,34 = 0,03 В
ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И РАСПЛАВОВ СОЛЕЙ
Электролиз – окислительно-восстановительный процесс, протекающий при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Сопровождается превращением электрической энергии в химическую.Если в водный раствор электролита опустить электроды, соединенные с источником постоянного тока, то «+» катионы будут двигаться к (-) Катоду, а «-» анионы – к (+) Аноду. На катоде происходит процесс восстановления, а на аноде – процесс окисления.Электролиз водных растворовКатод – заряжен (-), протекают реакции восстановленияСпособность положительных ионов восстанавливаться на катоде определяется величиной их электродного потенциала. Чем больше алгебраическая величина стандартного электродного потенциала (φ), тем легче происходит восстановление. Рассмотрим ряд напряжения Ме. Все катионы Ме можно разделить на 3 группы:| | Ионы Ме | Первичный продукт | Вторичный продукт |
| 1 | Активные (до Al, Ti включительно) | 2 Н2О + 2ē = Н2 + 2 ОН- | Ме+n + n ОН- = Ме(ОН)n Ca+2 + 2 ОН- = Ca(ОН)2 |
| 2 | Средней активности (от Mn до Н) |
Sn+2 + 2 ē = Sn0 2) 2 Н2О + 2ē = Н2 + 2 ОН- | Ме+n + n ОН- = Ме(ОН)n Sn+2 + 2 ОН- = Sn(ОН)2 |
| 3 | Малоактивные Ме (после Н) | Ме+n + n ē = Ме0 Cu+2 + 2 ē = Cu0. |
Например, смесь катионов Cu+2, Ni+2, K+, Pd+2, Ca+2+0,338 -0,234 -2,924 +0,915 -2,864Водный раствор: Pd+2, Cu+2, Ni+2 (K+, Ca+2 из водных растворов не восстанавливаются)Расплав: Pd+2, Cu+2, Ni+2, Ca+2, K+Анод – заряжен (+), протекает процесс окисленияПроцессы зависят от электролита, и от вещества, из которого сделан анод. Различают 2 вида анодов: Растворимый анод (активный) – анод, который в процессе электролиза разрушается, т.е. переходит в раствор в виде ионов (Zn, Cu, Pb, Sn, Al, Fe).Нерастворимый анод (инертный) – анод, который не окисляется в ходе электролиза, обычно изготовлен из графита (С), золота (Au) или платины (Pt).Анод нерастворимый - на поверхности анода происходит окисление либо кислотных остатков, либо молекул воды. Последовательность разряжения ионов на инертном аноде
| | Анион | Первичный продукт | Вторичный продукт |
| 1 | Бескислородный, кроме фтора | 2 Cl- - 2 ē = Cl2, S-2 - 2 ē = S0 | |
| 2 | Кислородсодержащий, и фтор | 2 H2O – 4 ē = O2 + 4H+ | 2 H+ + SO4-2 = H2SO4; H+ + F- = HF |
| 3 | Гидроксогруппа | 4 OH- - 4 ē = 2 H2O + O2 | |
| | Анион | Первичный продукт |
| 1 | Бескислородный | 2 Cl- - 2 ē = Cl2 |
| 2 | Кислородсодержащий | 2 SO42- – 4 ē = 2 SO30 + O20 2 SO32- – 4 ē = 2 SO20 + O20 2 СO32- – 4 ē = 2 СO20 + O20 2 NO3- - 2 ē = 2 NO20 + O20 4 PO43- - 12 ē = 2 P2O5 + 3 O20 |
| 3 | Гидроксогруппа | 4 OH- - 4 ē = 2 H2O + O2 |
2 закон Фарадея: В последовательно включенных электролизерах массы выделившихся на электродах веществ прямопропорциональны их эквивалентным массам. Другими словами: Для выделения 1 экв. вещества необходимо затратить 96500 кулон электричества.Из законов Фарадея вытекает:где Э – эквивалентная масса;I – сила тока, А;t – время, сек;F – число фарадея, 96500 Кл;m – масса выделившегося вещества.Если образуется газообразное вещество, то в формуле Фарадея вместо эквивалентной массы используется эквивалентный объем:Эквивалентный объем водорода равен: 1·22,4/2=11,2 Эквивалентный объем кислорода равен: 8·22,4/32=5,6Выход по току (η) – это отношение фактически полученного при электролизе вещества (m) к теоретически рассчитанному его количеству. Выражается в %. (количество полезно затраченного электричества Q к общему количеству электричества, прошедшего через цепь).
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
1. Коррозия. Скорость коррозии.
2. Виды коррозионных повреждений.
3. Типы коррозионных процессов.
4. Факторы, влияющие на скорость коррозии.
5. Методы защиты металлов от коррозии.
Коррозия – это разрушение Ме в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.В результате коррозии Ме из свободного состояния переходит в химически связанное.Скорость коррозии можно определить разными способами.При лабораторных испытаниях скорость коррозии (W) измеряют потерей или увеличением массы Ме (Δm) с единицы площади (S) в единицу времени (t)[мг/м2∙год]В технике W обычно измеряют толщиной слоя прокорродировавшего Ме (Δh) за единицу времени. [мм/год]Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов| Группа стойкости | Скорость коррозии, W, мм/год | Балл |
| Совершенно-стойкие | менее 0,001 | 1 |
| Весьма стойкие | 0,001…0,005 | 2 |
| 0,005…0,01 | 3 | |
| Стойкие | 0,01…0,05 | 4 |
| 0,05…0,1 | 5 | |
| Пониженно-стойкие | 0,1…0,5 | 6 |
| 0,5…1,0 | 7 | |
| Малостойкие | 1,0…5,0 | 8 |
| 5,0…10,0 | 9 | |
| Нестойкие | более 10,0 | 10 |