- •Закономерности протекания химических реакций. Электрохимические процессы
- •Введение
- •Тема 3. Энергетика и направленность химических процессов
- •Типовые задачи и алгоритмы их решения
- •Термодинамические величины некоторых веществ при стандартных условиях
- •Вопросы для самостоятельной подготовки к контрольной работе
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Тема 4. Химическая кинетика и равновесие
- •Типовые задачи и алгоритмы их решения
- •Смещение химического равновесия (принцип Ле-Шателье)
- •Вопросы для самоподготовки
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Тема 5. Химическая активность металлов. Электродные потенциалы и электродвижущие силы
- •Стандартные электродные потенциалы некоторых металлов
- •Типовые задачи и алгоритмы их решения
- •Вопросы для самостоятельной подготовки
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Тема 6. Коррозия и защита металлических конструкций
- •Типовые задачи и алгоритмы их решения
- •4Fe(oh)3 – приблизительная формула ржавчины.
- •Вопросы для самостоятельной подготовки
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Библиографический список рекомендуемой литературы
- •Оглавление
- •Закономерности протекания химических реакций. Электрохимические процессы
Типовые задачи и алгоритмы их решения
Задача 1. Стальная строительная конструкция находится во влажном воздухе, насыщенным кислородом. Составьте уравнение электрохимических процессов, происходящих на анодных и катодных участках конструкции.
Решение. Сталь (сплав железо с углеродом) обладает электрохимической гетерогенностью, приводящей к образованию множества микрокоррозионных элементов. При этом ферритные участки (Fe) являются анодами, а катодами – цементитные (Fe3C) участки.
При коррозии во влажном воздухе, насыщенном кислородом, реализовываются следующие микрокоррозионные элементы:
(A) Fe | H2O, O2 | Fe3C (K).
На более активных участках поверхности – анодах идет окисление металла – железа:
Анод (Fe) : Fe0 – 2ē = Fe2+ - окисление.
На менее активных участках – катодах идет восстановление окислителя. В данном случае восстанавливается в воде кислород до иона ОН─:
Катод (Fe3C): О2 + 4Н2О + 4ē = 4ОН─ - восстановление.
Двухвалентное железо не устойчиво и окисляется до трехвалентного:
Fe2+ + 2OH─ = Fe(OH)2;
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3;
4Fe(oh)3 – приблизительная формула ржавчины.
Задача 2. Как происходит атмосферная (влажная среда, насыщенная углекислым газом) коррозия луженой (покрытой оловом) меди при нарушении целостности покрытия? Составьте схему коррозионного элемента и напишите уравнения анодного и катодного процессов.
Решение. Коррозия меди, покрытой оловом, при нарушении этого покрытия будет протекать по электрохимическому механизму.
Сравним стандартные электродные потенциалы Cu и Sn (см. табл. 5.1)
Олово более активный металл. Если защищаемый металл покрыт более активным металлом, такое покрытие называют анодным, менее активным металлом – покрытие называют катодным.
При нарушении покрытия (Sn) в присутствии агрессивной среды (Н2О+СО2) возникает коррозионный элемент, в котором медь является катодом.
(А) Sn | H2O+CO2 | Cu (К).
В растворе электролита Н2О+СО2↔Н2СО3,
подвергающегося электролитической диссоциации
Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3,
на электродах будут протекать следующие процессы:
Анод (Sn): Sn° - 2ē → Sn2+;
Катод (Сu): 2Н+ + 2ē → Н2°.
Таким образом, при работе коррозионного элемента анодное покрытие будет разрушаться в результате его окисления, а на защищаемой меди будет протекать катодное восстановление окислителя – иона водорода.
Задача 3. Подводные стальные части корпусов судов защищают от коррозии, приваривая к ним пластины цинка или магниевых сплавов. В чем заключается суть защиты? Ответ мотивируйте, составив схему коррозионного элемента и приведя уравнения электрохимических процессов в электролите, содержащем растворенный кислород.
Решение. Когда к защищаемой конструкции приваривают пластины более активного металла – такой метод называют протекторным методом защиты.
При работе коррозионных элементов разрушается в результате окисления металл приваренной пластины (протектора), а на защищаемой конструкции идет процесс восстановления компонентов окислителя.
Если в качестве протектора приварить пластину из магниевого сплава будет работать коррозионный элемент, схема которого
(А) Mg | H2O+O2 | Fe (К);
Магний более активный металл.
Анод (Mg): Mg° - 2ē → Mg2+;
Катод (Сu): О2 + 2Н2О + 4ē → 4ОН.
Задача 4. Химически чистую медь и медь, частично покрытую серебром поместили в раствор соляной кислоты. В каком случае имеет место реакции? Ответ обоснуйте.
Решение. Записываем стандартные электродные потенциалы водорода меди и серебра (см. табл. 5.1)
При помещении химически чистой меди в раствор соляной кислоты, реакция Cu+HCl не идет, т.к. медь менее активна, чем водород:
( ),
и не может вытеснить ионы водорода из раствора.
Если в раствор помещают пластину меди, частично покрытую серебром, то возникает коррозионный элемент, т.к. на поверхности пластины находятся два металла с разной химической активностью. Начинается процесс окисления меди как более активного металла.
.
Схема коррозионного элемента
(А) Cu | HCl | Ag (К),
поэтому, процессы, протекающие на анодных и катодных участках:
Анод (Cu): Cu° - 2ē → Cu2+;
Катод (Сu): 2Н+ + 2ē → Н2°.