Задача n 176

Как протекает коррозия железа, покрытого свинцом, в случае нарушения покрытия во влажном воздухе? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Какие продукты при этом образуются?

Решение

Электрохимическая коррозия металлов происходит в среде электролита (растворы кислот, щелочей, солей, влажный воздух) и может быть представлена как совокупность анодного (окисление) и катодного (восстановление) процессов.

Fе^2+, Fе	-0,440
Рb^2+, Рb	-0,126

При контакте металлов разной электрохимической активности коррозионному разрушению в первую очередь подвергается металл с наиболее отрицательной величиной электродного потенциала E⁰. При этом такой металл выполняет функции анода в электрохимической системе и окисляется.

Электронное уравнение анодного процесса можно представить в общем виде:

Me⁰ - n e = Meⁿ⁺

Из двух металлов, представленных в условии задачи, анодом является Fе, т.к. его электродный потенциал (E⁰. = -0.440 В) является величиной более отрицательной, чем электродный потенциал . Рb (Е⁰ = -0.126 В). Следовательно, в данном случае коррозионному разрушению будет подвергаться металл Fе Анодный процесс имеет вид:

Fе ² - 2 e = Fе ²⁺

В катодном процессе при электрохимической коррозии участвуют частицы-окислители, находящиеся в электролите:

- в кислой среде 2H⁺ + 2e = H₂

- в нейтральной среде (влажный воздух, атмосферная коррозия)

O₂ + 2 H₂O + 4e = 4 OH^-

В условии задачи указана нейтральная среда. Следовательно, катодный процесс можно отобразить следующим электронным уравнением:

O₂ + 2 H₂O + 4e = 4 OH^-

Продукты коррозии определяются результатами анодного и катодного процессов:

- в нейтральной среде продуктом коррозии является гидроксид металла-анода (как результат взаимодействия катионов металла-анода и гидроксид-ионов, образующихся на катоде).

В рассматриваемой в задаче системе продуктами коррозии являются Fе(ОН)₂

Задача n 189

Как будет происходить электролиз водного раствора электролита MgCl₂? Приведите уравнение диссоциации электролита и поясните возможность участия каждого из образующихся ионов в электродных реакциях. Составьте электронные уравнения процессов, протекающих на инертных электродах. Вычислите массу (для твердых и жидких) или объем (для газообразных) веществ, образующихся на электродах.

Решение

Электролиз - это окислительно-восстановительная реакция, происходящая на электродах при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита. В таких системах электролиты подвергаются диссоциации – распаду на положительно- (катионы) и отрицательно- (анионы) заряженные ионы. Уравнение диссоциации электролита имеет вид:

K_mA_n = mK^x+ + nA^y-

Для электролита, рассматриваемого в данной задаче:

MgCl₂ = Mg⁺ + 2Cl^-

При электролизе расплавов веществ на катоде происходит процесс восстановления катионов (процесс присоединения электронов), а на аноде - процесс окисления анионов (процесс отдачи электронов). В результате, как правило, происходит разрядка ионов, т.е. переход их в нейтральное состояние:

К^x+ + xe = K⁰ (на катоде)

A^y- - ye = A⁰ (на аноде)

Если электролизу подвергается водный раствор, то необходимо учитывать возможность участия воды как в катодном, так и в анодном процессе.

Преимущественное участие молекул воды в катодном процессе:

2 H₂O + 2e = H₂ + 2 OH^-

происходит в том случае, если в состав электролита входят катионы электрохимически активных металлов:

Li⁺, Rb⁺, K⁺, Cs⁺, Ra²⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺.

Такие катионы требуют для своей разрядки значительно больше энергии, чем ее затрачивается на выделение водорода из воды, поэтому получить эти металлы электролизом водных растворов их соединений невозможно.

Поскольку в состав электролита, указанного в условии задачи, входят катионы Mg²⁺, то электронное уравнение катодного процесса имеет вид:

2 H₂O + 2e = H₂ + 2 OH^-

Если в состав электролита входят анионы кислородсодержащих кислот:(NO₃^-, NO₂^-, SO₃^2-, SO₄^2-, PO₄^3-, CO₃^2- и т.п.), а также фторид-анион F^-, то по тем же энергетическим причинам в анодном процессе участвуют не анионы электролита, а молекулы воды:

2 H₂O - 4e = O₂ + 4 H⁺

В состав рассматриваемого в задаче электролита входят анионы Cl^-, поэтому электронное уравнение анодного процесса выглядит следующим образом:

2Cl^- - 2e = Cl ₂⁰

Продуктами данного электролиза являются:

- непосредственно выделяющиеся на электродах H₂, Cl ₂

- а также результаты вторичных взаимодействий между ионами, входящими в состав исходного электролита и не принимающие участие в электродных реакциях и ионами, образующимися в результате электродных реакций Mg (OH)₂

Для вычислений массы m (для газов - объема V) веществ, образующихся на электродах в результате электролиза, необходимо воспользоваться законом Фарадея:

или (для газов):

где  - молярная масса, г/моль

V_m- молярный объем, равный 22.4 л/моль при н.у.

I - сила тока, А

z - число электронов в уравнении электродного процесса

t - время проведения электролиза, секунды

F - постоянная величина (число Фарадея),

равная 96500 Кл/моль

В условии задачи дано: I = 2 A, t = 1 ч или 3600 сек

Первый продукт электролиза H₂ является газообразным веществом, поэтому для него необходимо вычислить объем. Подставляем в соответствующую формулу необходимые значения: V_m = 22.4 л/моль, z = 2

Для газообразных веществ:

Второй продукт электролиза Cl ₂ является газообразным веществом, поэтому для него необходимо вычислить объем. Подставляем в соответствующую формулу необходимые значения:  = 22,4 л/моль, z = 2

Для газообразных веществ:

Третий продукт электролиза Mg (OH)₂ является твердым веществом, поэтому для него необходимо вычислить массу. Подставляем в соответствующую формулу необходимые значения:  = 58 г/моль, z = 2

Для твердых или жидких веществ: