- •Электродные потенциалы
- •1. Понятие об электродных потенциалах
- •2. Водородный электрод. Газовые электроды.
- •3. Стандартные электродные потенциалы. Ряд напряжений
- •4. Потенциалы окислительно-восстановительных реакций
- •5. Измерение стандартных электродных потенциалов
- •6. Теория гальванических элементов; явления поляризации и деполяризации
- •Если цинк погружён в 1 м раствор сульфата цинка, а медь — в
- •7. Анодное окисление и катодное восстановление. Явления перенапряжения.
- •8. Последовательность разряда ионов
- •9. Законы Фарадея
- •Рассмотрим несколько примеров электролиза
- •11. Аккумуляторы
- •Коррозия металлов и борьба с ней
- •13. Типы коррозии металлов
- •14. Факторы, определяющие интенсивность коррозии металлов
- •15. Методы защиты металлов от коррозии
Рассмотрим несколько примеров электролиза
Электролиз соли меди с растворимым медным анодом Катодом является химически чистая электролитическая медь, а анодом — чер-
новая медь. В качестве электролита применяют водный раствор сульфата меди.
На аноде Сu = Сu 2+ +2е-
На катоде Сu 2+ +2е-=Сu
Этот метод применяется для рафинирования меди и других металлов.
Электролиз водного раствора сульфата натрия с нерастворимыми платиновыми электродами. Сульфат натрия в водном растворе диссоциирует на ионы 2Na+ и SO42-. При электролизе процесс на катоде может быть выражен следующим образом: 4Na+ + 4Н20+4е-=4Na+ 4ОН-+2Н2
или Н20+4е-=4ОН-+2Н2
а на аноде 2SO42- +2Н20-4е-=4Н+ + 2SО42-+O2
или 2Н20-4е-=4Н+ + O2
Таким образом, на катоде выделяется водород, а на аноде кислород; вблизи катода получается гидроокись натрия, а вблизи анода — серная кислота. Если католит (раствор у катода) и анолит (раствор у анода) смешать, то получится сульфат натрия и вода. Таким образом, электролиз водного раствора сульфата натрия сводится к разложению воды на водород и кислород.
Электролиз водного раствора йодида калия с платиновыми электродами. Иодид калия в водном растворе содержит -ионы калия и иодид-ионы.
На катоде 2К++2Н2О+2е-=2К++20Н-+Н2
или 2Н2О+ 2е- = 20Н- + Н2
а на аноде 2J- —2е- = J2
На катоде выделяется водород, а на аноде йод.
Электролиз водного раствора серной кислоты с платиновыми электродами. При электролизе раствора серной кислоты
на катоде 4Н++4e-=2Н2
На аноде 2SO42- +2Н20—4е-=4Н++2SO42- + О2
или 2Н2О—4е- = 4Н++О2
т. е. по существу происходит разложение воды на водород и кислород. В случае если электролитом является кислота с кислородсодержащим анионом или соль такой кислоты, то при электролизе на аноде выделяется кислород и увеличивается концентрация кислоты в анолите,
По активности к окислению на аноде отрицательные ионы могут быть расположены в следующий ряд:
элементарные ионы.. .сложные ионы
J-, Вг-, С1-, S2- ОН-, SO42-, N03-, С1О4- ...
При электролизе водных растворов соединений, содержащих сложные ионы, вместо последних на аноде разряжается гидроксид-ион.
Рис. 7. Свинцовый аккумулятор: а — смонтированный аккумулятор, б — свинцовая пластина
11. Аккумуляторы
Аккумуляторы — это устройства, являющиеся вторичными химическими источниками электрической энергии. Они характеризуются обратимостью, т. е. после разрядки могут быть приведены в исходноесостояние пропусканием через них электрического тока от внешнего источника (зарядка аккумулятора). Аккумуляторы применяются для приведения в движение электрокар, шахтных электровозов, подводных лодок, для обслуживания самолетов, аэродромов и беспилотных управляемых объектов, для запуска двигателей автомобилей, самолётов и т. д. Свинцовый аккумулятор состоит из двух перфорированных (тонких решетчатых, сотообразных) свинцовых пластин, одна из которых (отрицательная) после зарядки заполнена губчатым металлическим свинцом, а другая (положительная) — двуокисью свинца (рис. 7). Обе пластины находятся в 25—30%-ном растворе серной кислоты. Вначале, перед зарядкой, в свинцовые пластины электродов вмазывается паста, содержащая, помимо органического связующего, окись свинца. В результате взаимодействия окиси свинца с серной кислотой на электродных пластинах образуется сульфат свинца
РbО + Н2S04 = РbSО4 + Н2О
Процесс зарядки аккумулятора может быть представлен следующими уравнениями реакций для катодной и анодной пластин:
на катоде РbSО4+2е-=Рb+SO42- с образованием губчатого свинца;
на аноде РbSО4 + 2Н2О – 2е- = Рb + 4Н+ + SО42
Суммарно химическую реакцию, протекающую при зарядке аккумулятора, можно выразить следующим уравнением:
2РbSО4 + 2Н2О = Рb + РbО2 + 2Н2SО4
Процесс разрядки.
На катоде Рb + SO42- =PbSO4+2e- (Е02)
или Pb = Pb2+ + 2e-
на аноде PbO2+2H2SO4 = Pb(SO4)2+2H2O
Рb(SO4)2 + 2e- = 2PbSO4 +2H2O (Е01)
или Pb4++2e-=Pb2+
или
Процессы, протекающие при разрядке и зарядке аккумулятора, суммарно могут быть представлены:
разрядка
Рb + РbО2 + 2Н2SО4 = 2Рb SO4 + 2Н2О
зарядка
Очевидно, что при зарядке аккумулятора концентрация серной : кислоты в нём увеличивается, а при разрядке уменьшается. Зарядку и разрядку можно повторять много раз; поэтому аккумуляторы могут находиться в эксплуатации продолжительное время.
ЭДС аккумулятора=Е01 - Е02 = 1,68-(-0,36) = 2,04 в
(значения стандартных потенциалов электродов взяты из табл. 45). В действительности значение ЭДС аккумулятора несколько отличается от 2,04 в, так как концентрации ионов Рb2+ и Рb4+ в растворе не отвечают стандартным условиям.
Помимо свинцового аккумулятора в практике находят применение никелево-кадмиевый, никелево-железный и серебряно-цинковый аккумуляторы.
Топливный элемент. Гальванические элементы и аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии. Особого типа химическим источником электрической энергии является так называемый топливный элемент. Принципиальная схема топливного элемента может быть дана в следующем виде:
С | электролит | О2 | неактивный электрод
Теоретически ЭДС этого элемента определяется теплотой горения угля по реакции С+О2=СО2 и должна составлять 1 ,05 в. В топливном элементе вся тепловая энергия должна превращаться в электрическую, т. е. топливный элемент должен иметь коэффициент полезного действия (к. п. д.), близкий к 100%. В настоящее время во многих странах мира разрабатываются электрохимические схемы и конструкции топливного элемента. Исследуется возможность применения в топливном элементе в качестве горючего не только угля, но и различных горючих газов (водород, окись углерода).