10.1. Лабораторная работа № 18 «Электролиз солей»

Цель работы. На конкретных примерах изучить закономерности катодных и анодных процессов при электролизе солей с растворимым и нерастворимым анодом.

Приборы и реактивы. Электролизер. Конические колбы. Фильтровальная бумага. Растворы 0,1 н иодида калия (KI), 0,5 н сульфата натрия (Na₂SO₄), 1,0 н сульфата меди (CuSO₄), тиосульфат натрия (Na₂S₂O₃). Азотная кислота (конц.) (HNO₃). Вода дистиллированная. Индикаторы: лакмус, фенолфталеин, крахмал (растворы).

Для проведения опытов воспользуйтесь одной из установок, представленных на рис. 7 и 8.

Рис. 7. Установка для электролиза: 1 – U-образная трубка; 2 – инертные электроды; 3 – штатив; 4 – источник тока	Рис. 8. Установка для электролиза: 1 – штатив; 2 – источник тока; 3 – электролизер; 4 – электроды; 5 – стеклянные пробирки; 6 – проводники

Порядок выполнения работы

Опыт 1. Электролиз иодида калия.

1. В коническую колбу налить 0,1 н раствор иодида калия и добавить 5-6 капель раствора фенолфталеина и крахмального клейстера. Раствор перемешать, вылить в электролизер, опустить в него электроды и подсоединить к источнику тока.

2. Проследить за изменением цвета раствора возле катода и анода.

3. Написать уравнения катодного и анодного процессов. Почему окрасились растворы в катодном и анодном пространствах? Окисление или восстановление йода произошло на аноде?

Примечание: по окончании опыта для полного удаления йода анод промыть раствором тиосульфата натрия, а затем водой.

Опыт 2. Электролиз сульфата натрия.

1. В конической колбе смешать 0,5 н раствор сульфата натрия с раствором лакмуса и вылить полученный раствор в электролизер. Пропустить через раствор электрический ток и отметить изменение окраски индикатора вблизи электродов.

2. Написать уравнения катодного и анодного процессов. Какие вещества выделяются на катоде и аноде? Объяснить причину изменения окраски индикатора в катодном и анодном пространствах.

Опыт 3. Электролиз сульфата меди с инертным и медным анодами.

1. Налить в электролизер 1 н раствор сульфата меди (II). Опустить в него инертные электроды и пропустить через раствор электрический ток. Через некоторое время прекратить подачу тока и наблюдать за появлением красного налета меди на катоде.

2. Написать уравнения катодного и анодного процессов. Какой газ в небольшом количестве выделяется на аноде?

3. Поменять местами электроды, вследствие чего анод окажется покрытым медью. Снова пропустить электрический ток. Что происходит с медью на аноде? Какое вещество выделяется на катоде?

4. Написать уравнения катодного и анодного процессов, протекающих при электролизе сульфата меди с медным анодом.

Примечание: по окончании опыта для полного удаления меди анод промыть концентрированной азотной кислотой, а затем водой.

11. Коррозия металлов

Металл служит примером прочности. Недаром, когда хотят подчеркнуть это свойство, говорят: «прочный как сталь». С понятием «металл» связано представление о чем-то неизменном, прочном, твердом. Но это не всегда так. Под влиянием внешней среды металлы окисляются и в результате разрушаются.

Коррозия (лат. «corrosio» – разъедание) – разрушение металлов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды.

Коррозия – самопроизвольный процесс, который соответственно протекает с уменьшением свободной энергии системы (ΔG < 0).

При коррозии металлы окисляются и образуют продукты коррозии, состав которых зависит от условий среды.

Коррозия бывает двух видов: химическая и электрохимическая.

Химическая коррозия

Химическая коррозия является результатом воздействия на металл агрессивной среды, не проводящейэлектрический ток. Такой средой могут быть газы или некоторые органические вещества, например масла. На поверхности металла образуются химические соединения, чаще всего пленки оксидов.

Кислород воздуха взаимодействует с поверхностным слоем металла, при этом появляется оксидная пленка. Она образуется в условиях сухого воздуха и при комнатной температуре, и при нагревании. Пленка может быть прочной и препятствовать дальнейшему процессу коррозии. Такие прочные пленки образуются на поверхности алюминия и цинка. Но есть и рыхлые пленки, которые не предохраняют металл от разрушения, как, например, у оксидов щелочных металлов. Так, поверхность только что отрезанного кусочка натрия на глазах мутнеет, образуется рыхлая, с трещинами пленка, свободно пропускающая к поверхности металла кислород воздуха, а также другие газы и пары воды. Быстрое окисление на воздухе металлического натрия или кальция – пример химической коррозии.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия характерна для сред, имеющих ионную проводимость:

• в электролитах – водных растворах солей, кислот, щелочей, в морской воде;

• в атмосфере любого влажного газа;

• в почве.

Электрохимическая коррозия – это разрушение металлов в среде электролита, сопровождающееся возникновением в системе электрического тока.

При электрохимической коррозии процесс воздействия металла с окислителем состоит из анодного растворения металла и катодного восстановления окислителя:

анодный процесс: Me – n = Meⁿ⁺;

катодный процесс: а) в кислой среде (водородная деполяризация)

2H⁺ + 2 = H₂;

б) в нейтральной или слабощелочной среде (кислородная деполяризация)

2H₂O + O₂ + 4 = 4OH^–.

Например, атмосферное разрушение железа происходит за счет кислородной деполяризации. Ее характеризуют следующие химические уравнения:

анодный процесс: Fe^o – 2 = Fe²⁺

Fe²⁺ – = Fe³⁺;

катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4 = 4OH^–.

Суммарное уравнение: 2Fe^o + 2H₂O + O₂ = 2Fe(OH)₂;

4Fe(OH)₂ +2H₂O + O₂ = 4Fe(OH)₃.

Продуктом разрушения железа при атмосферной коррозии является бурая ржавчина FeOOH, продукт дегидротации гидроксида железа (III):

Fe(OH)₃ → FeOOH + H₂O.

Контактная коррозия имеет место тогда, когда соприкасаются металлы разной активности в присутствии электролита. Два металла одновременно разрушаться не могут, разрушается один из них, который является более активным. В этом случае, при написании электродных уравнений процесса электрохимической коррозии, пользуются рядом активности металлов (см. приложение, табл. 7).

В качестве примера рассмотрим процессы, происходящие при коррозии оцинкованного железа, т.е. железа, покрытого слоем цинка, в растворе соляной кислоты (рис. 9). Процессы, протекаемые в такой системе, подобны процессам, происходящим во внутренней цепи гальванического элемента. В этой паре (Zn/Fe) цинк, как более активный металл (E^o = – 0,763 В), является анодом, железо (E^o = – 0,440 В) – катодом.

Рис. 9. Схема механизма электрохимической контактной коррозии цинка с водородной (рН < 7) и кислородной (рН ≥ 7) деполяризацией

На аноде протекает процесс растворения окисления цинка:

анодный процесс: Zn^o – 2 = Zn²⁺.

На катоде – процесс восстановления активных ионов среды (H⁺), так как процесс протекает в кислой среде:

катодный процесс: 2H⁺ + 2 = H₂ ().

Суммарное уравнение: Zn^o + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂;

Zn^o + 2HCl⁺ = ZnCl₂ + H₂.

Схема гальванического элемента:

(–)Zn^o/Zn²⁺|HCl|2H⁺/H₂[Fe](+).

Данный пример контактной коррозии железа в паре с цинком можно рассматривать как один из методов защиты металлов от коррозии, а именно металлическое покрытие, роль которого для железа выполнял цинк. В этих условиях цинк являлся анодом и при этом разрушался, железо – пассивным электродом – катодом, оказался защищенным от разрушения. Вид защиты – металлическое, анодное покрытие.

На скорость электрохимической коррозии оказывает влияние:

• чистота металла: чем металл чище, т.е. чем меньше в нем примесей, тем он в меньшей степени подвергается разрушению;

• сплавы металлов разрушаются быстрее, чем металл в отдельности;

• среда, в которой протекает коррозионное разрушение: в кислой среде (рН < 7) быстрее, за счет легких и высокоподвижных ионов водорода (Н⁺), несколько медленнее – в нейтральной среде (рН = 7), за счет кислорода, растворенного в воде (2H₂O + O₂), и практически с нулевой скоростью – в щелочной среде (pH > 7).

Чтобы предохранить металл от коррозии, применяют следующие основные способы защиты.

1. Защитные покрытия (металлические, неметаллические, химические: органические и неорганические).

2. Воздействие на среду с целью снижения ее коррозионной активности (подщелачивание кислой среды и деаэрация сред с высоким содержанием кислорода).

3. Изменение состава или структуры металлов, ведущее к повышению их коррозионной стойкости.

4. Электрохимические методы (протекторная, катодная, анодная и дренажная защиты).