Билет №40. Применение электролиза. Законы Фарадея.

С количественной стороны процесс электролиза впервые был изучен в 30-х годах 19 века выдающимся английским физиком Фарадеем, который в результате своих исследований установил законы электролиза:

1. Количество вещества, выделяющееся на электродах, пропорционально количеству пропущенного электричества и не зависит от других причин: , где k- электрохимический эквивалент.

2. При электролизе различных химических соединений равные количества электричества приводят к электрохимическому превращению эквивалентных количеств вещества: , где Мэ - молярная масса эквивалента вещества, F- число Фарадея (F=96500 Кл=26,8 А*ч); , где V- объём выделяющегося газа при н.у. в литрах, Vэ - объём моля эквивалентов газа.

Важнейшее применение электролиз находит в металлургической и химической промышленности м в гальванотехнике. В металлургической промышленности электролизом расплавленных соединений получают металлы, а также производят электролитичесок рафинирование - очистку металлов от вредных примесей и извлечение ценных компонентов.

К гальванотехнике относятся гальваностегия и гальванопластика. Процессы гальваностегии представлюят собой нанесение путём электролиза на поверхность металлических изделий слоёв других металлов для предохранения этих изделий от коррозии, для придания их поверхностьи твёрдости, а также в декоративных целях. Важнейшими являются хромирование, цинкование и никелирование. Гальванопластикой называются процессы получения точных металлических копий с рельефных предметов электроосаждением металла. Путём гальванопластики изготовляют матрицы для прессования различных изделий, для тиснения кожи и бумаги; печатные радиотехнические схемы и др. К гальванопластике относятся также другие виды электрохимической обработки: электрополирование стали, оксидирование аллюминия, магния. Это приводит к повышению коррозиционной стойкости металла, а также металл преобретает красивый внешний вид.

В химической промышленности методом электролиза получают различные вещества.

Билет №41 и 43.

Коррозия металлов. Основные виды коррозии. Сущность процесса электрохимической коррозии. Коррозия под действием блуждающих токов. Формы коррозий. Методы защиты металлов от коррозии. Защитные покрытия. Металлические покрытия (анодные и катодные). Протекторная защита. Ингибиторы коррозии.

Корозия - это химическое или электрохимическое разрушение под воздействием окружающей среды. Различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия возникает при действии на Ме сухих газов (атмосферного кислорода, водорода, сероводорода) или жидкостей неэлектролита (бензин, спирт). Химической коррозии подвергаются Ме при высоких температурах (в ракетных двигателей).

Электрохимическая коррозия возникает при действии на Ме жидкости электролита. При этом образуется короткозамкнутые ГЭ или коррозионные пары. Появляется местные электрические токи. Сущность электрохимической коррозии: технические Ме не бывают чистыми. Пусть в контакте находятся два Ме. Во влажном воздухе или в жидкости идёт атмосферная коррозия.

Коррозия, сопровождающаяся восстановлением молекул килорода, растворённого в электролите, называется коррозией с кислородной деполяризацией. Коррозия, сопровождающая восстановлением молекул водорода, называется коррозией с водородной деполяризацией.

Причины коррозии.

Внутренние факторы коррозии:

1. природа самого Ме. s-элеметы легко подвергаются коррозии, d-элементы подвергаются коррозии в меньшей степени, т.к. покрываются оксидной плёнкой, которая предохраняет их от коррозии (пассивирование).

2. наличие красителей. Химически чистые Ме коррозии почти не подвергаются.

3. шероховатости на поверхности Ме. Чем лучше отпалирована поверхность Ме, тем коррозия меньше.

Внешние факторы:

1. влияние среды. Сильно влияет рН среды. В концентрированной серной и азотной кислотах происходит пассивирование Ме и Ме подвергается коррозии в меньшей степени. Особенно энергично протекает коррозия в растворах соляной и разбавленной серной кислотах.

2. температура. С повышением температуры коррозия увеличивается. Если среда водная, а температура высокая, то температура может препятствовать коррозии, т.к. растворимость кислорода в воде уменьшается. При перемешивании электролита коррозия увеличивается.

Коррозия под действием блуждающих токов.

Блуждающие токи возникают от рельсового электротранспорта. Токи уходят в землю и замыкаются подземными металлическими конструкциями. В рельсах имеются стыки. Если стык не защищён, его сопротивление большое и токи уходят в землю. Происходит процесс с растворимыми анодами: на аноде идёт окисление железа. Идёт коррозия в этом месте. Те электроны, которые отдаёт железо и составляют блуждающий ток. Они восстанавливают растворённый кислород из влажной почвы. Основной ток дальше идёт по трубопроводу и возвращается в рельс. Идёт коррозия самого рельса.

Виды коррозии: 1) равномерная, 2) пятна на поверхности Ме, 3) точечная (маленькие язвы), 4) питтинг (глубокие язвы), 5) межкристаллическая (самая опасная, разрушающая структуру Ме).

Методы защиты Ме от коррозии.

1) обработка коррозионной среды - удаление из раствора, в котором эксплуатируется деталь, растворённого кислорода или добавление ингибиторов, т.е. веществ, замедляющих коррозию. Защитное действие последних обусловлено тем, что их молекулы или ионы адсорбируются на поверхности Ме и каталитически снижают скорость коррозии, а некоторые из них приводят Ме в пассивное состояние.

2) покрытия: химические (оксидирование - создание на поверхности Ме оксидных плёнок под действием сильных окислителей; анодирование - покрытие Ме оксидной плёнкой путём электролиза; фосфотирование - создание на поверхности Ме плёнки из солей фосфорной кислоты. Эта плёнка пористая и является хорошей основой для лакокрасочных покрытий), нехимические (лаками, красками, эмалями, полимерными материалами) и металлические (различают два вида металлических покрытий: катодное и анодное. В первом случае защищаемое вещество покрывают слоем никеля (катод). На катоде идёт восстановление молекул кислорода, а сам материал катода не разрушается. Во втором случае материал покрывается кадмием (анод). На катоде восстанавливается ионы водорода и молекулы кислорода, а целостность покрытия нарушается).

3) протекторная защита. Металлические конструкции приводятся в соприкосновение с большой поверхностью более активного Ме. Ме разрушается, а конструкция сохраняется. Так защищают днища судов от коррозии.

4) электрозащита. К внешнему источнику тока присоединяют защищаемую конструкцию (к катоду), а к аноду присоединяют ненужный металлолом. Идёт коррозия с растворяемым анодом.

Билет №42.

Аккумуляторы. Процессы, протекающие при заряде и разряде синцового и железго-никелевого аккумуляторов. Топливные элементы. Электрохимические генераторы. Электрохимические преобразователи (хемотрон).

А служат для накопления энергии, чтобы в нужный момент расходовать её. Накопление энергии осуществляется при пропускании постоянного электрического тока через А. При этом происходит преврщение электрической энергии в химическую (электролиз). Под влиянием эл.тока идёт ОВР и А заряжается. При разрядке идёт та же реакция, но в обратонм направлении: химическая энергия превращается в эектрическую.

Существует два вида А: кислотный и щелочной. Рассмотрим кислотный А на примере свинцового А. В серную кислоту опущены ячеистые свинцовые пластины. Ячейки заполнены оксидом свинца. Менее активный свинец не будет вытеснять водород из кислоты. Показателем того, что зарядка закончена является кипение А. Он даёт напряжение 2В. Позволительный разряд 1,7В. При более сильной разрядке происходит сульфатация и А выходит из строя. Свинцовые А нельзя долго хранить в заряженном виде, т.к. на пластинах происходит саморазряд. Свинцовый А даёт более высокое напряжение, чем щелочной, у него высокий КПД, большая ёмкость, но большие габориты. Таке недостатком является то, что электролит и серная кислота должны быть очень чистыми (без примесей). Свинцовые А применяются для питания радио- и телефонной аппаратуры, для питания оборудования на автотранспорте.

Щелочные А бывают железно-никелевые, кадмиев-никелевые, серебренно-цинковые. При разрядке первого образуется гидроксид железа (II) и гидроксид никеля (II). Зарядка идёт в обратном направлении и образуется железо и гидроксид никеля (III). Даёт напряжение 1.45-1.48В, Позволительный разряд 1В. Саморазряд возможен, но в меньшей степени, чем у свинцового. Он меньше по габоритам и лучше выдерживает толчки вибрации, но у него меньше КПД и ёмкость. Применяется для освещения вагонов на ж/д транспорте, для питания ламп шахтёров.

Топливные элементы. В топливных элементах идёт преоразование химической энергии топлива в электрическую. Для работы топливного элемента необходим окислитель (кислород, воздух, хлор), топливо-ревосстановитель (уголь, альдегиды, спирты, природный газ, пропан, бутан, водород), электролит и электроды. Электрод должен быть пористым и иметь большую поверхность, чтобы реакция прошла полнее. В качестве электродного материала используют сплав никеля с серебром или с аллюминием. Должна быть высокая чистота материала электрода, т.к. он выполняет роль катализатора, ускоряет токообразную реакцию.

Топливный элемент - это ГЭ, в котором в качестве активного материала отрицательного электрода используется природное топливо либо топливо, полученное из природного, а активным материалом положительного электрода является чистый кислород или кислород воздуха (н-р: водородно-кислородный, щелочной). Продукт горения - вода - непрерывно отводится. Топливный элемент работает бесшумно и не выделяет вредных продуктов, используется в космических кораблях.

Электрохимические генераторы. В отличие от ГЭ ТЭ не могут работать без вспомогательных устройств. Для повышения напряжения и силы тока их соединяют в батареи. Для обеспечения непрерывной работы батарее ТЭ необходимы устройства для подведения топлива и окислителя и вывода продуктов реакции и тепла из элемента. Ими служат ЭХГ. Наиболее разработан водородно-кислородный ЭХГ, который не только обеспечивает топливом, но и водой, которая образуется в результате работы ТЭ. Эти ЭХГ очень дорогие.

Хемотроны. Это приборы или отдельные элементы устройств, принцип действия которых основан на законах электрохимии. Они выполняют роль диода, датчика, интегратора, запоминающих устройств и выполняют функции выпрямления, усиления и генерирования электрических сигналов. В хемотронах заряд передаётся ионами. Электрохимическая реакция в хемотроне должна быть обратимой, единственной (иначе точное интегрирование тока затруднено), электролиты и электроды должны быть устойчивыми во врмени, а реакция на электролитах должна протекать с высокими скоростями.