Лабораторная работа № 2 гальванические элементы. Коррозия металлов

Цель работы

Изучение процессов, протекающих в гальванических элементах.

Оборудование и реактивы

Милливольтметр, U-образная трубка, пробирки, химиче­ские стаканы, фильтровальная бумага.

Пластинки и кусочки меди, железа, олова, цинка; алюминиевая и медная проволока, стальная пластинка и скрепки; дистиллированная вода, растворы: серная кислота H₂SO₄ (1 М), хлорид калия KCl (насыщ.) и 1 М сульфат меди (II) CuSO₄, сульфат железа (II) FeSO₄, сульфат ртути (II) HgSO₄, сульфат цинка ZnSO₄; ферроксилиндикатор (водный раствор хлорида натрия NaCl, гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] и фенолфталеина).

Ряд напряжений металлов: Cs, Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, La, Mg, Be, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Pd, Hg, Pt, Au

Экспериментальная часть²

Опыт 1. Сравнение химической активности металлов

Поместите кусочки меди и железа в пробирки, заполненные, соответственно 1 М растворами солей железа (II) и меди (II).

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Выпишите значения стандартных электродных по­тенциалов сравниваемых металлов. ________________________________________________________________________________

О пыт 2. Гальванический элемент

В два стакана налейте равные объемы 1 М растворов ZnSO₄ и CuSO₄. Растворы соедините жидкостным мостиком (марлевый жгутик в стеклянной трубке, смоченный раствором KCl).

Погрузите пластинки цинка и меди в растворы ZnSO₄ и CuSO₄ соответственно, а затем присоедините к гальванометру (рис. 5).

О

Рис. 5. Схема гальванического элемента

бъясните отклонение стрелки гальванометра (или вольтметра), укажите и напишите направления перехода электронов во внешней цепи, а ионов – во внутренней.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 3. Выявление микрогальванопар при коррозии стали

На стальную пластинку положите полоску фильтрованной бумаги, смоченную раствором ферроксилиндикатора. Через 30 мин. бумагу снимите и наблюдайте анодные («турнбулева синь») и катодные участки (розовая окраска фенолфталеина).

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 4. Влияние образования гальванических пар на течение хим. процессов

В пробирку с 1–2 мл 1 М раствора H₂SO₄ внесите кусочек цинка. Медной проволокой коснитесь кусочка цинка в пробирке. Объясните изменение интенсивности выделения водорода и на каком из металлов он выделяется? Каково направление перехода электронов в паре Zn–Cu?

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 5. Контактная коррозия

В три пробирки налейте по 2–3 мл 1 М раствора H₂SO₄ и по 2–3 капли раствора K₃[Fe(CN)₆]. В первую пробирку опустите конторскую стальную скрепку со вставленным в нее кусочком меди, во вторую – скрепку с кусочком олова и в третью – скрепку с кусочком цинка.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

На основании проведенных опытов и теоретических предпосылок, отметьте, какой из металлов (медь, олово или цинк) лучше защищает железо от коррозии.

Опыт 6. Коррозия амальгамированного алюминия

Кусок алюминиевой проволоки (5–6 см) внесите наполовину в раствор HgSO₄ на 1–2 мин. Вынутую из раствора проволоку промойте водой и слегка оботрите фильтровальной бумагой. Через несколько минут образовавшийся Al(OH)₃ снимите фильтровальной бумагой и погрузите проволоку целиком в пробирку с водой. Сравните отношение к воде участка проволоки, с которого снята оксидная пленка, участка, на котором сохранился защитный слой оксида алюминия.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Вывод: _________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Пример Определите э.д.с. гальванического элемента Ag|AgNO₃(0,001M)||AgNO₃(0,1M)|Ag . В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи при работе этого элемента?

Решение

Стандартный электродный потенциал системы Ag⁺/Ag равен 0,80 В. Обозначив потенциал левого электрода через φ₁, а правого - через φ₂, находим:

φ₁ = 0,80 + 0,059 lg 0,001 = 0,80 + 0,059(−3) = 0,62 B

φ₂ = 0,80 + 0,059 lg 0,1 = 0,80 − 0,059(−1) = 0,74 B .

Вычисляем э.д.с. элемента:

E = φ₂ − φ₁ = 0,74 − 0,62 = 0,12 В.

Поскольку φ₁ < φ₂, то левый электрод будет служить отрицательным полюсом элемента и электроны перемещаются во внешней цепи от левого электрода к правому.

Контрольные задания

1. Цинковые пластинки погружены в растворы солей NaCl, NiСl₂, MgSO₄, Pb(NO₃)₂. В каких случаях будет протекать реакция вытеснения цинком других металлов?

2. Найти знаки электродов, образованных стандартными электродами:

Mg|Mg²⁺||Al³⁺|Al; Sn|Sn²⁺||H⁺| ½H₂; Ag|Ag⁺||Au³⁺|Au

3. Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых цинк являлся катодом, в другом – анодом. Написать уравнения реакций, происходящих при работе этих элементов и вычислить стандартные значения э.д.с.

4. Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых алюминий являлся катодом, в другом – анодом. Написать уравнения реакций, происходящих при работе этих элементов и вычислить стандартные значения э.д.с.

5. Какие реакции протекают у электродов, образованных железом и оловом, погруженных в растворы хлоридов двухвалентных металлов, которые соединены солевым мостиком?

6. Какие реакции протекают у электродов, образованных магнием и цинком, погруженных в растворы хлоридов двухвалентных металлов, которые соединены солевым мостиком?

7. Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь являлась катодом, в другом – анодом. Написать уравнения реакций, происходящих при работе этих элементов и вычислить стандартные значения э.д.с.

8. В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи следующих гальванических элементов: а) Mg|Mg²⁺||Pb²⁺|Pb; б) Pb|Pb²⁺||Cu²⁺|Cu; в) Cu|Cu²⁺||Ag⁺|Ag, если все растворы электролитов одномолярные? Какой металл будет растворяться в каждом из этих случаев?

9. Как изменится э.д.с. гальванического элемента Pb|Pb²⁺|| Ag⁺|Ag, если в раствор, со­держащий ионы свинца, добавить сероводород?

10. Можно ли в водном растворе восстановить соль железа (III) до соли железа (II): а) бромидом калия; б) иодидом калия?

12. Можно ли восстановить олово (IV) в олово (II) с помощью приведенных ниже реакций? Ответ обосновать расчетом констант равновесия реакций.

а) SnCl₄ + 2КI = SnCl₂ + I₂ + 2КСl; б) SnCl₄ + Н₂S = SnCl₂ + S + 2HСl

13. Никелевые пластинки опущены в водные ра­створы перечисленных ниже солей. С какими солями никель будет реагировать: а) MgSO₄; б) NаСl; в) CuSO₄; г) АlСl₃; д) ZnCl₂; е) Pb(NO₃)₂?

14. Между какими из перечисленных ниже взятых попарно веществ (металл + водный раствор электроли­та) будет протекать реакция замещения: а) Fe + HCl; б) Ag + Cu(NO₃)₂; в) Сu + НСl; г) Zn + MgSO₄.

15. Водный раствор Н₂S обладает восстановитель­ными свойствами. Какие из перечисленных ионов можно восстановить этим раствором: а) Fe³⁺ до Fe²⁺; б) Cu²⁺ до Сu⁺; в) Sn⁴⁺ до Sn²⁺?

16. Бромная вода (раствор брома в воде) – часто используемый в лабораторной практике окислитель. Какие из перечисленных ионов можно окислить бромной водой: а) Fe²⁺ до Fe³⁺; б) Сu⁺ до Сu²⁺; в) Мn²⁺ до МnO₄^–; г) Sn²⁺ до Sn⁴⁺?

17. На раствор сульфата меди (II) действуют хло­ридом калия или иодидом калия. В каких случаях медь (II) будет восстанавливаться до меди (I)?

18. Какие из приведенных реакций могут самопро­извольно протекать при действии водного раствора перманганата калия на серебро?

а) МnО₄^– + Аg = МnО₄^2– + Аg⁺; б) МnО₄^– + 8H⁺ + 5Аg = Мn²⁺ + 5Аg⁺ + 4H₂O.

19. Какие из приведенных реакций могут самопроиз­вольно протекать в нейтральном водном растворе?

а) МnО₄^– + Cl^– = МnО₂ + Cl₂; б) МnО₄^– + Br^– = МnО₂ + Br₂;

в) МnО₄^– + I^– = МnО₂ + I₂.

20. Какие из приведенных ниже реакций могут протекать самопроизвольно?

а) H₃PO₃ + SnCl₂ + H₂O = 2HCl + Sn + H₃PO₄;

б) H₃PO₄ + 2HI = H₃PO₃ + I₂ + H₂O;

в) H₃PO₃ + 2AgNO₃ + H₂O = 2Ag + 2HNO₃ + H₃PO₄.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________