Электронные уравнения электродных процессов меди и цинка

Составление электронных и молекулярных уравнений реакций. Уравнение Нернста (Nernst)

Решение задач по химии на составление электронных и молекулярных уравнений реакций окисления

Задание 241.
В два сосуда с голубым раствором медного купороса поместили в первый цинковую пластинку, а во второй серебряную. В каком сосуде цвет раствора постепенно пропадает? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующей реакции.
Решение:
Стандартные электродные потенциалы цинка, меди и серебра соответственно равны -0,76 В, +0,34 В и +0,80 В. Исходя из того, что цинк имеет более электроотрицательный потенциал, чем медь, то между цинком и медным купоросом проходит реакция (цинк вытесняет медь из соли), и раствор соли при этом обесцвечивается, так как образуется бесцветный сульфат цинка:

Zn0 + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu 0

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Серебро, имея более электроположительный потенциал, чем медь не способно вытеснять ионы меди из сульфата меди, поэтому раствор медного купороса, с опущенной в него серебряной пластинкой, не обесцвечивается.

Задание 242.
Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) CuSO4; б) МgSO4; в) Рb(NO3)2? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
Решение:
а) Стандартные электродные потенциалы цинка и меди соответственно равны -0,76 В и +0,34 В. Исходя из того, что цинк имеет более электроотрицательный потенциал, чем медь, то между цинком и медным купоросом проходит реакция (цинк вытесняет медь из соли), и раствор соли при этом обесцвечивается, так как образуется бесцветный сульфат цинка, а цинковая пластинка будет уменьшаться по массе:

Zn 0 + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu 0

б) Так как стандартный электродный потенциал цинка (-0,76 В) больше, чем стандартный электродный потенциал магния (-2,36 В), то цинк не способен вытеснять магний из растворов его солей, поэтому цинковая пластинка останется без изменений.

в) Так как стандартный электродный потенциал цинка (-0,76 В) меньше, чем у свинца (-0,13 В), то металлический цинк будет обладать большими восстановительными способностями чем ионы Pb 2+ , и реакция будет протекать с растворением цинковой пластинки, т. е. её масса будет уменьшаться.

Zn 0 + Pb 2+ = Zn 2+ + Pb 0

Задание 243.
При какой концентрации ионов Zn 2+ (в моль/л) потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала? Ответ: 0,30 моль/л.
Решение:
Найдём значение электродного потенциала цинка в растворе его соли:

стандартный электродный потенциал цинка.

Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е 0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность). Так как уменьшение потенциала цинка равно 0,015 В, то используя уравнение Нернста, получим выражение для расчета концентрации ионов цинка в растворе:

Ответ: 0,30 моль/л.

Задание 244.
Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии ее с растворами:
а); AgNO3; б) ZnSO4; в) NiSO4? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
Решение:
а) Стандартные электродные потенциалы кадмия и серебра соответственно равны -0,403 В и +0,80 В. Исходя из того, что кадмий имеет более электроотрицательный потенциал, чем серебро, то между кадмием и нитратом серебра проходит реакция (кадмий вытесняет серебро из соли), и кадмиевая пластинка при этом будет уменьшаться по массе.

Cd 0 + 2Ag + = Cd 2+ + 2Ag 0

б) Так как стандартный электродный потенциал кадмия (-0,403 В) больше, чем стандартный электродный потенциал цинка (-0,76 В), то кадмий не способен вытеснять цинк из растворов его солей, поэтому кадмиевая пластинка останется без изменений.

в) Так как стандартный электродный потенциал кадмия (-0,403 В) меньше, чем у никеля (-0,25 В), то металлический кадмий будет обладать большими восстановительными способностями чем ионы Ni 2+ , и реакция будет протекать с растворением кадмиевой пластинки, т. е. её масса будет уменьшаться.

Cd 0 + Ni 2+ = Cd 2+ + Ni 0

Задание 245.
Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал -1,23 В. Вычислите концентрацию ионов Мn 2+ (моль/л). Ответ. 1,89 . 10-2 моль/л.
Решение:
Электродный потенциал металла
(Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е 0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность). Так как уменьшение потенциала цинка равно 0,015 В, то используя уравнение Нернста, получим выражение для расчета концентрации ионов Mn 2+ в растворе:

Ответ. 1,89 . 10 -2 моль/л.

И электродные реакции для некоторых металлов

ЭлектродЭлектродная реакцияj o , ВЭлектродЭлектродная реакцияj o , В
Li + /LiLi + + ē = Li–3,045Cd 2+ /CdCd 2+ + 2ē = Cd–0,403
Rb + /RbRb + + ē = Rb–2,925Co 2+ /CoCo 2+ + 2ē = Co–0,277
K + /KK + + ē = K–2,924Ni 2+ /NiNi 2+ + 2ē = Ni–0,250
Cs + /CsCs + + ē = Cs–2,923Sn 2+ /SnSn 2+ + 2ē = Sn–0,136
Ba 2+ /BaBa 2+ + 2ē = Ba–2,906Pb 2+ /PbPb 2+ + 2ē = Pb–0,126
Ca 2+ /CaCa 2+ + 2ē = Ca–2,866Fe 3+ /FeFe 3+ + 3ē = Fe–0,036
Na + /NaNa + + ē = Na–2,7142H + /H22H + + 2ē = H20,000
Mg 2+ /MgMg 2+ + 2ē = Mg–2,363Bi 3+ /BiBi 3+ + 3ē = Bi+0,215
A1 3+ /A1Al 3+ + 3ē = Al–1,662Cu 2+ /CuCu 2+ + 2ē = Cu+0,337
Ti 2+ /TiTi 2+ + 2ē = Ti–1,628Ag + /AgAg + + ē = Ag+0,799
Mn 2+ /MnMn 2+ + 2ē = Mn–1,180Hg 2+ /HgHg 2+ + 2ē = Hg+0,854
Zn 2+ /ZnZn 2+ + 2ē = Zn–0,763Pt 2+ /PtPt 2+ + 2ē = Pt+1,190
Cr 3+ /CrCr 3+ + 3ē = Cr–0,744Au 3+ /AuAu 3+ + 3ē = Au+1,498
Fe 2+ /FeFe 2+ + 2ē = Fe–0,440Au + /AuAu + + ē = Au+1,691

Расположенные в порядке увеличения стандартного электродного потенциала металлы образуют ряд напряжений металлов. Положение металла в ряду напряжений определяет относительную окислительно-восстановительную способность металла и его ионов. Чем меньшее значение имеет стандартный электродный потенциал металла, тем более сильным восстановителем он является. Чем больше потенциал металлического электрода, тем более высокой окислительной способностью обладают его ионы. Каждый металл способен вытеснять из растворов солей только те металлы, которые имеют большее значение электродного потенциала – более активный металл замещает менее активный.

Последовательность металлов в ряду напряжений сохраняется только для стандартной температуры (25 °С) и концентрации ионов металла в растворе 1моль/л. При других концентрациях электролита электродный потенциал рассчитывается по уравнению Нернста:

j = j 0 + lg C,

где j 0 − стандартный электродный потенциал, n – число электронов, участвующих в электродной реакции; C – концентрация ионов металла в растворе (моль/л).

Если два электрода, погруженные в растворы электролитов, соединить металлическим проводником, образуется гальванический элемент. Гальваническими элементаминазывают устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов преобразуется в электрическую энергию.

Так, реакция CuSO4 + Zn = Cu + ZnSO4 в электрохимическом варианте является основой гальванического элемента Даниэля – Якоби, схема которого (–) Zn | ZnSO4 || CuSO4 |Cu (+) отражает систему обозначений для гальванических элементов. Слева записывается анод Zn | Zn 2+ – электрод, имеющий меньшее значение электродного потенциала, отрицательный полюс (–), на нем протекает процесс окисления – анодная реакция: Zn –2ē = Zn 2+ . Справа – катод Cu 2+ | Cu – электрод, имеющий большее значение электродного потенциала, положительный полюс (+), на нем протекает процесс восстановления – катодная реакция: Cu 2+ + 2ē = Cu. Одна вертикальная черта изображает фазовый раздел между металлом и раствором электролита. Двойная вертикальная линия отделяет анодное пространство от катодного.

Суммарная реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей. В случае элемента Даниэля – Якоби токообразующая реакция имеет вид Cu 2+ + Zn = Cu + Zn 2+ .

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой(ЭДС). Обозначается E, измеряется в вольтах. ЭДС элемента равна разности потенциалов катода и анода: E = j к – j а

Стандартная ЭДС равна разности стандартных электродных потенциалов катода и анода:E 0 = j 0 к– j 0 а Так, для элемента Даниэля – Якоби стандартная ЭДС равна: E 0 = j 0 Сu 2+ /Cu – j 0 Zn 2+ /Zn = +0,337 – (–0,763) = +1,100 В.

Окислительно-восстановительная реакция, характеризующая работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС имеет положительное значение. В этом случае DG 0 х.р. 0 = – nE 0 F,

где n – число электронов, участвующих в электродной реакции; F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл; E 0 – стандартная ЭДС.

Гальванический элемент, состоящий из двух электродов одного и того же металла, погруженных в растворы его соли разной концентрации, представляет собой концентрационный элемент. В этом случае электрод, погруженный в раствор электролита с меньшей концентрацией ионов металла, будет анодом. В качестве катода будет выступать электрод, опущенный в электролит с большей концентрацией ионов металла.

Пример 12.1.Определить ЭДС концентрационного серебряного элемента с концентрациями ионов серебра, равными 10 –1 моль/л у одного электрода и

10 –4 моль/л у другого при 298 К.

Решение.Схема такого гальванического элемента Ag½Ag + ||Ag + ½Ag. По уравнению Нернста рассчитываем потенциалы двух серебряных электродов.

Для первого электрода:

j Ag + /Ag = j 0 Ag + /Ag + 0,059 lg10 -1 = 0,799 + 0,059×(–1) = 0,74 В

Для второго электрода:

j Ag + /Ag = j 0 Ag + /Ag + 0,059 lg10 -4 = 0,799 + 0,059×(–4) = 0,563 В

Первый электрод с большим значением потенциала в данном элементе является катодом, второй – анодом. ЭДС рассчитываем по формуле:

E = j к – j а = 0,74 – 0,563 = 0,177 В.

Пример 12.2. Рассчитать ЭДС элемента Cd½Cd 2+ || Ni 2+ ½Ni при концентрации ионов Cd 2+ и Ni 2+ , равных соответственно 0,1 и 0,001 моль/л.

Решение.Используя уравнения Нернста и данные таблицы стандартных электродных потенциалов, рассчитываем электродные потенциалы кадмия и никеля:

j Сd 2+ /Cd = j 0 Сd 2+ /Cd + lg10 -3 = -0,403 + 0,0295×(-3) = -0,4915 В

j Ni 2+ /Ni = j 0 Ni 2+ /Ni + lg10 -1 = -0,250 + 0,0295×(-1) = — 0,2795 В

Так как j Сd 2+ /Cd 2+ /Ni , то токообразующей в этом гальваническом элементе является реакция Cd 0 + Ni 2+ = Cd 2+ + Ni 0 . Рассчитываем ЭДС элемента E = j Ni 2+ /Ni – j Сd 2+ /Cd = -0,2795 — (-0,4915) = 0,212 В.

Пример 12.3. Исходя из значений стандартных электродных потенциалов и DG 0 х.р., указать, можно ли в гальваническом элементе осуществить реакцию Pb 2+ + Ti = Pb + Ti 2+ . Составить схему гальванического элемента, написать уравнения электродных реакций.

Решение. В соответствии с уравнением реакции схему гальванического элемента можно представить следующим образом: (–) Ti½Ti 2+ || Pb 2+ ½Pb (+). Уравнения электродных реакций имеют вид:

на аноде: Ti 0 – 2ē ® Ti 2+

на катоде: Pb 2+ + 2ē ® Pb 0

Рассчитываем стандартное значение ЭДС:

Энергию Гиббса рассчитываем по уравнению DG 0 = –nE 0 F=

–2×1,502×96500 = –289,9 кДж. Так как DG 0 2+ + Zn = Cu + Zn 2+

Один моль эквивалентов цинка (32,69 г/моль) будет замещаться на один моль эквивалентов меди (31,77 г/моль) или свинца (103,6 г/моль). Учитывая молярные массы эквивалентов этих элементов, в растворе CuSO4 масса цинковой пластины будет незначительно уменьшаться, а в растворе Pb(NO3)2 – заметно увеличиваться.

Стандартный потенциал магния имеет меньшее значение, чем потенциал цинка. Это означает, что ионы магния не могут окислять цинковую пластинку. Поведение цинка в таком растворе аналогично окислению цинковой пластинки в воде: Zn – 2ē = Zn 2+ . Протекание такого процесса приведет к малозаметному снижению массы цинковой пластинки.

Пример 12.5.Как происходит коррозия цинка, находящегося в контакте с кадмием, во влажном воздухе и в кислом растворе (НСl)? Составить уравнения анодного и катодного процессов. Привести схемы образующихся при этом гальванических элементов. Определить состав продуктов коррозии.

Решение.Цинк имеет меньшее значение потенциала (–0,763 В), чем кадмий (–0,403 В), поэтому он является анодом, а кадмий – катодом. Следовательно, цинк растворяется, а на поверхности кадмия идет восстановление: в кислом растворе – ионов водорода, во влажном воздухе – растворенного в воде кислорода.

Анодный процесс: Zn – 2ē = Zn 2+

Катодный процесс: в кислом растворе 2Н + + 2ē ® Н2

во влажном воздухе О2 + 2Н2О + 4ē ® 4ОН –

Схема образующегося гальванического элемента во влажном воздухе:

Схема образующегося гальванического элемента в кислом растворе:

Во влажном воздухе ионы Zn 2+ с гидроксильными группами, выделяющимися на катоде, образуют малорастворимый гидроксид цинка Zn(ОН)2, который и является продуктом коррозии.

В кислой среде на поверхности кадмия выделяется газообразный водород. В раствор переходят ионы Zn 2+ .

Пример 12.6. Хром находится в контакте с медью. Какой из металлов будет окисляться при коррозии, если эта пара металлов попадает в кислую среду (НС1)? Привести уравнения анодного и катодного процессов, схему образующегося гальванического элемента. Каков состав продуктов коррозии?

Решение.По положению в ряду напряжений металлов видно, что хром более активный металл (j 0 Сr 3+ /Cr = –0,744 В), чем медь (j 0 Сu 2+ /Cu = 0,337 В). В образованной гальванической паре Cr – анод, он окисляется, а Cu – катод, на ее поверхности выделяется (восстанавливается) водород из НС1.

Анодный процесс: Cr –3ē = Cr 3+

Катодный процесс в кислой среде: 2Н + + 2ē ® Н2

Схема гальванического элемента: (–) Cr½HCl½Cu (+)

Появляющиеся ионы Cr 3+ образуют с хлорид-анионами (из НС1) растворимое соединение – CrC13, на поверхности меди выделяется Н2.

Задачи

№ 12.1. а) Чему равна величина ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартных цинкового и серебряного электродов, погруженных в растворы их солей? Привести схему гальванического элемента и реакции, протекающие на электродах при его работе. (Ответ: 1,562 В).

б) Возможна ли электрохимическая коррозия алюминия, контактирующего со свинцом в нейтральном водном растворе, содержащем растворенный кислород? Если да, то написать уравнения реакций анодного и катодного процессов. Составить схему образующегося гальванического элемента.

№ 12.2. а) Чему равна величина ЭДС цинкового концентрационного элемента, составленного из двух цинковых электродов, опущенных в растворы с концентрациями ионов Zn 2+ , равными 10 –2 и 10 –6 моль/л? Привести схему такого элемента и реакции, протекающие на электродах при его работе.

б) Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составить уравнения анодного и катодного процессов. Привести схемы образующихся гальванических элементов.

№ 12.3. а) Имеется гальванический элемент, в котором протекает токообразующая реакция Ni + Cu 2+ = Cu + Ni 2+ . Привести схему такого элемента, написать уравнения электродных процессов.

б) Изделие из алюминия склепано с медью. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если эти металлы попадут в кислую среду (НСl)? Составить уравнения происходящих при этом процессов, привести схему образующегося гальванического элемента. Определить продукты коррозии.

№ 12.4. а) Составить схему, написать уравнения токообразующей и электродных реакций для гальванического элемента, у которого один из электродов кобальтовый (СCо 2+ = 10 –1 моль/л), а другой – стандартный водородный. Рассчитать ЭДС элемента при 298 К. Как изменится ЭДС, если концентрация ионов Со 2+ уменьшить в 10 раз? (Ответ: 0,307 В; 0,336 В).

б) Составить уравнения анодного и катодного процессов при коррозии пары магний – свинец в кислой среде и во влажном воздухе. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

№ 12.5. а)Каково значение ЭДС элемента, состоящего из медного и свинцового электродов, погруженных в растворы солей этих металлов с концентрациями их ионов 1 моль/л? Изменится или нет ЭДС этого элемента и почему, если концентрации ионов металлов будут составлять 0.001 моль/л? Составить уравнения электродных и токообразующей реакций. Привести схему гальванического элемента. (Ответ: 0,463 В).

б) Привести по одному примеру катодного и анодного покрытия для кобальта. Составить уравнения катодных и анодных процессов во влажном воздухе и в растворе соляной кислоты при нарушении целостности покрытия.

№ 12.6. а) Составить схему, привести уравнения электродных процессов и вычислить ЭДС концентрационного гальванического элемента, состоящего из медных электродов, опущенных в растворы СuSO4 с концентрациями 0,01 и 0,1 моль/л. (Ответ: 0,0295 В).

б)К какому типу покрытий относятся олово на меди и на железе? Какие процессы будут протекать при атмосферной коррозии указанных пар в нейтральной среде? Написатьуравнения катодных и анодных реакций.

№ 12.7. а)После нахождения в растворах каких из приведенных солей масса кадмиевой пластинки увеличится или уменьшится: а) MgCl2; б) Hg(NO3)2;

в) CuSO4; г) AgNO3; д) CaCl2? Ответ обосновать

б) Медное изделие покрыли серебром. К какому типу относится такое покрытие – к анодному или катодному? Составить уравнения электродных процессов коррозии этого изделия при нарушении целостности покрытия во влажном воздухе и в растворе соляной кислоты. Привести схемы образующихся при этом гальванических элементов.

№ 12.8. а) Составить схему, привести уравнения электродных процессов и вычислить ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, которые опущены в растворы своих солей с концентрацией ионов Pb 2+ и Mg 2+ , равных 1 моль/л. Изменится ли значение ЭДС, если концентрацию каждого из ионов понизить в 100 раз? Ответ обосновать. (Ответ: 2,237 В).

б) В воду, содержащую растворенный кислород, опустили никелевую пластинку и никелевую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии никеля происходит интенсивнее? Почему? Составить уравнения анодного и катодного процессов для пластинки покрытой медью.

№ 12.9. а)В два сосуда с голубым раствором сульфата меди поместили в первый хромовую пластинку, а во второй платиновую. В каком сосуде цвет раствора постепенно исчезает? Почему? Составить электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

б) Какой металл целесообразнее выбрать для протекторной защиты железного изделия: цинк, никель или кобальт? Почему? Составить уравнения анодного и катодного процессов атмосферной коррозии таких изделий. Каков состав продуктов коррозии?

№ 12.10. а) Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых оловянная пластинка была бы катодом, а в другом анодом. Написать для каждого из этих элементов уравнения электродных (катодных и анодных) процессов и токообразующих реакций.

б) Железо покрыто хромом. Какой из металлов будет корродировать в случае нарушения поверхностного слоя покрытия при атмосферной коррозии? Какое это покрытие катодное или анодное? Составить схему процессов, происходящих на электродах образующегося гальванического элемента.

№ 12.11. а) Составить схему гальванического элемента, в основе работы которого лежит реакция: Ni + Pb(NO3)2 = Ni(NO3)2 + Pb. Написать уравнения электродных (катодных и анодных) процессов. Вычислить ЭДС этого элемента, если СNi 2+ = 0,01 моль/л, а СPb 2+ = 0,0001 моль/л. (Ответ: 0,065 В).

б) Рассчитать энергию Гиббса реакции

и определить, какой из металлов – магний или медь, интенсивнее будет корродировать во влажном воздухе. Стандартные энергии Гиббса образования D¦G 0 Mg(OH)2, Cu(OH)2, H2O (ж) соответственно равны –833,7; –356,9; –237,3 кДж/моль.

№ 12.12. а) Вычислить электродный потенциал цинка в растворе ZnCl2, в котором концентрация Zn 2+ составляет 0,1 моль/л. Как изменится значение потенциала при разбавлении раствора в 100 раз? (Ответ: –0,79 В; –0,85 В).

б) Какой из металлов – алюминий или золото, будет подвергаться коррозии во влажном воздухе по уравнению: 4Ме + 6Н2О (ж) + 3О2 = 4Ме(ОН)3.

Ответ обосновать, рассчитав энергию Гиббса реакции. Стандартные энергии Гиббса образования D¦G 0 Al(OH)3, Au(OH)3, H2O (ж) соответственно равны

–1139,7; –289,9; –237,3 кДж/моль.

№ 12.13. а) Составить схему гальванического элемента, электродами в котором служат пластинки из олова и меди. Исходя из величин стандартных электродных потенциалов, рассчитать значения Е 0 и DG 0 . Определить направление протекания токообразующей реакции. (Ответ: 0,473 В; –91,3 кДж).

б)Какие из перечисленных металлов могут быть использованы для протекторной защиты железного изделия в присутствии электролита, содержащего растворенный кислород в нейтральной среде: алюминий, хром, серебро, кадмий? Привести уравнения анодного и катодного процессов атмосферной коррозии таких изделий. Каков состав продуктов коррозии?

№ 12.14. а) Составить схему гальванического элемента, образованного железом и свинцом, погруженными в растворы их солей с концентрациями ионов металлов 0,01 моль/л. Рассчитать ЭДС. (Ответ: 0,314 В).

б) Изделие из хрома спаяно свинцом. Какой из металлов будет корродировать при попадании такого изделия в кислотную среду (НСl)? Привести уравнения анодного и катодного процессов и образующиеся продукты коррозии.

№ 12.15. а) Исходя из величин стандартных электродных потенциалов, рассчитать значения ЭДС и DG 0 и определить, будет ли работать гальванический элемент, в котором на электродах протекают реакции:

(Ответ: –0,98 В; +189,1 кДж).

б) Составить уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого серебром, во влажном воздухе и в кислой среде. Определить тип покрытия – анодное или катодное? Какие продукты образуются в результате коррозии?

№ 12.16. а) Исходя из величин стандартных электродных потенциалов, рассчитать значения ЭДС и DG 0 и сделать вывод о возможности протекания реакции в прямом направлении: Cu + 2Ag + Cu 2+ + 2Ag.

(Ответ: 0,462 В; –89,2 кДж).

б) Какие металлы могут быть использованы в качестве анодного покрытия сплава Zn – Cd? Привести уравнения анодного и катодного процессов при коррозии такого сплава во влажном воздухе в отсутствие анодного покрытия.

№ 12.17. а) Как изменится масса хромовой пластинки после нахождения в растворах солей: а) CuSO4; б) MgCl2; в) AgNO3; г) CaCl2? Ответ обосновать.

б) Привести уравнения анодного и катодного процессов при коррозии сплава Fe – Sn во влажном воздухе и в кислой среде. Определить продукты коррозии.

№ 12.18. а) Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых цинк – отрицательный электрод, а в другом – положительный. Привести уравнения токообразующих реакций и электродных процессов.

б) Привести уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии сплава Al – Ni в атмосфере влажного воздуха и в кислой среде (НС1). Определить продукты коррозии.

№ 12.19. а) Электродные потенциалы железа и серебра соответственно равны –0,44 и +0,799 В. Какая реакция самопроизвольно протекает в железо-серебряном гальваническом элементе?

Fe 0 + 2Ag + = Fe 2+ + 2Ag 0 или 2Ag 0 + Fe 2+ = Fe 0 + 2Ag +

Ответ обосновать, рассчитав энергию Гиббса каждой из приведенных реакций.

б) Хромовую пластинку и пластинку из хрома, частично покрытую серебром, поместили в раствор соляной кислоты. В каком случае процесс коррозии хрома протекает более интенсивно? Почему? Привести уравнения соответствующих процессов.

№ 12.20. а) Вычислить ЭДС гальванического элемента, состоящего из водородного электрода, опущенного в чистую воду, и оловянного электрода, опущенного в раствор с концентрацией ионов олова (II) 1 моль/л. (Ответ: 0,16 В).

б) Составить уравнения самопроизвольно протекающих реакций при атмосферной коррозии цинка и олова, находящихся в контакте. Привести схему образующегося гальванического элемента.

Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии.

По таблице 11.1 находим значение стандартных электродных потенциалов железа и цинка:

= — 0,44В, = — 0,76В.

Так как 2+ 2

2Zn + 2H2O + O2 = 2Zn(OH)2 – суммарное молекулярное уравнение процесса коррозии.

б) Коррозия в кислой среде (H2SO4)

Составляем схему коррозионного ГЭ:

А (-) Zn │ H + │ Fe (+) K

Составляем уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии:

На A(-) Zn – 2ē = Zn 2+ 1

На К(+) 2H + + 2ē = H2 1

Zn + 2H + = Zn 2+ + H2 — суммарное ионно-молекулярное уравнение процесса коррозии;

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 – суммарное молекулярное уравнение процесса коррозии.

в) Коррозия в кислой среде в присутствии кислорода (HCl+O2).

Составляем схему коррозионного ГЭ:

А (-) Zn │ HCl + O2 │ Fe (+) K

А (-) Zn │ H + + O2 │ Fe (+) K

Составляем уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии:

НОК ДМ

На A (-) Zn – 2ē = Zn 2+ 2

На К (+) 4H + + O2 + 4ē = 2H2O 1

2Zn + 4H + + O2 = 2Zn 2+ + 2H2O – суммарное ионно-молекулярное уравнение процесса коррозии

2Zn + 4HCl + O2 = 2ZnCl2 + 2H2O – суммарное молекулярное уравнение процесса коррозии.

Во всех случаях коррозионному разрушению будет подвергаться более активный металл – цинк.

УРОВЕНЬ В

1. Составить схему гальванического элемента (ГЭ), образованного цинковым электродом, погруженным в 1М раствор хлорида цинка, и хромовым электродом, погруженным в 1·10 -3 М раствор хлорида хрома (III). Рассчитать напряжение ГЭ, написать уравнения электродных процессов и суммарной токообразующей реакции.

Дано: ε — ?

РЕШЕНИЕ: Для составления схемы ГЭ необхо-димо знать величины электродных потенциалов металлов – цинка и хрома. По таблице 11.1 определяем стан-дартные электродные потенциалы металлов:

= — 0,76 В, = — 0,74В.

Хлорид цинка диссоциирует по уравнению:

= ∙α∙ = 1∙1∙1 = 1 моль/л,

α = 1 (ZnCl2 – сильный электролит), = 1, поскольку условия стандартные = -0,76В.

Хлорид хрома (III) диссоциирует по уравнению:

= ∙α∙ = 10 -3 ∙1∙1 = 10 -3 моль/л,

α = 1 (CrCl3 – сильный электролит), = 1, поскольку условия отличны от стандартных, рассчитываем электродный потенциал хрома:

= + = -0,74 + lg10 -3 = -0,80В

Так как 3+ ││ Zn 2+ │ Zn (+) K

Составляем уравнения электродных процессов и суммарной токообразующей реакции:

НОК ДМ

На A(-)Cr – 3ē = Cr 3+ 2

На К(+)Zn 2+ + 2ē = Zn 3

2Cr + 3Zn 2+ = 2Cr 3+ + 3Zn — суммарное ионно-молекулярное уравнение токообразующей реакции

2Cr + 3ZnCl2 = 2CrCl3 + 3Zn — суммарное молекулярное уравнение токообразующей реакции.

Рассчитываем напряжение ГЭ:

= = -0,76-(-0,80)= 0,04В

2. Составить схему ГЭ, в котором протекает химическая реакция Fe + Ni 2+ = Fe 2+ + Ni. Написать уравнения электродных процессов. На основании стандартных значений энергий Гиббса образования ионов ∆fG 0 (298К, Me n + ) рассчитать стандартное напряжение ГЭ и константу равновесия реакции при 298К.

= — 64,4 кДж/моль;

=— 84,94 кДж/моль.

Дано: = -64,4 кДж/моль = -84,94 кДж/моль Т = 298 К ε 0 — ? Кс — ?РЕШЕНИЕ: На основании реакции, приведенной в условии задачи, составляем уравнения электродных процессов:

На A(-)Fe – 2ē = Fe 2+ 1 — окисление

На К(+)Ni 2+ + 2ē = Ni 1 — восстановление

Анодом ГЭ является электрод, на котором происходит процесс окисления. Катодом – электрод, на котором происходит процесс восстановления. Тогда в рассматриваемом ГЭ анодом будет являться железо, катодом – никель.

Составляем схему ГЭ:

А(-) Fe │ Fe 2+ ║ Ni 2+ │ Ni(+)K

Рассчитываем стандартное напряжение ГЭ:

= — z∙F∙ε 0 ,
= =
= -84,94-(-64,4) = -20,54 кДж,

ε 0 =

z = 2, F = 96500 Кл/моль.

Рассчитываем константу равновесия токообразующей реакции (Кc).

= — 2,303∙R∙T∙lgKc;

lgKс =

Ответ: ε 0 = 0,106В, Kс = 3981.

3. Составить схему коррозионного ГЭ, возникающего при контакте железной пластинки площадью 20 см 2 с никелевой в растворе соляной кислоты HCl. Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии.

а) Вычислить объемный и весовой показатели коррозии, если за 40 минут в процессе коррозии выделилось 0,5 см 3 газа (н.у.).

б) Вычислить весовой и глубинный показатели коррозии, если за 120 минут потеря массы железной пластинки составила 3,7∙10 -3 г. Плотность железа равна 7,9 г/см3 .

По таблице 11.1 находим значения стандартных электродных потенциалов железа и никеля:

= — 0,44В, = — 0,26В.

Так как + │ Ni (+) K

Cоставляем уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии:

На A Fe – 2ē = Fe 2+

На К 2Н + + 2ē = Н2

Fe + 2H + = Fe 2+ + H2 – суммарное ионно-молекулярное уравнение процесса коррозии.

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 – суммарное молекулярное уравнение процесса коррозии.

Дано: τ = 40 мин V(газа) = 0,5 см 3 S = 20 см 2 KV -? Km — ?

Рассчитываем объемный показатель коррозии KV по формуле: KV = , см 3 /м 2 ∙час. При расчете KV принимаем: S – [м 2 ], τ — [час], V(газа) – [см 3 ].

Из уравнения суммарной реакции процесса коррозии следует, что при коррозии выделяется водород.

Следовательно, V(газа) = .

Тогда, KV = = 375 см 3 /м 2 ∙час.

10 -4 – коэффициент пересчета, см 2 в м 2 .

Рассчитываем весовой показатель коррозии Km по формуле:

Km = , г/м 2 ∙час.

В процессе коррозии разрушению подвергается железо и выделяется водород.

Мэк(Ме) = Мэк(Fe) = =28 г/моль,

= 11200 см 3 /моль.

Km = = 0,94 г/м 2 ∙час.

Ответ: KV = 375 см 3 /м 2 ∙час, Km = 0,94 г/м 2 ∙час.

Дано: τ = 120 мин = 3,7·10 -3 г. S = 20 см 2 ρFe = 7,9 г/см 3 Km — ? П -?

Рассчитываем весовой показатель коррозии Km по формуле: Km = , г/м 2 ∙час. Коррозии подвергается железо. Тогда потеря массы металла .

При расчете Km принимаем: — [г]; S – [м 2 ], τ — [час].

Тогда: Km = = = 0,925 г/м 2 ∙час.

Рассчитываем глубинный показатель коррозии по формуле:

П = = мм/год.

Ответ: Km = 0,925 г/м 2 ∙час, П = 1,03 мм/год.

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ

Таблица 11.1. Процессы протекающие на катоде при электролизе водных растворов

ВКатио-ны в вод- ном рас- твореЗоныПроцессы на катоде
-3,02 -2,99 -2,93 -2,92 -2,90 -2,89 -2,87 -2,71 -2,34 -1,67Li + , Rb + , Cs + K + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + , Mg 2+ , Al 3+IКатионы этих металлов на катоде не восстанавли-ваются, а концентри-руются в околокатодном пространстве (католите). На катоде восстанавливаются только молекулы воды: 2Н2О + 2ē = 2ОН — + Н2
-1,05 -0,76 -0,74 -0,44 -0,40 -0,28 -0,26 -0,14 -0,13Mn 2+ , Zn 2+ , Cr 3+ , Fe 2+ , Cd 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Sn 2+ , Pb 2+II На катоде параллельно протекают два процесса: Ме n + + nē = Me 2Н2О + 2ē = 2ОН — + Н2
0,00Н +При электролизе кислоты 2Н + + 2ē = Н2
+0,20 +0,23 +0,34 +0,80 +0,83 +0,85 +1,20Sb 3+ , Bi 3+ , Cu 2+ , Ag + , Pd 2+ , Hg 2+ , Pt 2+IIIВосстанавливаются только ионы этих металлов Ме n + + nē = Me

Таблица 11.2. Последовательность окисления анионов на инертном аноде в водном растворе.

Очередность окисления анионовПроцессы окисления на аноде.
1.Окисляются анионы бескислородных кислот (Cl — , Br — , J — , S 2- , и др.) Например: 2Cl — -2ē = Cl2
2.Окисляются ОН — ионы 4ОН — -4ē = О2 + 2Н2О
Если в водном растворе присутствуют анионы кислородсодержащих кислот ( , , , и др.), то они на аноде не окисляются, а концентрируются в околоанодном пространстве (анолите). На аноде окиcляются только молекулы воды. 2H2O — 4е = О2+4H +

Примечание. Если анод изготовлен из металлов II или III зоны (растворимый анод), то при электролизе протекает только процесс его растворения Мe 0 – nē = Me n +

УРОВЕНЬ А

1. Составить схемы электролиза и написать уравнения электродных процессов водных растворов (анод инертный): а) хлорида меди (II), б) гидроксида натрия.

Какие продукты выделяются на катоде и аноде?

Дано: а)CuCl2, б) NaОН. Анод инертный 1. Схема электролиза-? 2. Продукты электролиза-?

РЕШЕНИЕ а) CuCl2 = Cu 2+ + 2Cl — , Схему электролиза составляем в соответствии с таблицами 11.1 и 11.2: K(-) A(+) инертный Cu 2+ + 2ē = Cu 2Cl — — 2ē = Cl2 H2O H2O

На катоде выделяется Cu, на аноде выделяется Cl2.

б) NaОН = Na + + ОН —

Na + 4ОН — 4ē = О2 + 2H2О

На катоде выделяется Н2, на аноде выделяется О2.

2.Составить схемы электролиза и написать уравнения электродных процессов водного раствора сульфата никеля (II) , если: а) анод инертный, б) анод никелевый. Какие продукты выделяются на катоде и аноде?

Дано: NiSO4 а) анод инертный б) анод никелевый 1. Схема электролиза-? 2. Продукты электролиза-?

РЕШЕНИЕ а) анод – инертный NiSO4 = Ni 2+ + Схему электролиза составляем в соответствии с таблицами 11.1. и 11.2:

Ni 2+ + 2ē = Ni

На катоде выделяется Ni и H2 , на аноде выделяется О2.

б) анод – никелевый:

NiSO4 = Ni 2+ +

Ni 2+ + 2ē = Ni , Н2О

2H2O+2ē = H2+2OH — Ni — 2ē = Ni 2+

На катоде выделяется Ni и H2, на аноде растворяется Ni.

3.При электролизе растворов а) нитрата кальция, б) нитрата серебра на аноде выделяется 560 мл газа (н.у.). Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов. Определить какое вещество и в каком количестве выделилось на катоде? Анод инертный.

Дано: Электролиты: а) Ca(NO3)2 б) AgNO3 = 560 см 3 Анод инертный 1. Схема электролиза-? 2. -? 3. -? 4. -?

РЕШЕНИЕ а) Ca(NO3)2 = Ca 2+ + 2 Схема электролиза: K(-) A(+) инертный Ca 2+ 2H2O+2ē=H2+2OH — 2H2O — 4ē = О2+4H + На катоде выделяется Н2, на аноде выделяется О2 По закону эквивалентов: nэк1)(анод) = nэк2)(катод)

В соответствии со схемой электролиза:
nэк2)(анод) = nэк2)(катод) или ,

= = = 1120 см 3 ,

= 11200 см 3 /моль

= 5600 см 3 /моль.

На катоде выделилось 1120 см 3 водорода.

Ответ: 1120 см 3 водорода.

б) AgNO3 = Ag + +

Ag + + ē = Ag

На катоде выделяется Ag, на аноде выделяется О2.

По закону эквивалентов: nэк(Ag)(катод) = nэк2)(анод) или , откуда = = 10,8 г.

где

На катоде выделилось 10,8 г серебра.

Ответ: 10,8 г серебра.

УРОВЕНЬ В

Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов водного раствора сульфата калия (анод инертный). Определить какие вещества и в каком количестве выделяются на катоде и аноде, если проводить электролиз в течение четырех часов при силе тока 2А. Температура 298К, давление 99 кПа.

Дано: Электролит: K2SO4 τ = 4 ч Т = 298 К I = 2 A Р = 99 кПа Анод инертный 1. Схема электролиза-? 2. (катод) — ? 3. (анод) — ?РЕШЕНИЕ K2SO4 = 2K + + Схема электролиза: K(-) A(+) (инертный) K + 2H2O + 2ē = 2H2O — 4ē = = H2 + 2OH — = О2 + 4H + На катоде выделяется H2, на аноде выделяется О2 По закону Фарадея объемы водорода и кислорода, выделившиеся при (н.у.):

= = 3,34 л.

где = 11,2 л/моль.

F = 96500 Кл/моль, если τ – cек,

F = 26,8 А∙ч/моль, если τ – час.

= = 1,67 л,

где = 5,6 л/моль, т.е. = 2

Объем водорода при заданных условиях отличных от нормальных определяем из уравнения:

,

откуда: = = 3,73 л

Объем кислорода при заданных условиях:

= 1/2 = 1,865 л.

Ответ: 3,73 л водорода, 1,865 л кислорода.

2.Металлическую деталь, площадь поверхности которой равна 100 см 2 , необходимо покрыть слоем электролитически осажденной меди из раствора хлорида меди (II). Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов, если анод медный. Сколько времени должно длиться осаждение при силе тока 8А и выходе по току 98%, если толщина покрытия 0,15 мм. Плотность меди – 8,9 г/см 3 .

Дано: Электролит: CuCl2 S = 100 см 2 h = 0,15 мм I = 8 A BT = 98 % ρCu = 8,9 г/см 3 Анод медный Схема электролиза-? Время электролиза, τ -? РЕШЕНИЕ CuCl2 = Cu 2+ + 2Cl — Схема электролиза: K(-) A(+) (Cu) Cu 2+ + 2ē = Cu Cl — H2O H2O Cu – 2ē = Cu 2+ На катоде выделяется Cu, на аноде растворяется Cu. ВТ= ; mCu(факт) = mCu(теор)·ВТ

По закону Фарадея с учетом выхода по току (ВТ) масса меди, фактически выделившейся на катоде равна:

mCu(факт) = .

Масса меди, необходимая для получения медного покрытия:

mCu(факт) = S∙h∙ρ (г), где S – см 2 , h – см, ρ – г/см 3 .

S∙h∙ρCu = ,

откуда
τ = 1,43 часа,

где Mэк(Cu) = = 32 г/моль

10 -1 – коэффициент пересчета мм в см.

3.Определить молярную концентрацию эквивалента раствора нитрата серебра, если для выделения всего серебра из 75 см 3 этого раствора потребовалось пропустить ток силой 4А в течение 25 минут. Составить схему электролиза и написать уравнения электродных процессов. Анод инертный. Выход по току серебра 100%.

Дано: Электролит: AgNO3 I = 4 A = 75 см 3 τ = 25 мин Анод инертный Схема электролиза-? — ?РЕШЕНИЕ AgNO3 = Ag + + Схема электролиза: K(-) A(+) инертный Ag + + ē= Ag H2O 2H2O — 4ē = О2 + 4H + На катоде выделяется Ag, на аноде выделяется О2.

Молярная концентрация эквивалента раствора AgNO3:

=

nэк(Ag) = ,

где mAg – масса серебра, выделившегося при электролизе с учетом 100 % выхода по току.

mAg = , откуда

= = nэк(Ag) = nэк(AgNO3)

Молярная концентрация эквивалента раствора AgNO3:

= = 0,83 моль/л.
где τ – c, F – 96500 Кл/моль, Vр-ра – л.

60 – коэффициент пересчета мин. в сек.

10 -3 – коэффициент пересчета см 3 в л.

Ответ: = 0,83 моль/л.


источники:

http://helpiks.org/5-20614.html

http://lektsii.org/9-43917.html