Задание 287.
Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары магний - никель. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
Решение:
Магний имеет более электроотрицательный стандартный электродный потенциал
(-2,36 В), чем никель (-0,24 В), поэтому он является анодом, никель – катодом.
Анодный процесс – окисление металла: Mе 0 - 2 = Mе n+
и катодный процесс – восстановление ионов водорода (водородная деполяризация) или молекул кислорода (кислородная деполяризация). Поэтому при коррозии пары Mg - Ni с водородной деполяризацией происходит следующие процессы:
Анодный процесс:
Mg 0 - 2 = Mg 2+
Катодный процесс:
Продуктом коррозии будет газообразный водород соединение магния с кислотным остатком (соль).
При коррозии пары Mg - Ni в атмосферных условиях на катоде происходит кислородная деполяризация, а на аноде – окисление магния:
Анодный процесс:
Mg 0 - 2 = Mg 2+
Катодный процесс:
в нейтральной среде: 1/2O 2 + H 2 O + 2 = 2OH -
в нейтральной или в щелочной среде: 1/2O
2 + H
2 O + 2
= 2OH
-
Так как ионы Mg 2+ с гидроксид-ионами ОН - образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии будет Mg(OH) 2 .
Задание 288.
В раствор хлороводородной (соляной) кислоты поместили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.
Решение:
а) При помещении цинковой пластинки в раствор хлороводородной (соляной) кислоты происходит реакция замещения:
Zn + 2HCl = ZnC l2 + H 2
Через некоторое время цинковая пластинка в растворе разбавленной соляной кислоте пассивируется оксидной плёнкой, образующейся при взаимодействии цинка с кислородом растворённым в воде по схеме: Zn + 1/2 O 2 = ZnO, поэтому коррозия цинка вскоре замедлится.
б) При помещении цинковой пластинки, частично покрытой медью, в раствор соляной кислоты образуется гальваническая пара Zn - Cu, в которой цинк будет анодом, а медь – катодом. Происходит это так, потому что цинк имеет более электроотрицательный электродный потенциал (-0,763 В), чем медь (+0-,34 В).
Анодный процесс:
Zn 0 - 2 = Zn
2+ ;
Катодный процесс:
в кислой среде: 2Н + + 2 = Н
2
Ионы цинка Zn 2+ с ионами хлора Cl - будут давать соль ZnCl 2 – сильный электролит, а водород будет интенсивно выделяться в виде пузырьков газа. Этот процесс будет бурно протекать до тех пор пока не закончится приход ионов водорода Н + соляной кислоты или пока полностью не растворится цинковая пластинка. Ионно-молекулярное уравнение коррозии:
Zn 0 + 2H + = Zn 2+ + H 2 О
Молекулярная форма уравнения:
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
Задание 289.
Почему химически чистое железо более стойко против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в кислой среде.
Решение:
Химически чистое железо более стойко к коррозии, потому что с кислородом образует на поверхности оксидную плёнку, которая препятствует дальнейшему разрушению металла. Техническое железо содержит примеси различных металлов и неметаллов, которые образуют различные гальванические пары железо - примесь. Железо, имея отрицательный стандартный электродный потенциал (-0,44 В) со многими примесями, потенциал которых значительно положительнее, является анодом, а примеси – катодом:
Анодный процесс: Fe 0 -2 = Fe 2+
Катодный процесс:
в кислой среде: 2Н + + 2 = Н
2
в нейтральной или в щелочной среде: 1/2O 2 + H 2 O + 2 = 2OH
-
Так как ионы Fe 2+ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом атмосферной коррозии железа будет Fe(OH) 2 . При контакте с кислородом воздуха Fe(OH) 2 быстро окисляется до метагидроксида железа FeO(OH), приобретая характерный для него бурый цвет:
4Fe(OH) 2 + О 2 = 4FeO(OH) + 2Н 2 О
Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары Mg - Pb
Потенциал магния меньше потенциала свинца, поэтому коррозия магния идет в первую очередь: Кислородная деполяризация: катодный процесс: O_2+2H_2O+4e=4OH^- анодный процесс: Mg = Mg^{2+} + 2e => 2Mg + O_2 + 2H_2O = 2Mg(OH)_2 Водородная деполяризация: катодный процесс: 2H^+ + 2e = H_2 анодный процесс: Mg = Mg^{2+} + 2e => Mg + 2H^+ = Mg^{2+} + H_2
в данной задаче магническая коррозия идет в первую очередь, т.к. свинец намного раз больше магния. кислородная деполяризация: при катодном процессе получается, что Магний (Mg) равен ему же с положительным зарядом 2+ и прибавить 2 электрона следовательно получается 2 атома магния (2Mg) сложить с двумя молекулами кислорода О2 и прибавить два атома хлороводорода(воды) (2Н2О). все это выражение будет равно 2Mg(OH)2 катодный процесс: кислород (О2) + два атома хлороводорода (2Н2О) и + 4 электрона. все это равно 4ОН (с отрицательным зарядом -1) теперь водородная деполяризация: выполняется аналогично кислородной, только получаются другие значения в итоге.
Похожие вопросы
Железное изделие покрыли никелем. Какое это покрытие анодное или катодное? Почему? Составьте электрические уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте (HCl). Какие продукты реакции получатся в первом и втором случае?
1.Изделие находится во влажном воздухе, который является электропроводящей средой, следовательно, будет протекать электрохимическая коррозия.
При нарушении покрытия образуется гальванический элемент. Составим схему коррозионного гальванического элемента:
Fe │ H 2 O, O 2 │ Ni
Вода – это нейтральная среда, поэтому окислителем (деполяризатором) является кислород – О 2 воздуха. Следовательно, в этой схеме будет протекать электрохимическая коррозия с кислородной деполяризацией.
Никель имеет больший (-0,23 B) потенциал, чем железо (-0,44 B) (смотри таблицу электрохимических потенциалов металлов), поэтому в гальваническом элементе никель будет катодом (окислителем), железо – анодом (восстановителем).
(-) Fe │ H 2 O, O 2 │ Ni (+)
Запишем электронные уравнения процессов коррозии
, протекающих на электродах, и составим суммарное уравнение процессов коррозии.
процесса коррозии
Вывод: коррозировать будет железо. Продуктом его коррозии является основание – гидроксид железа (II).
продукт процесса коррозии гидроксид железа (II).
2.Металлы находятся в кислой среде – растворе соляной кислоты (HCl). Раствор HCl – электролит, то есть электропроводящая среда, следовательно, будет протекать электрохимическая коррозия.
В данном случае среда кислая, поэтому окислителем (деполяризатором) является ион водорода (H +). Следовательно, в этой схеме будет протекать электрохимическая коррозия с водородной деполяризацией.
(-) Fe │ HCl │ Ni (+)
Электроны двигаются от железа к никелю.
Запишем электронные уравнения процессов коррозии, протекающих на электродах, и составим суммарное уравнение процессов коррозии
.
Составим молекулярное уравнение процессов коррозии окислительно-восстановительной реакции, протекающей при коррозии:
Запишем вывод: при коррозии железа, находящегося в контакте с никелем, окисляется железо. Продуктом его коррозии является соль – хлорид железа (II). На никелевом электроде выделяется водород.
3.2.1 Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары магний – никель. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?
Поскольку магний имеет меньшую величину электродного потенциала (–2,37 В), чем никель (– 0,25 В), то он будет играть роль анода, а никель – роль катода. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нем будет протекать процесс восстановления молекул кислорода, присутствующего в нейтральной среде (кислородная деполяризация), или ионов водорода, присутствующего в кислой среде (водородная деполяризация).
Электродные процессы, протекающие в нейтральной среде:
А) Mg 0 – 2ē → Mg 2+ – процесс окисления;
K) 2Н 2 О + О 2 + 4ē → 4ОН – – процесс восстановления.
Образующиеся ионы магния связываются с гидроксид-ионами, с образованием гидроксида магния:
Mg 2+ + 2ОН – → Mg(ОН) 2 – продукт коррозии в нейтральной среде.
3.2.2 Каким покрытием по отношению к железу является никель? Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если покрытие нарушено? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, протекающих в растворе хлорида натрия и в растворе бромоводородной кислоты. Каков состав продуктов коррозии?
1 Раствор хлорида натрия имеет нейтральную реакцию среды. Функция NaCl заключается в ускорении процесса коррозии.
Поскольку железо имеет меньшую величину электродного потенциала (– 0,44 В), чем никель (– 0,25 В), то оно будет играть роль анода, а никель – роль катода. Следовательно, покрытие никелем будет являться катодным по отношению к железу.
При нарушении никелевого покрытия на железе самопроизвольно возникает гальванический элемент. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нем будет протекать процесс восстановления молекул кислорода, присутствующего в нейтральной среде (кислородная деполяризация).
Электродные процессы:
K) 2Н 2 О + О 2 + 4ē → 4ОН – – процесс восстановления;
Fe 2+ + 2ОН – → Fe(ОН) 2 .
Гидроксид железа Fe(ОН) 2 является неустойчивым соединением, поэтому в нейтральной среде протекает процесс его доокисления:
4Fe(ОН) 2 + 2Н 2 О + О 2 → 4Fe(ОН) 3 .
Fe(ОН) 3 → FeООН + Н 2 О;
2FeООН → Fe 2 О 3 + Н 2 О.
Состав продуктов коррозии будет следующим:
Fe(ОН) 2 , Fe(ОН) 3 , FeООН, Fe 2 О 3 .
Схема работы данного гальванического элемента:
Fe H 2 O, О 2 , NаCl Ni
2 Бромоводородная кислота создает кислую среду. Как говорилось ранее, железо будет играть роль анода, а никель – роль катода. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нём будет протекать процесс восстановления ионов водорода, образующихся при диссоциации бромоводородной кислоты.
Электродные процессы:
А) Fe 0 – 2ē → Fe 2+ – процесс окисления;
K) 2Н + +2е → Н 2 – процесс восстановления.
Образующиеся при окислении железа, его ионы будут взаимодействовать с образующимися при диссоциации кислоты ионами брома:
Fe 2+ + 2Br – → FeBr 2 – продукт коррозии.
Схема работы данного гальванического элемента:
Следует отметить, что во всех схемах, касающихся работы гальванического элемента и процессов коррозии, нижняя стрелка всегда идет к ионам (молекулам), выполняющим роль деполяризатора, т. е. принимающим электроны и восстанавливающимся на катоде.
3.2.3 В чем сущность протекторной защиты металлов? Приведите пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем щелочь. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
Метод протектора (анодная электрохимическая защита) осуществляется присоединением к защищаемому металлу большого листа (старого металлического изделия), изготовленного из более активного металла с меньшей величиной электродного потенциала. В качестве протектора обычно используют цинк или сплавы на основе магния.
Рассмотрим в качестве примера протекторную защиту железа, соединенного с цинковой пластиной. При хорошем контакте между металлами защищаемый металл (железо) и металл протектора (цинк) оказывают друг на друга поляризующее действие. Согласно взаимному положению этих металлов в ряду СЭП (цинк имеет меньшую величину электродного потенциала, чем железо), железо поляризуется катодно, а цинк – анодно.
В результате этого на железе идет процесс восстановления кислорода, присутствующего в электролите (кислородная деполяризация так же характерна и для щелочной среды), а цинк окисляется и разрушается.
Электронные уравнения анодного и катодного процессов:
А) Zn 0 – 2е → Zn 2+ – процесс окисления;
K) 2Н 2 О + О 2 + 4е → 4ОН – – процесс восстановления;
Zn 2+ + 2ОН – → Zn(ОН) 2 .
Если бы на месте цинка был какой-либо металл, не проявляющий амфотерных свойств, то на этом процесс коррозии и остановился бы, т. е. гидроксид металла можно было бы считать продуктом коррозии. Но поскольку цинк может быть отнесен к металлам, проявляющим амфотерные свойства, то его гидроксид растворяется в щелочах (NaOH, KOH и т. д.) с образованием комплексных соединений:
2NaOH + Zn(OH) 2 → Na 2 – продукт коррозии.
Следовательно, в щелочной среде нецелесообразно использовать в качестве протектора металл, проявляющий амфотерные свойства.
Схема работы данного гальванического элемента:
Zn Н 2 О, О 2 , NaOH Fe
Контрольные вопросы и задачи
1 Рассчитайте электродный потенциал алюминиевого электрода, опущенного в 0,001м раствор соли Cr 2 (SO 4) 4 .
2 Из каких солей металл может быть вытеснен и Zn и Ni ? Только Zn ?
a) FeCl 2 ; б) Al 2 (SO 4) 3 ; в) CuBr 2 .
Запишите уравнения происходящих процессов.
3 При какой концентрации ионов Sn 2+ в растворе потенциал оловянного электрода станет равным стандартному электродному потенциалу водородного электрода?
4 Что является окислителем и восстановителем в гальваническом элементе, составленном оловом и серебром, которые погружены в нормальные растворы их солей? Составьте схему соответствующего гальванического элемента.
5 Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является анодом, а в другом – катодом. Запишите уравнения электродных процессов и суммарные уравнения реакций.
6 Составьте схему, запишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из магниевых электродов, опущенных: первый в 0,001Н, второй в 0,01Н растворы MgSO 4 .
7 ЭДС гальванического элемента, образованного никелем, погруженным в раствор его соли с = 0,0001 моль/л, и серебром, погруженным в раствор его соли, равна 1,108 В. Определить концентрацию ионов Ag + в растворе его соли.
8 Изменится ли ЭДС гальванических элементов при уменьшении концентрации растворов солей в 10 раз?
а) Cu ô Cu 2+ ôô Zn 2+ ô Zn;
б) Ag ô Ag + ôô Zn 2+ ô Zn.
Ответ подтвердить расчетами.
9 В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи следующих гальванических элементов:
а) Cu|Cu 2+ и Ni|Ni 2+
б) Zn|Zn(NO 3) 2 и Ag|AgNO 3
в) Al|Al 3+ и Mg|Mg 2+
10 Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытий? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
11 Какое покрытие металла называется анодным и какое - катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытия марганца. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии марганца при нарушении анодного и катодного покрытий во влажном воздухе и в растворе серной кислоты.
12 Если опустить в соляную кислоту пластинку из чистого кадмия, то выделение на ней водорода идет медленно и со временем почти прекращается. Однако если хромовой палочкой прикоснутся к кадмиевой пластинке, то на последней начинается бурное выделение водорода. Почему? Какой металл при этом растворяется? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
Список литературы:
1 Ахметов, Н. С. Общая и неорганическая химия /Н. С. Ахметов. – М.: Высш. шк., 1981.
2 Глинка, Н.Л. Общая химия /Н. Л. Глинка – М.: Интеграл-Пресс, 2006.
3 Глинка, Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии /Н. Л. Глинка – М.: Интеграл-Пресс, 2006.
4 Коровин, Н.В. Общая химия /Н. В. Коровин – М.: Высш. шк., 2002.
Похожая информация.
3.1.1 Рассчитайте электродный потенциал Bi в 0,01 м растворе его соли.
Значение электродного потенциала рассчитаем на основании уравнения Нернста:
Значение стандартного электродного потенциала (Е 0) висмута возьмем из ряда СЭП (+0,21 В), n – количество электронов, участвующих в процессе, равно заряду иона висмута («3+»), концентрация ионов металла указана в условии задачи – 0,01 моль/л. Подставляем данные в формулу и производим расчет:
.
3.1.2 Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных: первый в 0,01 Н, а второй в 0,1 Н растворы AgNO 3 .
Гальванический элемент, составленный из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, различающихся только концентрацией, называется концентрационным. При этом электрод, помещенный в более разбавленный раствор (с меньшей концентрацией ионов в растворе), играет роль анода, а электрод в более концентрированном растворе (с большей концентрацией ионов металла в растворе) – роль катода.
Ag AgNO 3 (0,01 н) AgNO 3 (0,1 н) Ag
Электродные процессы:
А) Ag 0 – 1ē = Ag + – процесс окисления;
K) Ag + + 1ē = Ag 0 – процесс восстановления.
Величина электродного потенциала отдельно взятого электрода рассчитывается по уравнению Нернста. Значение электродного потенциала серебра возьмем из ряда СЭП (+0, 8 В), количество электронов, участвующих в процессе, равно заряду иона серебра («+1»).
На уравнения Нернста найдем электродные потенциалы металла анода и катода.
l g 0,1 = 0,741 В; |
||
l g 0,01 = 0,682 В. |
||
ЭДС гальванического элемента рассчитаем по формуле
ЭДС = Е К – Е А = 0,741 – 0,682 = 0,059 В.
3.2.1 Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары магний-никель. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?
Поскольку магний имеет меньшую величину электродного потенциала (–2,37 В), чем никель (– 0,25 В), то он будет играть роль анода, а никель – роль катода. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нем будет протекать процесс восстановления молекул кислорода, присутствующего в нейтральной среде (кислородная деполяризация), или ионов водорода, присутствующего в кислой среде (водородная деполяризация).
Электродные процессы, протекающие в нейтральной среде:
K) 2Н 2 О + О 2 + 4ē → 4ОН – – процесс восстановления.
Образующиеся ионы магния связываются с гидроксид-ионами, с образованием гидроксида магния:
Mg 2+ + 2ОН – → Mg(ОН) 2 – продукт коррозии в нейтральной среде.
Схема работы данного гальванического элемента:
Mg H 2 O, О 2 Ni
Электродные процессы, протекающие в кислой среде:
А) Mg 0 – 2ē → Mg 2+ – процесс окисления;
K) 2Н + + 2ē → Н 2 – процесс восстановления.
Поскольку не указана кислота, в которую погружена гальванопара магний – никель, то будем считать, что продуктом коррозии в кислой среде является соль мания (Mg 2+).
Схема работы данного гальванического элемента:
3.2.2 Каким покрытием по отношению к железу является никель? Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если покрытие нарушено? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, протекающих в растворе хлорида натрия и в растворе бромоводородной кислоты. Каков состав продуктов коррозии?
1) Раствор хлорида натрия имеет нейтральную реакцию среды. Функция NaCl заключается в ускорении процесса коррозии.
Поскольку железо имеет меньшую величину электродного потенциала (– 0,44 В), чем никель (– 0,25 В), то оно будет играть роль анода, а никель – роль катода. Следовательно, покрытие никелем будет являться катодным по отношению к железу.
При нарушении никелевого покрытия на железе самопроизвольно возникает гальванический элемент. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нем будет протекать процесс восстановления молекул кислорода, присутствующего в нейтральной среде (кислородная деполяризация).
Электродные процессы:
K) 2Н 2 О + О 2 + 4ē → 4ОН – – процесс восстановления;
Fe 2+ + 2ОН – → Fe(ОН) 2 .
Гидроксид железа Fe(ОН) 2 является неустойчивым соединением, поэтому в нейтральной среде протекает процесс его доокисления:
4Fe(ОН) 2 + 2Н 2 О + О 2 → 4Fe(ОН) 3 .
Fe(ОН) 3 → FeООН + Н 2 О;
2FeООН → Fe 2 О 3 + Н 2 О.
Состав продуктов коррозии будет следующим:
Fe(ОН) 2 , Fe(ОН) 3 , FeООН, Fe 2 О 3 .
Схема работы данного гальванического элемента:
Fe H 2 O, О 2 , NаCl Ni
2) Бромоводородная кислота создает кислую среду. Как говорилось ранее, железо будет играть роль анода, а никель – роль катода. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нём будет протекать процесс восстановления ионов водорода, образующихся при диссоциации бромоводородной кислоты.
Электродные процессы:
А) Fe 0 – 2ē → Fe 2+ – процесс окисления;
K) 2Н + +2е → Н 2 – процесс восстановления.
Образующиеся при окислении железа, его ионы будут взаимодействовать с образующимися при диссоциации кислоты ионами брома:
Fe 2+ + 2Br – → FeBr 2 – продукт коррозии.
Схема работы данного гальванического элемента:
Следует отметить, что во всех схемах, касающихся работы гальванического элемента и процессов коррозии, нижняя стрелка всегда идет к ионам (молекулам), выполняющим роль деполяризатора, т. е. принимающим электроны и восстанавливающимся на катоде.