електрохімічні процеси
Лабораторна робота № 6
«Хімічні властивості МЕТАЛІВ»
Електрохімічні процеси, як і окислювально-відновні реакції (ОВР), пов'язані зі зміною ступеня окислення речовин, що беруть участь в реакції. Основна відмінність ОВР від електрохімічних процесів полягає в тому, що процеси відновлення і окислення просторово розділені і перенесення електронів може бути зафіксований як деякий струм (в гальванічному елементі, при корозії) або, навпаки, електрохімічний процес може відбуватися за рахунок зовнішнього джерела струму (електроліз) .
У будь-якому випадку для протікання електрохімічної реакції необхідна електрохімічна ланцюг. істотними компонентами якої є електроди і електроліт (водний або неводний).
Під електродами зазвичай розуміють або власне якийсь провідник або систему, що складається з провідника, зануреного в розчин електроліту. При контакті металевого провідника з розчином електроліту на його поверхні виникає якийсь заряд, за рахунок перенесення електронів, що призводить до виникнення різниці електростатичних потенціалів між електродом і знаходяться з ним в контакті електролітом. Ця різниця називається електродним потенціалом.
Абсолютну величину електродного потенціалу окремого електрода виміряти неможливо, тому вимірюють завжди різниця потенціалів досліджуваного електрода і деякого стандартного електрода порівняння, тобто складають електрохімічний ланцюг. Як електроди порівняння для водних середовищ використовують хлорсрібний або оборотний водневий електрод порівняння. Останній являє собою платинованим (електрохімічним способом обложену на платинову пластину) платину, занурену в розчин кислоти (сірчаної, соляної) з активністю іонів водню дорівнює 1, через який продувають водень при тиску 101кПа. В системі встановлюється рівновага:
Потенціал цієї рівноваги в зазначених умовах прийнятий рівним нулю при будь-яких температурах.
Табличні значення стандартних електродних потенціалів (E o) наведені щодо оборотного водневого електрода. Ці значення нормовані на один електрон і їх відносять до процесу відновлення:
У практичних роботах в якості електрода порівняння частіше, ніж водневий, використовують хлорсеребряного електрод. Хлорсеребряного електрод являє собою срібну дріт, електролітично покриту AgCl, вміщену в насичений розчин KCl.
Стандартні електродні потенціали металів і водню, розташовані в порядку їх зростання, складають ряд стандартних електродних потенціалів металів, або електрохімічний ряд напруг металів. Ряд електроднихпотенціалів дає корисні знання:
1.Металли, що мають значення електродного потенціалу менше, ніж у водню, можуть розчинятися з виділенням водню в кислотах, аніони яких не є окислювачами.
2.Металли, які мають більший, ніж у водню, значення стандартного електродного потенціалу можуть зустрічатися в природі в самородному вигляді.
3.Металли, мають менше значення електродного потенціаламогут витісняти метали з великим значенням електродного потенціалу з розчинів їх солей.
4.Металли, мають електродний потенціал менше, ніж потенціал реакції
в стандартних умовах можуть розчинятися у воді з виділенням водню.
Під гальванічним елементом розуміють поодинокі осередки хімічних джерел струму, призначених для одноразового електричного розряду. Гальванічний елемент являє собою два електроди різної природи і електроліт. Максимальна різниця потенціалів цих електродів під час відсутності електричного струму називаетсяелектродвіжущей силою (е.р.с.) гальванічного елемента. Е.р.с. може бути розрахована як різниця рівноважних потенціалів цих електродів.
Для гальванічного елемента, складеного з залізного і мідного електродів е.р.с. буде дорівнює:
Fe 2+ + 2e = Fe E o = -0,44
Cu 2+ + 2e = Cu E o = + 0,34
е.р.с. = + 0,34 - (-0,44) = 0,77В,
Залежність електродного потенціалу від концентрацій дає рівняння Нернста.
Електроліз - сукупність електрохімічних окислювально-відновних реакцій, що проходять при проходженні електричного струму через електроліт, з зануреними в нього електродами.
При електролізі розчинів потрібно враховувати можливість розряду на електродах нейтральних молекул розчинника - води:
Можливість протікання електродної реакції розряду іонів металу або молекул води визначається значенням електродного потенціалу. Якщо електродний потенціал реакції розряду металу:
Ме n + + ne = Me (5.1)
має позитивне значення, то в стандартних умовах на катоді буде виділятися метал. Якщо Е про реакцію (5.1) менше, ніж потенціал реакції розряду води (-0,83В), то на катоді виділяється тільки водень. В інших випадках паралельно протікають обидва процеси.
Наприклад, при електролізі розчину CuSO4:
на катоді виділяється мідь. На аноді виділяється кисень, а в розчині накопичується кислота.
Корозією називається процес мимовільного руйнування металів під впливом зовнішнього середовища. Корозія - окислювально-відновна реакція, що супроводжується переходом металу в іонну стан.
Руйнування металу при зіткненні з електролітом з виникненням в системі електричного струму називається електрохімічної корозією.
В атмосферних умовах роль електроліту грає водяна плівка на металевій поверхні, в якій розчинені електропровідні домішки. Електродами є сам метал і містяться в ньому домішки. В такому гальванічному елементі домішки, що мають більше значення електродного потенціалу відіграють роль катода, а сам метал є анодом. На катоді зазвичай виділяється водень з молекул або іонів середовища, а анод розчиняється, тобто піддається корозії. Наприклад, при контакті заліза з міддю в розчині соляної кислоти утворюється гальванічний елемент:
Fe | Fe 2+. HCl, Cu 2+ | Cu +
На аноді Fe -2e = Fe 2+,
На катоді (Cu) 2H + + 2e = H2
Сумарна реакція Fe + 2H + = H2 + Fe 2+,
Якщо реакція проходить в атмосферних умовах у воді, процес ускладнюється іншим процесом, пов'язаним з розчиненим в електроліті киснем, який на катоді може брати участь в реакції, що іменується кисневої деполяризації катода:
В цьому випадку іони заліза з'єднуються з перейшли в розчин іонами OH - і окислюються киснем повітря,
Останній частково отщепляет воду
Отриману речовину приблизно відповідає складу бурої іржі.
За характером захисної дії проти електрохімічної корозії розрізняють анодні і катодні покриття. До анодним відносять такі покриття, в яких покриває метал має більш негативним потенціалом, ніж захищається (оцинковане залізо). До катодних відносяться покриття металом з великим значенням електродного потенціалу (лудіння, тобто покрите оловом залізо). Поки шар, що покриває основний метал, повністю ізолює його від впливу навколишнього середовища, принципової різниці між цими видами покритий немає. При порушенні цілісності покриття створюються абсолютно різні умови. Катодне покриття перестає захищати і підсилює своєю присутністю корозію. Анодне покриття буде саме піддаватися руйнуванню, продовжуючи захищати основний метал.
Для захисту металів від корозії часто хімічним або електрохімічним шляхом формують на його поверхні захисну оксидну плівку. Для алюмінію використовують електрохімічний спосіб: анодування. Для заліза, застосовують, наприклад, кип'ятіння в розчині солей фосфорної кислоти або в азотній кислоті.
- Що таке електродний потенціал, електродний потенціал, е.р.с. Як залежить електродний потенціал від концентрації, температури?
- Що таке гальванічний елемент?
- Що таке електроліз?
- Які типи електродів для електролізу ви знаєте. Наведіть приклади.
- Що таке корозія? Які типи корозії ви знаєте?
- Які способи захисту від корозії ви знаєте? Наведіть приклади.