Методические указания к самостоятельной работе по общей химии для студентов Iкурса всех специальностей, изучающих химию
| Вид материала | Методические указания |
| Задания для самоподготовки Таблица 3Варианты задания 3 Таблица 4 Варианты задания 4 Коррозия металлов Катодное покрытие Анодное покрытие Примеры решения задач Таблица 5 Варианты задания 5 |
- Д. И. Менделеева прогнозирование свойств элементов и их соединений методические указания, 611.18kb.
- Методические указания по подготовке к семинарским занятиям для студентов дневной формы, 1587.03kb.
- Методические указания по выполнению самостоятельной работы по английскому языку для, 491.03kb.
- Б. И. Джинджолия восточная философия XIX-XX веков, 544.15kb.
- Методические указания по подготовке к семинарским занятиям для студентов дневной формы, 803.64kb.
- Методические указания по подготовке к семинарским занятиям для студентов вечерней формы, 733.5kb.
- Методические указания для студентов Санкт-Петербург 2012, 391.72kb.
- Методические указания к лабораторной работе по органической химии для студентов специальностей, 227.51kb.
- Методические указания Санкт-Петербург 2009 удк 947, 1006.45kb.
- Методические указания и контрольные задания к внеаудиторной самостоятельной работе, 500.1kb.
Задания для самоподготовки
Задание 3
Для гальванического элемента, заданного в виде схемы (табл. 3):
- Определите, какой электрод является анодом, а какой – катодом.
- Напишите уравнения электродных процессов.
- Составьте уравнение токообразующей реакции.
- Укажите направление движения электронов во внешней цепи.
Таблица 3
Варианты задания 3
| № п/п | Схема гальванического элемента | № п/п | Схема гальванического элемента |
| 1 | Сr| Cr3+ || Co2+ |Co | 16 | Mg | Mg2+ || Mn2+ | Mn |
| 2 | Al | Al3+ || Zn2+ | Zn | 17 | Ni | H+ | Sn |
| 3 | Bi | Bi3+ || Fe2+ | Fe | 18 | Ti | Ti2+ || Cr3+ | Cr |
| 4 | Cu | Cu2+ || Ni2+ | Ni | 19 | V | V2+ || Co2+ Co |
| 5 | Mg | Mg2+ || Zn2+ | Zn | 20 | Cu | H+ | Fe |
| 6 | Fe | H+ | Co | 21 | Cd | Cd2+ || Ni2+ | Ni |
| 7 | Ag | Ag+ Cd2+ | Cd | 22 | Mn | Mn2+ || Hg2+ | Hg |
| 8 | Ni | Ni2+ || Pb2+ | Pb | 23 | Ag | H+ | Zn |
| 9 | Cd | Н+| Mn | 24 | Fe | Fe2+ || Cr 3+ | Cr |
| 10 | Zn | Zn2+ || Ag+ | Ag | 25 | Сu | Cu2+ || Cd2+ | Cd |
| 11 | Pb | Pb2+ || Сr3+ | Cr | 26 | Hg | Hg 2+ || Ni2+ | Ni |
| 12 | Sn | Sn2+ || Ti2+ | Ti | 27 | Fe | Fe 2+ || Pb 2+ | Pb |
| 13 | Co | Co2+ || Bi3+ | Bi | 28 | Mg | Mg2+ || Ag + | Ag |
| 14 | Fe | Fe 3+ || Zn2+ | Zn | 29 | Hg | H+ | Pb |
| 15 | Al | H+ | Fe | 30 | Pb | H+ | Zn |
Задание 4
Гальванический элемент состоит из металлов Ме(1) и Ме(2) (табл. 4.), погруженных в растворы солей этих же металлов соль(1) и соль(2) с молярной концентрацией С(1) и С(2) соответственно.
- Составьте схему гальванического элемента.
- Вычислите значения равновесных потенциалов электродов.
- Укажите анод и катод.
- Вычислите значение ЭДС.
- Напишите уравнения электродных процессов.
- Составьте уравнение реакции, лежащей в основе работы гальванического элемента и укажите направление ее самопроизвольного протекания.
Таблица 4
Варианты задания 4
| № п/п | Ме(1) | Ме(2) | Соль(1) | Соль(2) | С(1),моль/л | С(2), моль/л |
| 1 | Pb | Zn | Pb(NO3)2 | Zn(NO3)2 | 0,1 | 0,1 |
| 2 | Zn | Fe | ZnSO4 | FeSO4 | 1 | 0,1 |
| 3 | Cu | Al | CuCl2 | AlCl3 | 0,01 | 0,1 |
| 4 | Al | Zn | AlCl3 | ZnCl2 | 0,1 | 0,01 |
| 5 | Zn | Fe | ZnSO4 | FeSO4 | 0,1 | 1 |
| 6 | Fe | Ag | Fe(NO3)2 | AgNO3 | 1 | 0,1 |
| 7 | Cr | Zn | CrCl2 | ZnCl2 | 0,01 | 0,1 |
| 8 | Ni | Cu | NiSO4 | CuSO4 | 0,1 | 0,01 |
| 9 | Co | Ni | CoSO4 | NiSO4 | 1 | 0,1 |
| 10 | Cu | Sn | CuCl2 | SnCl2 | 0,1 | 0,1 |
| 11 | Hg | Ag | Hg(NO3)2 | AgNO3 | 0,1 | 0,01 |
| 12 | Cu | Ag | Cu(NO3)2 | AgNO3 | 0,1 | 1 |
| 13 | Mg | Sn | MgCl2 | SnCl2 | 0,1 | 0,01 |
| 14 | Hg | Mg | Hg(NO3)2 | Mg(NO3)2 | 1 | 0,01 |
| 15 | Pb | Fe | Pb(NO3)2 | Fe(NO3)2 | 0,1 | 1 |
| 16 | Cr | Cu | CrSO4 | CuSO4 | 0,01 | 0,1 |
| 17 | Fe | Mg | Fe(NO3)2 | Mg(NO3)2 | 1 | 0,1 |
| 18 | Ag | Fe | AgNO3 | Fe(NO3)2 | 0,1 | 1 |
| 19 | Cr | Al | Cr2(SO4)3 | Al2(SO4)3 | 0,1 | 0,01 |
| 20 | Al | Co | AlCl3 | CoCl2 | 0,1 | 0,1 |
| 21 | Co | Cu | CuCl2 | CoCl2 | 1 | 0,01 |
| 22 | Cu | Sn | CuSO4 | SnSO4 | 0,1 | 0,01 |
| 23 | Hg | Pb | Hg(NO3)2 | Pb(NO3)2 | 0,01 | 0,1 |
| 24 | Cr | Fe | CrCl3 | FeCl3 | 0,1 | 0,01 |
| 25 | Cu | Pb | Cu(NO3)2 | Pb(NO3)2 | 0,1 | 0,01 |
| 26 | Fe | Zn | FeCl2 | ZnCl2 | 0,1 | 1 |
| 27 | Zn | Ag | Zn(NO3)2 | AgNO3 | 1 | 0,1 |
| 28 | Cu | Ni | CuSO4 | NiSO4 | 0,1 | 0,01 |
| 29 | Ni | Al | Ni(NO3)2 | Al(NO3)3 | 1 | 0,01 |
| 30 | Fe | Cu | FeCl3 | CuCl2 | 1 | 0,1 |
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
Коррозия металлов – это процесс самопроизвольного разрушения металлов под действием окружающей среды. Различают химическую коррозию – разрушение металлической поверхности под действием сухих газов или жидких неэлектролитов и электрохимическую коррозию – разрушение металла под действием электролита внешней среды, сопровождающееся возникновением слабого электрического тока. В основе электрохимической коррозии лежит принцип работы непрерывно работающего гальванического элемента.
При соприкосновении двух металлов различной активности или при контакте примесей в составе сплава в среде электролита образуется гальванический элемент, развивается окислительно-восстановительный процесс, протекающий в направлении растворения более активного металла.
Анодом коррозионного гальванического элемента всегда является более активный металл (с меньшей алгебраической величиной стандартного электродного потенциала), катодом – менее активный металл (или любой электронный проводник) с большей алгебраической величиной электродного потенциала по сравнению с металлом анода. Металл анода всегда подвергается окислению (растворению), тогда как на катоде возможны два основных восстановительных процесса:
а) восстановление ионов водорода (коррозия в кислой среде): 2H+ + 2ē = Н2;
б) восстановление кислорода в присутствии воды (коррозия в нейтральной и щелочной средах): O2 + 4ē + H2O = 4OH.
Ионы или молекулы, которые восстанавливаются на катоде, называют деполяризаторами. Таким образом, в зависимости от среды электролита коррозионный процесс протекает с водородной или кислородной деполяризацией.
В нейтральной среде возможен процесс восстановления водорода из молекул воды без участия кислорода: 2H2O + 2ē = H2 + 2OH. Однако практически вследствие образования на металлической поверхности оксидных пленок, обладающих защитным действием, эта способность проявляется только у щелочных и щелочно-земельных металлов.
К наиболее распространенным методам защиты металлов от коррозии относятся легирование сталей и сплавов, использование защитных покрытий (неметаллических и металлических), ингибиторов коррозии, электрохимическая защита (протекторная и катодная).
Металлические защитные покрытия подразделяют на катодные и анодные.
Катодное покрытие – это покрытие менее активным металлом, который будет являться катодом по отношению к защищаемому металлу. Поскольку при электрохимической коррозии окислению подвергается анод, при повреждении катодного покрытия защищаемый металл будет корродировать.
Анодное покрытие – это покрытие более активным металлом, который будет являться анодом по отношению к защищаемому и при коррозии будет разрушаться, предохраняя защищаемый металл.
Примеры решения задач
Пример 5
Как происходит коррозия технического цинка: а) во влажном воздухе; б) в растворе NaOH; в) в разбавленной серной кислоте ? Cоставьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Укажите состав продуктов коррозии и их возможное влияние на скорость коррозионного процесса.
Решение
Технический цинк содержит примеси, имеющие больший стандартный электродный потенциал, чем Е0 Zn2+/ Zn = 0,76 В. Это может быть, например, медь (E0Cu2+/ Cu = 0,33 B), железо (Е0 Fe2+/ Fe = 0,44 В) и другие менее активные, чем цинк, металлы, которые в целом назовем катодными примесями.
В среде электролита цинк и катодные примеси образуют коррозионные микрогальванические элементы:
а) во влажном воздухе схема образующегося гальванического элемента
() A Zn | O2, Н2О | примеси К (+).
Анодный процесс: Zn0 – 2ē = Zn2+ окисление.
Катодный процесс: O2 + 4ē + 2H2O = 4OH – восстановление (кислородная деполяризация в нейтральной среде).
Суммарное уравнение, полученное сложением электронных уравнений анодного и катодного процессов, имеет вид
2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn2+ + 4OH = 2Zn(OH)2.
Продуктом коррозии является гидроксид цинка, нерастворимый в воде и устойчивый в нейтральной среде. Образование такого продукта вызовет снижение скорости коррозии;
б) в растворе щелочи протекает коррозия с кислородной деполяризацией, так же, как и в нейтральной среде. Однако гидроксид цинка Zn(OH)2, обладающий амфотерными свойствами, вступит во вторичную реакцию с NaOH:
Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4].
Образование растворимой комплексной соли не будет препятствовать развитию коррозионного процесса;
в) в разбавленной серной кислоте цинк будет корродировать, являясь анодом гальванического элемента, со схемой
() А Zn | H2SO4 | примеси К (+).
Анодный процесс: Zn – 2ē = Zn2+ окисление;
Катодный процесс: 2H+ + 2ē = H20 восстановление (водородная деполяризация в кислой среде).
Суммарное уравнение: Zn + 2H+ = Zn2+ + H2 или в молекулярной форме
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 .
Продуктами коррозии являются соль, растворимая в воде, и водород. Образование таких продуктов не приведет к снижению скорости коррозии.
Пример 6
Как происходит коррозия оцинкованного железа в кислой среде при нарушении целостности покрытия? Какое это покрытие – анодное или катодное?
Решение
Так как потенциал цинка Е0Zn2+/ Zn = 0,76 В имеет меньшую алгебраическую величину, чем потенциал железа ЕоFе2+/ Fе = 0,44 В, то, контактируя в среде электролита, эти металлы будут выполнять функции электродов коррозионного гальванического элемента, где анодом является более активный цинк, а катодом – менее активное железо.
Цинк – анод – корродирует, окисляется; на катоде в кислой среде восстанавливаются ионы водорода из электролита. Электрохимическая коррозия протекает в гальваническом элементе со схемой:
() A Zn | H+ | Fе К (+).
Анодный процесс: Zn0 2ē = Zn2+ окисление.
Катодный процесс: 2H+ + 2ē = H20 восстановление.
Поскольку Zn активнее железа, то является анодным покрытием железа.
Задания для самоподготовки
Задание 5
Коррозионная пара состоит из двух металлов (табл. 5).
5.1. Определите, какой металл будет корродировать в заданной паре.
5.2. Определите реакцию коррозионной среды (кислая, нейтральная или щелочная) и тип деполяризации.
5.3. Составьте схему коррозионного гальванического элемента для случая контакта заданной пары металлов в заданной коррозионной среде.
5.4. Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов.
5.5. Укажите состав продуктов коррозии.
Таблица 5
Варианты задания 5
| № п/п | Металлы | Коррозионная среда | № п/п | Металлы | Коррозионная среда |
| 1 | Mn - Zn | Раствор ZnSO4 | 16 | Sn - Fе | Влажная атмосфера |
| 2 | Fe - Cu | Раствор HCl | 17 | Mn - Рb | Почвенная вода |
| 3 | Рb - Fе | Влажный воздух | 18 | Аl - Сr | Раствор NaOH |
| 4 | Cr - V | Раствор Н2SO4 | 19 | Mg - Zn | Вода, содержащая растворенный кислород |
| 5 | Аg - Мg | Раствор NaОН | 20 | Co - Fе | Раствор Н2SO4 |
| | | | | Окончание табл. 5 | |
| № п/п | Металлы | Коррозионная среда | № п/п | Металлы | Коррозионная среда |
| 7 | Cu - Al | Раствор KOH | 22 | Mn - Cr | Раствор СrСl3 |
| 8 | Hg - Fе | Водопроводная вода | 23 | Zr - Fе | Раствор HСl |
| 9 | Ni - Cr | Раствор НСl | 24 | Рb - Ni | Атмосфера, содержащая SO3 |
| 10 | Zn - Cd | Раствор СdСl2 | 25 | W - Fe | Влажная атмосфера |
| 11 | Fe - Mg | Раствор FeSO4 | 26 | Ni - Ag | Почвенная вода, pH 7 |
| 12 | Mg - Sn | Влажный воздух | 27 | Fе - Mo | Раствор HСl |
| 13 | Ni - Cu | Раствор Н2SO4 | 28 | Co - Mn | Раствор СoSO4 |
| 14 | Мg - Cd | Вода, содержащая растворенный кислород | 29 | Sn - Fе | Раствор Н2SO4 |
| 15 | Al - Рb | Раствор Рb(NO3)2 | 30 | Mg - Cr | Раствор Сr2(SO4)3 |