Материал: Концентрация растворов

случае говорят о коррозии с кислородной деполяризацией. Катодный процесс имеет вид:

Катод: O2 + 2H2O + 4ē = 4OH–

При коррозии в кислой среде окислителями могут быть ионы водорода. Протекает коррозия с водородной деполяризацией:

Катод: 2H+ + 2ē = H2

В случае контакта двух металлов образуется коррозионный гальванический элемент. При этом скорость коррозии более активного металла (металла, имеющего меньшее значение потенциала) увеличивается. Скорость коррозии менее активного металла уменьшается. В первом приближении можно считать, что происходит коррозия только одного из этих металлов (более активного).

Схема образующегося при коррозии гальванического элемента имеет вид в нейтральной среде:

Ме(1) | H2O, O2 | Me(2);

в кислой среде (например, в HCl):

Ме(1) | HCl | Me(2).

Для защиты металлических изделий от коррозии используют различные способы:

1)защитные покрытия (лакокрасочные, химические и гальванические);

2)электрохимические методы защиты (протекторная защита, электрозащита);

3)изменение состава среды (введение ингибиторов);

4)легирование металлов.

4.4. Электролиз

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита.

При проведении электролиза, как правило, используют постоянный ток.

36

На электроде, подключенном к отрицательному полюсу источника тока, протекает процесс восстановления. То есть этот электрод является катодом.

На электроде, подключенном к положительному полюсу, протекает процесс окисления. Этот электрод является анодом.

Таким образом, полярность анода и катода в гальваническом элементе и при электролизе различна. Поэтому во избежание ошибки при определении функции электрода следует обращать внимание не на полярность электрода, а на характер протекающего на нем процесса.

Электролиз расплавов

Электролиз расплавов технически более сложен, чем электролиз растворов, встречается реже, но протекающие при этом процессы сравнительно простые.

При электролизе расплавов обычно используют инертные электроды. Эти электроды служат только для передачи электронов, а сами в окислительно-восстановительных процессах не участвуют. В качестве материала инертных электродов, используемых при электролизе расплавов, часто используют графит (С).

Таким образом, как в анодном, так и в катодном процессе участвуют только ионы расплавленного вещества.

Катод: K+ + ē = K0

Анод: 2Cl− -2ē = Cl2

В результате получаем:

Электролиз растворов

Окислительно-восстановительные процессы, протекающие при электролизе растворов, как правило, являются более сложными по сравнению с процессами, протекающими при электролизе расплавов. В них могут принимать участие не только ионы растворенного вещества, но также молекулы воды и металл электродов.

37

Катодный процесс

При электролизе водных растворов на катоде может происходить выделение либо металла, либо водорода, либо обоих этих веществ одновременно.

Вид катодного процесса определяется катионами растворенного вещества. Чем менее активным является металл, ионы которого присутствуют в растворе, то есть чем больше его потенциал, тем легче он выделяется на катоде.

Если в растворе присутствуют катионы малоактивных металлов и металлов средней активности (марганец и металлы, расположенные в ряду активности справа от него), то на катоде происходит восстановление ионов металла.

Катод: MeZ+ + Zē = Me0

Если в растворе присутствуют только катионы наиболее активных металлов, расположенных в ряду активности левее марганца, или ионы водорода, то на катоде происходит выделение водорода:

Катод: 2H+ + 2ē = H2 (в кислой среде)

или

Катод: 2Н2О + 2ē = H2 + 2OH− (в нейтральной и щелочной среде).

Анодный процесс

Вид анодного процесса в первую очередь определяется материа-

лом анода.

Инертные аноды, изготовленные из графита, платины, титана, служат только для подвода тока в зону электролиза. Материал инертных анодов в процессе окисления не участвует.

Аноды, изготовленные из других металлов, называются актив-

ными или растворимыми.

Если при электролизе использованы растворимые аноды, то в анодном процессе происходит окисление металла, из которого сделан анод. При этом металл анода в виде ионов переходит в раствор. Анод растворяется.

Анод: Me0 − zē = MeZ+.

38

При использовании инертных (нерастворимых) анодов (С, Pt, Ti) характер анодного процесса определяется видом анионов, присутствующих в растворе.

На нерастворимом аноде в первую очередь окисляются анионы, не содержащие кислорода (Cl−, Br−, I−, S2−):

Анод: 2Cl− − 2ē = Cl2

Если в растворе таких ионов нет, то на аноде происходит выделение кислорода:

Анод: 2H2O − 4ē = O2 + 4H+ (в нейтральной и кислой среде)

или

Анод: 4OH− − 4ē = O2 + 2H2O (в щелочной среде).

4.5. Примеры решения задач по теме «Электрохимия»

Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в котором анодом является никель. В качестве катода используйте любой подходящий металл. Напишите уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде этого элемента. Рассчитайте стандартное значение его ЭДС.

Решение:

Потенциал никеля Е0(Ni2+/Ni) = − 0,25 В (см. прил. 2).

В гальваническом элементе потенциал катода больше, чем потенциал анода. Значит, в качестве катода можно использовать любой

элемент, потенциал которого больше чем -0,25В. Например, серебро

(Е0 = +0,80В).

Схема гальванического элемента в этом случае будет иметь вид:

Ni| NiSO4||AgNO3|Ag

При составлении схемы можно использовать любые растворимые соли никеля и серебра.

Так как никель является анодом, а серебро – катодом, электродными процессами будут реакции окисления никеля и восстановления серебра:

Анод: Ni –2ē = Ni2+

Катод: Ag+ +ē = Ag

39

ЭДС гальванического элемента можно рассчитать как разность потенциалов катода и анода:

ЭДС = Е0(Ag+/Ag) – Е0(Ni2+/Ni) = 0,80 – (−0,25) = 1,05 В.

Пример 2. Схема гальванического элемента имеет вид:

Pb|Pb(NO3)2||Cu(NO3)2|Cu.

Напишите уравнения катодного и анодного процессов, протекающих при работе этого элемента. Рассчитайте стандартное значение его ЭДС.

Решение:

В прил. 2 находим стандартные значения потенциалов свинца и меди:

E0(Pb2+/Pb) = − 0,13 В,

E0(Cu2+/Cu) = +0,34 В.

Так как потенциал меди больше, чем потенциал свинца, в данном гальваническом элементе свинец будет анодом, а медь – катодом. Запишем уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде:

Анод: Pb –2ē = Pb2+

Катод: Cu2+ +2ē = Cu

ЭДС гальванического элемента можно рассчитать как разность потенциалов катода и анода:

ЭДС = Е0(Cu2+/Cu) – Е0(Pb2+/Pb) = 0,34 – (−0,13) = 0,47 В.

Пример 3. Составьте схему и рассчитайте ЭДС гальванического элемента с электродами из кадмия и никеля, если металлы погружены в 0,01М растворы соответствующих солей. Напишите уравнения электродных процессов, протекающих при работе этого элемента.

Решение:

При составлении схемы можно использовать любые растворимые соли кадмия и никеля, например сульфаты.

Cd| CdSO4 || NiSO4 |Ni

40