Образец выполнения ТР №4 (Электрохимические процессы) (2014), страница 2

K- : 2Н⁺ + 2e → Н₂

Fe²⁺ + 2e → Fe

A+ : Fe → Fe²⁺ + 2e .

6. Рассчитайте, сколько и каких веществ выделится на катоде, если электролиз проводить при заданной силе тока ( I ) в течение заданного времени (t) при известном выходе металла по току B_i, % .

Количество веществ (железо и водород), выделившихся на катоде, рассчитаем по закону Фарадея:

для массы вещества: m = ;

для объема газа: V = ,

где М_Э - молярная масса эквивалента вещества, г/моль;

V_Э - объем моля эквивалента газа, л/моль;

I - сила тока, А;

τ - время процесса, с;

F = 96500 Кл/моль-экв. - постоянная Фарадея.

Электролиз проводился при заданной силе тока I=12 А в течение времени

t =3 час=10800c ; выход металла по току B_i, =40% .

Запишем объем моля эквивалента водорода при нормальных условиях (Т=273 К, р _газ = 10⁵ Па) и массу моля эквивалента железа:

V⁰_{э, H2} = 11,2 л/моль, M_{э, Fe} = 27,9 г/моль.

тогда m _Fe = ^. B_{i Fe} = ^. 0,4 = 15 г;

V_H2 = ^. B_{i Н2} = ^. 0,6 = 9 л.

ЗАДАЧА 3. Электрохимическая коррозия.

1. Определите термодинамическую возможность электрохимической коррозии сплава при 298 К в среде с заданным значением pH при контакте с воздухом. Напишите уравнения анодного и катодного коррозионных процессов.

Электрохимическая коррозия термодинамически возможна при условии, если энергия Гиббса коррозионного гальванического элемента DG_КОР < 0;

или при сочетании равновесных потенциалов окислителя Е^р_Ox/Red и металла Е^р_Meⁿ⁺_/Me : Е^р_Meⁿ⁺_/Me < Е^р_Ox/Red .

Стандартные электродные потенциалы (см. табл. 4.1. приложения) металлов заданного сплава:

Е⁰_Cu²⁺_/Cu = + 0,337 B, Е⁰_Ni²⁺_/Ni = - 0,250 B,

так как Е⁰_Ni²⁺_/Ni < Е⁰_Cu²⁺_/Cu , то в образующейся гальванической паре анодом будет никель, а катодом – медь.

По уравнению Нернста определим равновесные потенциалы вероятных окислителей (Н⁺ и О₂) при заданном рН=2, температуре 298 К и относительном парциальном давлении кислорода в воздухе p_O2 = 0,21:

Е^р _Н⁺_/Н2 = - 0,059 ^.pH = -0,059 2 = - 0,118 В ,

E^р _{О2 / ОН}^- = 1,23 +0,0147^. lg p_O2 - 0,059 ^.pH =1,23 +0,0147^. lg 0,21-0,059^. 2=

= 1,1 В.

Так как Е⁰_Ni²⁺_/Ni < Е^р _Н⁺_/Н2 , E^р _{О2 / ОН}^- , то в данной среде термодинамически возможна коррозия никеля с кислородной и водородной деполяризацией:

А^- : Ni → Ni²⁺ + 2e

К⁺ : O₂ + 4H⁺ + 4e → 2H₂O

2H⁺ + 2e → H₂ .

2. Определите диапазон значений рН коррозионной среды, при которых возможна коррозия данного сплава с водородной деполяризацией.

Условием протекания коррозии данного сплава с водородной деполяризацией является сочетание: Е⁰_Ni²⁺_/Ni < Е^р _Н⁺_/Н2.

При 298 К:

- 0,25 < - 0,059 ^.pH , решаем неравенство и получаем: рН < 4,24.

Таким образом, коррозия данного сплава с водородной деполяризацией возможна при рН < 4,24.

3. Рассчитайте, сколько и какого металла прокорродировало, если в процессе коррозии сплава поглотилось V_O2 мл кислорода и выделилось V_Н2 мл водорода, условия считать нормальными.

Рассчитаем количество прокорродировавшего металла (Ni), если в процессе коррозии сплава поглотился кислород (V_O2 =112мл) и выделился водород (V_Н2 =112 мл) .

Определим количество моль-эквивалентов поглотившегося кислорода и выделившегося водорода (условия считаем нормальными, объемы молей эквивалентов кислорода и водорода V⁰э,_O2 = 5,6 л/моль, V⁰э, _Н2 = 11,2 л/моль):

n_э,O2 = V_O2 / V⁰ _э,O2 = 112/5,6 ^. 10³ = 2^.10^-2 моль-экв,

n_э,H2 = V_H2 / V⁰ _э,H2 = 112/11,2 ^. 10³ = 10^-2 моль-экв.

На катоде претерпело изменение n_э,К = n_э,O2 + n_э,Н2 = 3^.10^-2 моль-экв. вещества. По закону эквивалентов такое же количество вещества растворится на аноде: n_э,К= n_э,А=n_э,Ni = 3 ^.10^-2 моль-экв.

Масса прокорродировавшего никеля (с учетом молярной массы эквивалента никеля M_{э, Ni} = 29,35 г/моль):

m_Ni = n_э,Ni ^. M_э,Ni =3 ^.10^{-2 .} 29,35 = 0,88 г.

4. Предложите анодное и катодное покрытия для заданного сплава. Напишите уравнения коррозионных процессов при нарушении целостности покрытия.

В качестве катодного покрытия для сплава Cu-Ni можно использовать серебро, Е⁰_Ag⁺_/Ag = +0,799 B, (см. табл. 4.1. приложения).

Стандартные потенциалы: Е⁰_Ag⁺_/Ag > Е⁰_Ni²⁺_/Ni , Е⁰_Cu²⁺_/Cu .

При нарушении целостности катодного покрытия роль анода будет выполнять никель Ni, имеющий самый отрицательный равновесный потенциал:

А^- : Ni → Ni²⁺ + 2e

К⁺ : O₂ + 4H⁺ + 4e → 2H₂O

2H⁺ + 2e → H₂ .

В качестве анодного покрытия для сплава Cu-Ni можно использовать цинк, Е⁰_Zn²⁺_/Zn = - 0,763 B, (см. табл. 4.1. приложения).

Стандартные потенциалы: Е⁰_Zn²⁺_/Zn < Е⁰_Ni²⁺_/Ni , Е⁰_Cu²⁺_/Cu .

При нарушении целостности анодного покрытия роль анода будет выполнять цинк Zn, имеющий самый отрицательный равновесный потенциал. Так как Е⁰_Zn²⁺_/Zn < Е^р _Н⁺_/Н2 , E^р _{О2 / ОН}^- , возможна коррозия с кислородной и водородной деполяризацией:

А^- : Zn → Zn²⁺ + 2e

К⁺ : O₂ + 4H⁺ + 4e → 2H₂O

2H⁺ + 2e → H₂ .

5. Предложите материал протектора для данного сплава. Напишите уравнения коррозионных процессов при протекторной защите.

В качестве протектора для сплава Cu-Ni можно использовать магний, Е⁰_Mg²⁺_/Mg = - 2,363 B, (см. табл. 4.1. приложения).

Стандартные потенциалы: Е⁰_Mg²⁺_/Mg < Е⁰_Ni²⁺_/Ni , Е⁰_Cu²⁺_/Cu .

При протекторной защите роль анода будет выполнять протектор Mg, имеющий самый отрицательный равновесный потенциал.

Так как Е⁰_Mg²⁺_/Mg < Е^р _Н⁺_/Н2 , E^р _{О2 / ОН}^- , возможна коррозия протектора с кислородной и водородной деполяризацией:

А^- : Mg → Mg²⁺ + 2e

К⁺ : O₂ + 4H⁺ + 4e → 2H₂O

2H⁺ + 2e → H₂ .

При протекторной защите материал сплава не разрушается.

Приложения

Табл. 4.1. Стандартные потенциалы металлических и газовых электродов (Т=298 К)

Табл. 4.2. Термодинамические характеристики некоторых ионов в водных растворах.