Основы электрохимии.

Цель работы - овладеть методикой измерения ЭДС и напряжения галь­ванических элементов; изучение условий возникновения коррозионных микроэлементов.

Введение.

Электрохимия изучает   окислительно-восстановительные   процессы, сопровождающие  возникновение  электрического тока,  либо происходящие под действием постоянного электрического тока.

Если погрузить металл в раствор его соли или, воду, то ионы метал­ла из поверхностного слоя взаимодействуют о полярными молекулами воды и переходят в гидратированном виде в раствор. Устанавливается равнове­сие:

Между металлом и раствором возникает разность потенциалов,- кото­рую называют электродным потенциалом металла - . Для характе­ристики значения  электродного - потенциала используются относительные величины, измененные по отношению к стандартному электроду (водородно­му), потенциал которого условно принимают за 0.

По возрастанию величины стандартного электродного потенциала ме­таллы и водород расположены в ряд напряжений (ряд активностей),  кото­рый характеризует химическую активность металлов и их ионов. Чем мень­ше величина электродного потенциала, тем легче его атомы отдают элект­роны, т.е. проявляют большую восстановительную активность и тем труд­нее его ионы присоединяют электроны,  т.е.  проявляют меньшую окислительную активность.

Восстановительные свойства металлов  и окислительные свойства их ионов изменяются следующим образом: увеличение восстановительной способности металлов:

(увеличение окислительной способности ионов)

Металлы с более отрицательными потенциалами (более сильные  восстановители) вытесняют металлы с более положительными потенциалами из растворов их солей.

Чем дальше расположен металл в ряду напряжении, тем более сильными окислителями являются его ионы, тем легче их восстановить.

Гальваническим элементом называется любое устройство, дающее возможность получить электрический ток за счет проведения окислительно-восстановительной химической реакции. Гальванический элемент состоит из двух электродов, соединенных внешней и внутренней цепью.

При работе гальванического элемента роль анода выполняет обычно расположенный в ряду напряжений левее катода - металл, расположенный правее.

Если в гальваническом элементе протекает суммарная электродная реакция:

то ЭДС (ЕЭ) этого элемента описывается уравнением:

 - стандартны ЭДС; , , ,  - активности реагирующих веществ и продуктов реакции. Например, для реакции:

Рассмотрим цинково-никелевый гальванический элемент, анодом является , катодом . Схематически гальванические элементы записываются следующим образом:

Более активный электрод указывается слева; граница между электродом и раствором обозначается одной вертикальной чертой, а между растворами – двумя.

В рассматриваемом гальваническом элементе на электродах протекают следующие реакции;

 (окисление)

 (восстановление)

Стандартную ЭДС гальванического элемента, можно рассчитать по  из­вестным значениям стандартной энергии Гиббса реакции:

где n - заряд иона металла, F - число Фарадея, равное 35500 Кл; либо по разности стандартных равновесных потенциалов электродов.

Потенциалы металлических электродов.

При погружении металла в раствор собственных ионов устанавливает­ся равновесие:

При равновесии скорость растворения металла равна скорости разря­да его ионов. Потенциал, устанавливающийся на электроде при равнове­сии, называется равновесным потенциалом электрода. Для измерения его нужен гальванический элемент. Пусть такой гальванический элемент сос­тоит из водородного электрода  и металла :

Токообразующей в этом элементе будет реакция:

ЭДС такого элемента в соответствии о уравнением (1.1) равна:

ЭДС измеренного элемента равна потенциалу электрода по водородной шкале , так как по условию , и .

где  активность ионов металла.

Уравнение (1.4) называется уравнением Нерста по имени ученого, его предложившего.

Переходя м натуральных логарифмов к десятичным, получаем:

Подставляя в уравнение Т=298° и соответствующие значения R и F,приходим к выражению:

Для разбавленных растворов, где активности мало отличаются от концентраций (а ´ с), уравнение (1.6) имеет вид:

Величина  - называется стандартным потенциалом металлического электрода, в растворе собственных солей ионов с  активностью последних, равной 1.

Коррозия металлов.

Коррозией называется окислительно-восстановительный процесс самопроизвольного разрушения металлов, происходящий вследствие физи­ческого взаимодействия их с окружающей средой. По механизму действия коррозию подразделяют на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия - разрушение металлов в результате прохождения химической реакции. Электрохимическая коррозия - разрушение металла в результате работы микрогальванических пар.

Неоднородность (гетерогенность) состава, поверхности металла или окружающей его среды приводит к возникновению  в металле участков с различными электродными потенциалами, образуется многоэлектродный гальванический элемент.

Участок с меньшей величиной электродного потенциала будет анодом, на нем происходит процесс окисления, т.е. отдача электронов и разрушение (коррозия) металлов:

Участок с большей величиной электродного потенциала будет като­дом, на нем происходит процесс восстановления, т.е. присоединение - электронов (коррозии не подвергается).

Так, в нейтральной среде:

В кислой среде:

Чтобы предохранить металлы от разрушения применяются различные способы защиты: катодная защита - защищаемый металл подключают к отри­цательному полюсу внешнего источника тока, протекторная защита, анод­ные покрытия.

Сущность протекторной защиты состоит в том, что к защищаемому ме­таллу присоединяют другой металл (протектор) с меньшей величиной электродного потенциала. Например, железо соединяют с цинком.

В образующейся гальванической паре защищаемый металл (железо) является катодом и не будет подвергаться коррозии.

Для защиты от коррозии используется покрытие из пленки металла, нанесенное на поверхность защищаемого металла. Для покрытия выбирается металл практически не коррозирующий в тех же условиях (, , , ,  и др.). Если покрытие изготовлено из металла, имеющего меньшее значение электродного потенциала, чем защищаемый металл, то такое покрытие называется анодным. При нарушении целостности такого покрытия об­разуется гальванопара, в которой анодом является металл покрытия, и он будет разрушаться, предохраняя основной металл. Например:

А:  - окисление.

К:  - восстановление.

Катодным называется покрытие из металла с большим электродным по­тенциалом, защищаемый металл. При нарушении целостности такого покры­тия образуется гальванопара, в которой металл покрытия является като­дом, а анодом - основной металл. Например:

А:  - окисление.

К:  - восстановление.

Железо разрушается.

Экспериментальная часть.

    Смотрите также

    Зависимость типа и размера мицелл от концентрации ПАВ
    ...

    Дибензальацетон
    ...

    Химические элементы - токсиканты атмосферы и воды
         Развитие промышленности неразрывно связано с расширением круга используемых химических веществ. Увеличение объемов применяемых пестицидов, удобрений и других химикатов - характерная ...