Работа 4. Основы электрохимии

Задание 1. Коррозия металлов и методы защиты от коррозии

Задание 1.1. Коррозия металлов в кислой среде

В стеклянную трубку, согнутую под углом, налейте разбавленный раствор соляной кислоты. В одно колено трубки введите полоску цинка. Наблюдается ли выделение водорода из соляной кислоты?

Введите в другое колено медную проволоку, не доводя ее до соприкосновения с цинком. Наблюдается ли выделение водорода на меди?

Продвиньте медную проволоку глубже, так, чтобы она контактировала с цинком. Как меняется интенсивность выделения водорода и на каком из металлов он выделяется? Отодвиньте медную проволоку от цинка и убедитесь, что интенсивность выделения водорода снова меняется.

Почему в соляной кислоте растворяется (корродирует) цинк, а медь не корродирует? Напишите уравнение реакции взаимодействия цинка с соляной кислотой. Какой металл корродирует после соприкосновения пластинок? Объясните выделение водорода на меди при контакте с цинком, учитывая, что цинк с медью образуют гальваническую пару. Запишите процессы, проходящие на электродах гальванопары Cu-Zn в кислой среде. Как влияет на коррозию контакт металла с менее активным металлом?

Задание 1.2. Коррозия при участии гальванических микроэлементов

(коррозия углеродистой стали)

В углеродистой стали кристаллы железа контактируют с зернами неметаллических включений – углерода, цементита Fe₃C и других карбидов. На поверхности такой стали при соприкосновении ее с водой или растворами электролитов возникает множество микроскопических гальванических элементов, в которых железо служит анодом: Fe½ H₂O½ ½ H₂O½ C (или Fe₃C).

В данном опыте электролитом является водный раствор поваренной соли NaC1. За счет высокой электропроводности раствора и активизирующего действия ионов хлора существенно возрастает скорость процесса коррозии.

В стакан с раствором хлорида натрия добавьте несколько капель гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] и поместите в него пластинку из углеродистой стали. Оставьте стакан в спокойном состоянии на некоторое время, стараясь не перемешивать раствор, и наблюдайте появление окрашенного слоя около пластинки.

Реактив K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль) дает характерную реакцию с ионами Fe²⁺, образуя соединение синего цвета Fe₃[Fe(CN)₆]₂, называемое «турнбулевой синью».

Запишите процессы, протекающие при гальванокоррозии углеродистой стали.

Задание 1.3. Протекторная защита от коррозии

В стакан с раствором хлорида натрия добавьте 1-2 капли фенолфталеина и опустите железную и цинковую пластинки, которые имеют плотный контакт друг с другом. Оставьте стакан в спокойном состоянии, стараясь не перемешивать раствор, и наблюдайте появление окрашенного слоя около одной из пластин.

Приведите схему гальванопары. Какой металл растворяется, играя роль протектора? Около какого металла наблюдается окрашивание раствора и о каком процессе оно свидетельствует? Сделайте вывод о том, каким образом можно подобрать протектор для конкретного металла, располагая справочными данными или стандартным рядом напряжения металлов.

Задание 1.4. Электрозащита от коррозии

Этот метод защиты иначе называют «катодным», поскольку защищаемый металл соединяют с «минусом» внешнего источника постоянного тока. Электроны, полученные металлом, препятствуют переходу в раствор ионов этого металла.

В стакан с раствором хлорида натрия добавьте несколько капель K₃[Fe(CN)₆] и поместите в него два одинаковых железных электрода, закрепленных на пластмассовой подставке. Присоедините электроды к источнику постоянного тока. Наблюдайте образование окрашенной синей «рубашки» около одного электрода и бурное выделение пузырьков газа на другом электроде.

Какой из электродов не корродирует? Какой газ выделяется? Чем обусловлено появление синего окрашивания раствора? Запишите электродные процессы, протекающие на катоде и аноде.

Задание 2. Электролиз водных растворов солей

Во всех опытах электролизер заполняют раствором до метки. Графитовые электроды перед каждым опытом тщательно промывают водой и, если необходимо, зачищают наждачной бумагой. При подключении электродов к источнику постоянного тока обращайте внимание на маркировку “+” и “-“ на вилке, розетке и держателях электродов.

Задание 2.1. Электролиз хлорида олова SnC1₂

Заполните электролизер раствором хлорида олова. В оба колена электролизера опустите графитовые электроды, подключите их к источнику постоянного тока и пропустите ток в течение 2-4 минут. Наблюдайте выделение на одном электроде кристаллов металлического олова, на другом – пузырьков газа.

Напишите уравнения катодного и анодного процессов.

Задание 2.2. Электролиз иодида калия KJ

Заполните электролизер раствором иодида калия, добавьте 5-6 капель фенолфталеина и аккуратно перемешайте раствор. В оба колена электролизера поместите графитовые электроды и соедините их с источником постоянного тока. Пропустите ток до появления окраски растворов около обоих электродов.

Запишите цвета растворов. Напишите уравнения катодного и анодного процессов и объясните, почему окрасились растворы около электродов.

Задание 2.3. Электролиз сульфата натрия Na₂SO₄

Перед началом опыта напишите уравнения процессов, которые должны протекать на катоде “-“ и аноде “+” при электролизе сульфата натрия с угольными электродами.

Заполните электролизер раствором сульфата натрия и поместите в оба колена графитовые электроды, но не подключайте их к источнику тока. В соответствии со знаками электродов и ожидаемыми процессами добавьте в одно колено электролизера 2 капли фенолфталеина (индикатор на ионы гидроксила ОН^-), а в другое – 2 капли метилового оранжевого (индикатор на ионы Н⁺). Пропустите электрический ток и наблюдайте появление окрашенных “рубашек” около электродов.

Задание 2.4. Электролиз сульфата меди CuSO₄

Налейте в электролизер раствор сульфата меди, погрузите в него графитовые электроды и пропустите через раствор электрический ток. Через 1-2 минуты прекратите электролиз и обратите внимание, что на катоде образовался красный налет меди.

Напишите уравнения катодного и анодного процессов. Какой газ выделяется на аноде?

Поменяйте полюса электродов (переставьте вилку в розетке), вследствие чего помедненный электрод станет анодом. Снова пропустите электрический ток и наблюдайте за помедненным электродом.

Что происходит с медью на аноде? Какое вещество выделяется на катоде? С какого момента на аноде начинает выделяться газ? Напишите уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе раствора сульфата меди с медным анодом.