Опыт 4. Действие щелочи на металлы

В две пробирки налейте по 2-3 мл концентрированного раствора щелочи. В одну из них насыпьте небольшое количество цинковых опилок, в другую - алюминиевого порошка. Если реакция не идет, слегка нагрейте. Когда начнется интенсивное выделение газа, поднесите к отверстиям пробирок зажженную лучинку. Что наблюдается? Составьте уравнения происходящих реакций.

Лабораторная работа 10

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита.

Если в раствор электролита погрузить электроды и подключить их к внешнему источнику постоянного тока, то ионы в растворе получают направленное движение. К аноду (положительному электроду) движутся анионы (кислотные остатки, OH^-). К катоду (отрицательному электроду) движутся катионы (Мⁿ⁺, H⁺). Молекулы воды сильно полярны и поэтому могут притягиваться и к катоду и к аноду.

У анода восстановитель отдает электроны (в сеть) и окисляется. У катода окислитель присоединяет электроны (из сети) и восстанавливается.

На катоде в первую очередь восстанавливаются катионы, имеющие наибольшее значение электродного потенциала. Металлы, стоящие в начале ряда напряжения по алюминий включительно, на катоде из водных растворов не вы-

деляются. В этом случае на катоде разряжается вода:

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-

В случае, когда катионы металлов расположены в ряду напряжений между алюминием и водородом, они могут восстанавливаться на катоде одновременно с молекулами воды.

Катионы металлов, которые в ряду напряжений находятся за водородом, при электролизе практически полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.

На аноде в первую очередь окисляются анионы с наименьшим значением электродного потенциала. Различают электролиз с нерастворимым (инертным) и растворимым (активным) анодами. Инертным называется анод, материал которого в ходе электролиза не окисляется (графит, платиновые металлы, титан). Активным называется анод, материал которого может окисляться в ходе электролиза.

На инертном аноде при электролизе растворов электролитов с кислородсодержащими анионами (SO₄^2-, PO₄^3-, NO₃^-), а также фторид-ионами на аноде происходит электрохимическое окисление воды:

2H₂O - 4e → 4H⁺ + O₂

Если анионы электролита бескислородны (Cl^-, Br^-, I^-, S^2-), то они и разряжаются на аноде в ходе электролиза. Активный (растворимый) анод при электролизе окисляется - переходит в раствор в виде ионов.

Рассмотрим несколько случаев электролиза водных растворов солей.

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а C u C l ₂ c и н е р т н ы м а н о д о м

Медь в ряду напряжений расположена после водорода, поэтому у катода будет происходить разряд ионов Cu²⁺ и выделение металлической меди. У анода будут окисляться хлорид-ионы.

Схема электролиза раствора хлорида меди (II)

CuCl₂ = Cu²⁺ + 2Cl^-

Катод ← Cu²⁺, H₂O Анод ← Cl^-, H₂O

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰ 2Cl^- - 2e → Cl₂

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а K N O ₃ с и н е р т н ы м а н о д о м

Поскольку калий в ряду напряжений стоит значительно раньше водорода, то катионы K⁺ не будут восстанавливаться на катоде. Кислородсодержащие анионы NO₃^- не будут окисляться на аноде. В этом случае на катоде и аноде восстанавливаются и окисляются молекулы воды. При этом в катодном пространстве будут накапливаться ионы OH^-, образующие с ионами K⁺ щелочь KOH, а в анодном пространстве накапливаются ионы H⁺, образующие с ионами NO₃^- кислоту HNO₃.

Схема электролиза нитрата калия

KNO₃ = K⁺ + NO₃^-

Катод ← K⁺, H₂O Анод ← NO₃^-, H₂O

2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^- 2H₂O - 4e → O₂ + 4H⁺

K⁺ + OH^- → KOH H⁺ + NO₃^- → HNO₃

Э л е к т р о л и з р а с т в о р а N i S O ₄ с н и к е л е в ы м а н о д о м

В этом случае сам анод окисляется, а на катоде процесс протекает так же, как и при электролизе растворов с инертным анодом.

Схема электролиза сульфата никеля

Катод ← Ni²⁺, H₂O Анод никелевый ← SO₄^2-, H₂O

Ni²⁺ + 2e → Ni⁰ Ni⁰ - 2e → Ni²⁺

Выполнение работы

Опыт 1. Электролиз раствора иодида калия

В U-образную трубку налейте приблизительно до половины раствора иодида калия, прибавьте 2-3 капли раствора фенолфталеина. Вставьте в оба колена трубки угольные электроды и подключите прибор к источнику постоянного электрического тока. Наблюдайте окрашивание раствора у катода и анода. Составьте схему электролиза водного раствора иодида калия. Какова реакция раствора у катода и анода.

Опыт 2. Электролиз раствора сульфата натрия

В U-образную трубку налейте раствор сульфата натрия, добавьте несколько капель раствора лакмуса. Включите ток и наблюдайте изменение (через 1-2 мин.) окраски раствора у электродов. Составьте схему электролиза водного раствора сульфата натрия. Какова реакция растворов у катода и анода?

Опыт 3. Электролиз раствора сульфата меди

Налейте в U-образную трубку раствор сульфата меди. Пользуясь угольными электродами, пропускайте ток в течение 4-5 мин. Что выделяется на электродах? Составьте схему электролиза водного раствора сульфата меди.

Опыт 4. Электролиз с растворимым анодом

Присоедините электрод с отложившейся в предыдущем опыте медью к положительному полюсу источника тока, а другой электрод - к отрицательному полюсу, пропускайте электрический ток. Наблюдайте растворение меди с анода. Составьте схему электролиза раствора сульфата меди с медным анодом.

Лабораторная работа 11

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Коррозией называется самопроизвольное разрушение металлов под воздействием окружающей среды. Коррозия представляет собой окислительно-восстановительный гетерогенный процесс, происходящий на поверхности раздела фаз. По механизму протекания коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химической коррозией называется окисление металла, не сопровождающееся возникновением электрического тока в системе. Такой механизм наблюдается при взаимодействии металлов с агрессивными газами при высокой температуре (газовая коррозия) и с органическими жидкими неэлектролитами (коррозия в неэлектролитах).

Электрохимической коррозией называется разрушение металла в среде электролита, сопровождающееся возникновением внутри системы электрического тока. Электрохимическая коррозия протекает по механизму действия гальванического элемента. На поверхности металла одновременно протекают два процесса:

анодный – окисление металла:

М – nе → Mⁿ⁺,

катодный – восстановление окислителя:

Ox + ne → Red.

Наиболее распространенными окислителями при электрохимической коррозии являются молекулы O₂ воздуха и ионы H⁺ электролита. Восстановление на катоде молекул и ионов протекает по уравнениям:

O₂ + 2H₂O + 4e = 4OH^‾ - в щелочной или нейтральной среде,

2H⁺ + 2e = H₂ - в кислой среде.

Металлы, применяемые в технике, содержат примеси других металлов, поэтому при соприкосновении с раствором электролита на их поверхности образуется большое количество непрерывно действующих микрогальванических элементов. Разрушается более активный металл. Например, при контакте железа с медью в растворе электролита - соляной кислоты - возникает гальванический элемент

(анод) Fe | HCl | Cu (катод)

и происходит электрохимическая коррозия.

На аноде происходит процесс окисления: Fe - 2e = Fe²⁺

На катоде - процесс восстановления: 2H⁺ + 2e = H₂

В результате железо разрушается в месте контакта, а на меди выделяется водород.

При контакте железа с медью во влажном воздухе образуется гальванический элемент

Fe | H₂O, О₂ | Cu

и процесс коррозии выражается уравнениями:

на аноде: Fe - 2e = Fe²⁺

на катоде: O₂ + H₂O + 4e = 4OH^-

2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂

Под влиянием кислорода воздуха гидроксид железа (II) окисляется по уравнению: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

Методы защиты металлов от коррозии весьма разнообразны. Важнейшими являются защитные покрытия металлов, легирование металлов, изменение свойств коррозионной среды, электрохимическая защита. Защитные покрытия изолируют металл от внешней среды и могут быть неметаллическими (лаки, краски, эмали) и металлическими. Различают катодные и анодные металлические покрытия. Покрытие защищаемого металла менее активным металлом называется катодным, например, луженое железо. Покрытие защищаемого металла более активным называется анодным, например, оцинкованное железо. В случае нарушения целостности покрытий и наличия раствора электролита разрушается более активный металл. Так, в случае хромированного железа будет разрушаться хром:

Cr | HCl | Fe

на аноде: Cr - 3e = Cr³⁺

на катоде: 2H⁺ + 2e = H₂

В случае никелированного железа разрушается железо:

Fe | HCl | Ni

на аноде: Fe - 2e = Fe²⁺

на катоде: 2H⁺ + 2e = H₂

Выполнение работы

Опыт 1. Влияние образования гальванической пары на процесс

1 2 3 45