ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЕ УМЯГЧЕНИЯ

Специфические свойства воде придают ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, присутствие которых определяет жесткость воды.

Жесткость воды – один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод, который характеризуется содержанием числа миллимолей эквивалентов ионов Са²⁺ и Мg²⁺ в 1л воды. Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию в воде 20, 04мг/л Са²⁺ или 12, 16мг/л Mg²⁺, что соответствует значению эквивалентной массы этих ионов.

Различают несколько видов жёсткости: общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную.

Общей жёсткостью называется суммарная концентрация ионов Ca²⁺, Mg²⁺ в воде, выраженная в мэкв/л.

Постоянная жёсткость - часть общей жёсткости, остающаяся после кипячения воды при атмосферном давлении в течение определённого времени.

Временная жёсткость – часть общей жёсткости, удаляющаяся кипячением воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Она равна разности между общей и постоянной жёсткостью.

Карбонатная жёсткость – часть общей жёсткости, эквивалентная концентрации гидрокарбонатов кальция и магния.

Некарбонатная жёсткость - часть общей жёсткости, равная разности между общей и карбонатной жёсткостью.

 

ПРИМЕР 1. В 5 м³ воды содержится 250 г ионов кальция и 135 г ионов магния. Определить общую жесткость воды.

РЕШЕНИЕ. Найдем содержание ионов кальция и магния (в мг/л) в воде:

250 × 1000 / 5 × 1000 = 50 (мг/л) ионов Са²⁺

и 135 × 1000 / 5 × 1000 = 27 (мг/л) ионов Mg²⁺.

1 мэкв жесткости отвечает содержанию 20, 04 мг/л ионов. Са²⁺ или 12, 16 мг/л ионов Мg²⁺; следовательно,

Ж = 50/20, 04 + 27/12, 16 = 4, 715 (мэкв/л).

Ответ: Ж=4, 715 мэкв/л

 

ПРИМЕР 2. Вычислить карбонатную жёсткость воды, зная, что на титрование 100мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция, потребовалось 6, 25мл, 0, 08 н раствора НС1. Привести уравнение соответствующей реакции.

РЕШЕНИЕ: Задачу решаем используя закон эквивалентов для растворов.

N₁•V₁ = N₂•V_2, (1)

где N₁ и N_{2 –} нормальность растворов 1 и 2, моль-экв/л

V₁ и V_{2 –} объём растворов 1 и 2, мл

Вычислим нормальность раствора гидрокарбоната кальция:

N₁ = 6, 25•0, 08 ⁄ 100 = 0, 005моль-экв/л

Следовательно, в 1 л воды содержится 0, 005•1000 = 5 мэкв гидрокарбоната кальция.

Ответ: Ж=5мэкв/л

 

Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки. Процесс, приводящий к снижению жёсткости воды, называется умягчением воды.

Способы умягчения воды можно разделить на три основные группы:

1) термическое умягчение воды; 2) реагентные методы умягчения; 3) умягчение воды методом ионного обмена.

Термический способ умягчения воды

Временная или карбонатная жесткость, устраняется нагреванием воды до 70—80°С и последующей фильтрацией. При нагревании протекают реакции:

Са(НСОз)₂ = СаСО₃¯ + СО₂­ + H₂O

Mg(HCО₃)₂ = MgCО₃¯ + CO₂­ + H₂О

Однако полностью устранить карбонатную жёсткость термическим методом нельзя, т. к. СаСО₃, хотя и незначительно, но растворим в воде. Растворимость МgСО₃ достаточно высока, поэтому гидрокарбонат магния сразу же взаимодействует с водой, т.е. наблюдается процесс гидролиза и вместо МgСО₃, в осадок выпадает Mg(ОН)_2:

MgC0₃ + H₂О =Мg(ОН)₂¯ + СO₂­

2. Реагентное умягчение воды .

Реагентное умягчение воды состоит в том, что при введении в воду специальных реагентов катионы кальция и магния, растворенные в ней, переходят в практически нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок.

Например, фосфатный способ умягчения воды:

3CaS0₄ + 2Na₃P0₄ = Са_з(РО₄)₂↓ + Na₂SO₄

3MgCl₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂ ↓ + 6NaCl

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂↓ + 6NaHCO₃

3Mg(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Mg₃(PO₄)₂ ↓ + 6NaHCO₃

Методы ионного обмена

Катионитовый метод умягчения воды основан на способности некоторых практически нерастворимых в воде веществ, называемых катионитами , обменивать содержащиеся в них активные группы катионов (натрия, водорода и др.), на катионы кальция или магния, находящиеся в воде.

В настоящее время большое распространение получили ионообменные смолы, которые получают на основе синтетических полимеров. Ионнообменные смолы – это сетчатые, трёхмерные полимеры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие групы, способные к обмену ионов

Умягчаемую воду фильтруют через слой катионита, при этом катионы кальция и магния из воды переходят в катионит, а в воду переходят катионы натрия или водорода. Химизм Na-катионирования описывается уравнениями реакций:

2NaR + Ca(HCO₃)₂ = CaR₂ + 2NaHCO₃

2NaR + Mg(HCO₃)₂ = MgR₂ + 2NaHCO₃

2NaR + CaSO₄ = CaR₂ + Na₂SO₄

2NaR + MgCl₂ = MgR₂ + 2NaCl

(где R – комплекс катионита, практически нерастворимый в воде)

ПРИМЕР 3. Жесткость воды равна 5, 4 мэкв ионов кальция в 1 л воды. Какое количество фосфата натрия Na₃P0₄ необходимо взять, чтобы понизить жесткость 100л воды практически до нуля.

РЕШЕНИЕ: Задачу решаем, используя формулу

Ж = m•1000 / М_э•V, (1)

где m – масса вещества, обусловливающего жёсткость воды, или применяемого для устранения жёсткости воды, г; М_э – эквивалентная масса этого вещества; г/моль; V – объём воды, л, 1000 – коэффициент перевода экв/л в мэкв/л

М_э (Na₃PO₄) = М(Na₃PO₄) / n•В, (2)

где n – количество ионов металла; В – валентность металла.

М_э(Na₃PO₄) = 164 / 3 =54, 7 (г/моль)

Из уравнения (1) выразим массу

m = Ж•Э•V/1000 = 5, 4•54, 7•100/1000 = 29, 538 (г)

Ответ: m = 29, 538г.

 

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

101. Вода содержит 0, 12 г MgSO₄ и 0, 243 г Са(НСОз)₂ на 1 литр. Определить общую жёсткость воды. Привести реакции фосфатного метода умягчения воды, содержащей данные соли.

102. Какова постоянная и временная жёсткость воды, если в ней содержится ионов Са²⁺ - 0, 110 г/л; Mg²⁺ - 0, 0425 г/л; НСО₃^- - 0, 07 г/л.Составить уравнение реакции, лежащее в основе термического умягчения воды.

103. Общая жесткость воды равна 7, 8 мэкв/л. Определить постоянную жесткость воды, если при определении временной жесткости на 100 мл испытуемой воды при титровании пошло 5, 2 мл 0, 1 н. раствора соляной кислоты

104. Какая масса сульфата кальция содержится в 200 л воды, если жёсткость, обуславливаемая этой солью, равна 8 мэкв/л? Привести уравнение реакции бариевого метода умягчения воды.

105. Какова общая и карбонатная жёсткость воды, если в 1 л воды содержатся ионы Са²⁺ - 0, 111 г; Mg²⁺ - 06 г; SO₄^2- - 0, 098 г; С1^- - 0, 14 г.

106. Вычислить временную жёсткость воды, зная, что для реакции с гидрокарбонатом магния, содержащемся в 200 см³ воды, требуется 15 см³ 0, 08 н раствора соляной кислоты. Привести уравнение соответствующей реакции.

107. Общая жесткость воды равна 11, 7 мэкв/л. Определить постоянную жесткость воды, если при определении временной жесткости на 100 мл испытуемой воды при титровании пошло 6, 5 мл 0, 1 н. раствора соляной кислоты

108. Какую массу карбоната натрия надо прибавить к 1 м³ воды, чтобы устранить жёсткость, равную 8 мэкв/л? Привести уравнение реакции.

109. В 10 л воды содержится 38 мг гидрокарбоната магния и 108 мг гидрокарбоната кальция. Вычислить общую жёсткость воды. Привести уравнения реакций термического умягчения воды.

110. При кипячении 250 мл воды, содержащей только гидрокарбонат магния, выпал осадок массой 4, 5 мг. Чему равна жёсткость воды. Привести уравнение реакции.

111. Вычислить временную жёсткость воды, зная, что на реакцию с гидрокарбонатом магния, содержащимся в 200 мл этой воды, потребовалось 5 мл 0, 1 н раствора соляной кислоты. Составить уравнение реакции.

112. Сколько граммов гидроксида кальция необходимо прибавить к 1000 л воды, чтобы удалить временную жёсткость, равную 2, 86 мэкв/л? Составить уравнение реакции.

113. В 1 м³ воды содержится 140 г сульфата магния. Вычислите жесткость этой воды. Привести уравнение реакции умягчения воды содовым способом..

114. Чему равна жесткость природной воды, если содержание ионов магния в ней составляет 121, 6 мг/л? Привести уравнения реакции катионитного умягчения воды с использованием Н-катионита.

115. Определить жесткость воды, если в 1 л ее содержится 0, 1002 г ионов Са²⁺ и 0, 03648 г ионов Mg^2+. Привести уравнения реакций устранения карбонатной жесткости термическим методом.

116. Какова общая и временная жёсткость воды, если в 1 л воды содержатся ионы Mg²⁺ - 0, 3 г; SO₄^2- -0, 049 г; С1^- - 0, 07 г, Са²⁺ -0, 055 г;

117. Определить общую жёсткость воды, в 100 л которой содержится 8, 5 г хлорида магния, 11, 8 г хлорида кальция, 6, 1 г гидрокарбоната магния и 18, 3 г гидрокарбоната кальция.

118. Определить общую жёсткость воды, в 10 л которой содержится 0, 95 г хлорида магния, 2, 22 г хлорида кальция, 0, 73 г гидрокарбоната магния и 2, 43 г гидрокарбоната кальция.

119. Рассчитайте карбонатную, некарбонатную и общую жёсткость воды, содержащую в 10 л: Са²⁺ - 40 мг; НСО₃^- - 61 мг; С1^- - 35 мг; Mg²⁺ - 24 мг.

120. Общая жесткость воды равна 8, 5 мэкв/л. Определить постоянную жесткость воды, если при определении временной жесткости на 100 мл испытуемой воды при титровании пошло 6, 5 мл 0, 1 н. раствора соляной кислоты

 

 

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита. Эти процессы складываются из направленного движения ионов в растворе или расплаве электролита и реакций восстановления и окисления, происходящих на электродах

Электрод, на котором протекают процессы окисления, называется анодом, а электрод, на котором протекают процессы восстановления – катодом.

Потенциал анода всегда меньше потенциала катода. При электролизе анод заряжен положительно, катод – отрицательно.

При электролизе растворов электролитов на катоде возможны следующие реакции:

1) восстановление ионов металла Meⁿ⁺ + nē → Me;

2) восстановление ионов водорода в кислой среде

2Н⁺ + 2ē → Н₂ (φ ⁰ (2Н⁺/Н₂) = 0, 0 В);

3) восстановление молекул воды

2Н₂О + 2ē → Н₂ + 2ОН^- (φ ⁰ (Н₂О/Н₂) = -0, 41 В).

Из возможных катодных процессов осуществляется тот, который характеризуется наибольшим значением электродного потенциала.

Из этого следует, что при электролизе растворов солей металлов, стоящих в ряду напряжения после водорода, например, медь, серебро, золото и другие, на электроде восстанавливаются только ионы металла и выделяется металл. В нейтральных и щелочных растворах с рН ≥ 7 возможно выделение и тех металлов, электродные потенциалы которых выше -0, 41 В. (Объяснение следует дальше)

Из растворов, содержащих смесь таких катионов, происходит последовательное выделение металлов в порядке уменьшения величины их электродных потенциалов.

Если в растворе находятся ионы металлов, стоящие в ряду напряжения до алюминия включительно (φ ⁰ (Аl³⁺/Al) = -1.66 В), например, натрий, литий, кальций и другие, то на катоде восстанавливается только вода.

Металлы, электродные потенциалы которых не сильно отличаются от водородного (находится в ряду напряжения металлов после алюминия), восстанавливаются на катоде одновременно с водой. При этом выделяется и металл, и водород. В зависимости от условий электролиза массовые соотношения металла и водорода могут быть различными, вплоть до выделения только одного металла или водорода.

При электролизе растворов электролитов на аноде могут протекать реакции окисления:

1) анионов кислотных остатков: An^n- → An + nē;

2) гидроксид - анионов

4ОН^- - 4ē → 2Н₂О + О₂ (φ ⁰ (O₂ + 2Н₂O/4OH^-) = 0, 4 B);

3) молекул воды

2Н₂О - 4ē → О₂ + 4Н⁺ (φ ⁰ (O₂ + 4Н⁺/2Н₂O ) = 1, 23 B при рН = 7);

4) металла анода (растворимый анод)

Me → Meⁿ⁺ + nē.

Из возможных анодных процессов осуществляется тот, который характеризуется наименьшим значением электродного потенциала.

Характер анодных процессов зависит от природы используемого анода. Различают инертные и растворимые аноды. Первые изготовлены из малоактивных металлов, например, из платины, а также используют графитовые, угольные электроды. Материалом растворимых анодов является металл с потенциалом меньшим, чем потенциалы конкурирующих процессов, например, медь, цинк и другие. При этом окислению подвергается материал анода. Так, при электролизе раствора сульфата меди (II) с медным анодом происходит растворение анода: Сu → Cu²⁺ + 2ē. Это объясняется тем, что потенциал меди (φ ⁰(Cu²⁺/Cu) = 0, 34 B) меньше потенциалов окисления воды и сульфат - иона. В процессе электролиза с использованием растворимого анода металла анода в виде ионов переходит в раствор, затем они могут восстанавливаться на катоде. На этом основаны методы очистки металлов от примесей (электрохимическое рафинирование металлов), методы нанесения покрытий и прочее.

На инертных анодах (графитовый, угольный, платиновый) могут окисляться молекулы воды, гидроксид – ионы или ионы кислотных остатков.

На аноде в растворах кислородосодержащих кислот или их солей разряжается вода. Это связано с тем, что электродные потенциалы анионов кислородосодержащих кислот имеют большие значения, чем потенциал окисления воды. Например, 2SO₄^2- - 2ē → S₂O₈^2- (2, 01 В). Аналогично ведут себя фторид-ионы (φ ⁰(F₂/2F^-) = 2, 87 B).

Ионы Cl^-, Br^-, J^-, S^2- разряжаются из не очень сильно разбавленных растворов.

2Сl^- → Cl₂ + 2ē, φ ⁰(Cl₂/2Cl^-) = 1, 36 B,

2Br^- → Br₂ + 2ē, φ ⁰(Br₂/2Br^-) = 1, 065 B,

2J^- → J₂ + 2ē, φ ⁰(J₂/2J^-) = 0, 54 B,

S^2- → S + 2ē, φ ⁰(S/S^2-) = -0, 51 B,

В связи с перенапряжением реакции выделения кислорода на аноде идёт окисление ионов хлора, хотя его потенциал больше потенциала окисления воды.

При электролизе растворов щелочей на аноде происходит окисление гидроксид-ионов, т.к. этот процесс характеризуется наименьшим потенциалом.

ПРИМЕР 1: Составьте схемы электролиза раствора NiCl₂ (анод угольный).

ОТВЕТ: На катоде могут разряжаться вода и катионы никеля. Т. к. величина потенциала никеля (φ ⁰(Ni²⁺/Ni) = -0, 25 В) близка к значению потенциалу восстановления воды, на катоде будут восстанавливаться и ионы металла, и вода. Конкурирующими анодными реакциями являются окисление воды и окисление хлорид – иона, на аноде окисляется ион хлора (объяснение смотрите выше).

Схема электролиза раствора NiCl₂

(-) Катод: (+) Анод:

Ni²⁺ + 2ē → Ni 2Cl^- -2ē → Cl₂

2Н₂О + 2ē → Н₂ + 2ОН^-

Ni²⁺

 

Общая реакция электролиза хлорида никеля (II) –

2NiCl₂ + 2Н₂О → Ni + Ni(OH)₂ + H₂ + 2Cl₂

 

ПРИМЕР 2: В чём состоит различие процессов электролитического разложения раствора сульфата меди на угольном и медном анодах?

ОТВЕТ: На катоде могут разряжаться вода и катионы меди. Так как потенциал восстановления катионов меди (II) больше потенциала восстановления воды, восстанавливаться будут ионы меди.

Конкурирующими анодными реакциями (угольный анод) являются окисление воды и окисление сульфат – иона.

Так как φ ⁰ (S₂O₈^2-/2SO₄^2-) > φ ⁰ (O₂ + 4Н⁺/2Н₂O), следовательно, на аноде окисляется вода.

Схема электролиза раствора CuSO₄ на угольном аноде

(-) Катод: (+) Анод:

Сu²⁺ + 2ē → Cu 2Н₂О - 4ē → О₂ + 4Н⁺

2SO₄^2-

При использовании медного анода окислению подвергается материал анода - медь, в результате чего анод будет растворяться.

Схема электролиза раствора CuSO₄ на медном аноде

(-) Катод: (+) Анод:

Сu²⁺ + 2ē → Cu Сu - 2ē → Cu²⁺

SO₄^2-

 

Следовательно, электролиз растворов сульфата меди (II) на угольном и растворимом аноде отличаются анодными процессами. При электролизе на инертном аноде окисляется вода, образуя кислород и кислоту, в случае растворимого анода данные процессы происходить не будут.

Процессы, протекающие при электролизе, подчиняются законам Фарадея.

I. Масса электролита, подвергшаяся превращению при электролизе, а также массы образующихся веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через электролит.

m = k ∙ q

где m - масса (г) образовавшегося, или подвергшегося превращению вещества;

q – количество электричества, прошедшего через электролит (Кл),

q = J ∙ t,

где J – сила тока, А; t – время, с.

k – электрохимический эквивалент.

Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества, выделяемого 1 Кл электричества.

где М_Э – молярная масса эквивалента, г/моль-экв;

F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл.

Постоянная Фарадея – это количество электричества, необходимое для осуществления электрохимического превращения одного моль эквивалента вещества.

Подставив все параметры, получим выражение:

II. При электролизе различных электролитов равные количества электричества выделяют на электродах массы веществ, пропорциональные их эквивалентным массам.

ПРИМЕР 3: Рассчитайте массы веществ, образовавшихся на электродах при электролизе раствора сульфата меди (II) (на инертном аноде) при пропускании тока силой 10 А в течение 30 минут.

ОТВЕТ: Схема электролиза раствора сульфата меди (II) на угольном аноде рассмотрена в примере 4. Суммарное уравнение электролиза раствора CuSO₄:

2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄.

На катоде образуется медь, на аноде – кислород. Для определения масс меди и кислорода воспользуемся первым законом Фарадея.

;

M_Э (Cu) = 63, 55/2 = 31, 78 г/моль-экв

M_Э (О₂) = 32/4 = 8 г/моль-экв

^.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

121. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): K₂SO₄; NiCl₂. При электролизе какого из предложенных вам веществ выделяется кислород? Сколько кислорода выделится при электролизе током силой 30 А в течение 1, 5 часов?

122. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): NaOH; AgNO₃. При электролизе, какого из предложенных вам веществ выделяется водород? Сколько водорода выделится при электролизе током силой 25 А в течение одних суток?

123. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): H₂SO₄; CaCl₂. Сколько грамм серной кислоты подвергнется электролитическому разложению в течение 20 мин под действием тока силой 120 А?

124. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): NaNO₃; SnCl₂. Какое соединение образуется на катоде при электролизе нитрата натрия? Найдите его массу, если электролиз протекал 2 часа с силой тока 100 А.

125. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): CuSO₄; FeCl₂. Сколько грамм меди выделится на электроде при пропускании через раствор электролита заряда 241, 25 Кл?

126. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): HCl; Cr(NO₃)₂. Рассчитайте силу тока, который выделит 50 г водорода из раствора HCl в течение 20 мин.

127. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): KOH; CuCl₂. Найдите силу тока, с которой проводят электролиз раствора CuCl₂, массой 16, 79 г, в течение 20 мин.

128. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): AgNO₃; CoCl₂. Определите массу серебра, выделившегося на катоде при пропускании через раствор нитрата серебра тока силой 50 А в течение 50 мин.

129. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): BeCl₂; CdSO₄. Рассчитайте электрохимический эквивалент хлорида бериллия.

130. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): HNO₃; CuBr₂. При электролизе какого из предложенных вам соединений образуется водород? Определите объём водорода, если электролитическое разложение проводят током силой 200 А в течение 2 часов.

131. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): Ca(OH)₂; NiCl₂. Какое количество электричества необходимо для электрохимического превращения 34 г гидроксида кальция?

132. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): PtCl₂; Sn(NO₃)₂. Как долго нужно проводить электролиз для получения 19, 5 г платины, если сила тока составляет 120 А?

133. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): CuCl₂; FeSO₄. В течение какого времени осуществляется электролитическое разложение 38 г хлорида меди, содержащихся в растворе? Сила тока равна 65 А.

134. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): Ba(OH)₂; NaCl. При электролизе какого из предложенных вам соединений образуется кислород? Определите объём кислорода, если электролитическое разложение проводят током силой 40 А в течение 1 часа.

135. Составьте схемы электролиза растворов веществ (на угольных анодах): MnBr₂; Ni(NO₃)₂. Определите электрохимические эквиваленты веществ, образующихся на катоде при электролизе нитрата никеля(II).

136. Cоставьте схемы электролизов раствора AgNO₃, протекающих на угольном и растворимом серебряном анодах. В чём будет заключаться различие? Определите массу серебра, выделившегося на катоде при пропускании тока силой 100 А в течение 30 мин через раствор AgNO₃?

137. Cоставьте схемы электролиза растворов Zn(NO₃)₂, протекающих на угольном и растворимом цинковом анодах. В чём будет заключаться различие? Определите объём газа выделившегося на катоде при пропускании тока силой 50 А в течение 10 мин через раствор Zn(NO₃)₂?

138. Cоставьте схемы электролиза растворов NiCl₂, протекающих на угольном и растворимом никелевом анодах. В чём будет заключаться различие? Какой заряд нужно пропустить через раствор хлорида никеля (угольный анод), чтобы подвергнуть превращению 0, 325г хлорида никеля?

139. Cоставьте схемы электролиза растворов Ti(NO₃)₂, протекающих на угольном и растворимом титановом анодах. В чём будет заключаться различие? Определите силу тока, пропускаемого через раствор Ti(NO₃)₂ в течение 20 мин, если объём газа, выделившегося на аноде, составляет 2, 79 л (угольный анод)?

140. Cоставьте схемы электролиза растворов CoCl₂, протекающих на угольном и растворимом кобальтовом анодах. В чём будет заключаться различие? Рассчитайте электрохимический эквивалент выделившегося на аноде продукта (электролиз проводят на угольном аноде).

 

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

КОРРОЗИЯ - процесс самопроизвольного разрушения металлов и сплавов под действием окружающей среды; данный процесс является окислительно-восстановительным и протекает на границе раздела фаз.

По механизму протекания коррозионного процесса, который зависит от характера внешней среды, различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия – самопроизвольное разрушение металла или сплава в окислительных средах, которые не проводят электрический ток.

К ней относятся:

а) высокотемпературная коррозия в атмосфере сухих газов, т.е. при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла или сплава (сухой воздух, хлор, сероводород и т.д.);

б) коррозия в жидких неэлектропроводных средах. К ним относятся жидкости органического происхождения (бензин, керосин, сернистая нефть и т.д.), а также ряд жидкостей неорганического происхождения ( расплавленная сера, жидкий бром и др.).

Сущность химической коррозии сводится к окислительно-восстановительной реакции, которая протекает между металлом или сплавом и окислителем.

Например, хМе + у/₂ О₂ = Ме_хОу

ПРИМЕР 1: Рассмотрите процесс коррозии цинковой пластины в атмосфере сухого сероводорода при температуре 400К.

ОТВЕТ: В атмосфере любого сухого газа при высоких температурах протекает химическая коррозия, сущность которой, в данном случае, сводится к окислительно-восстановительной реакции между металлом (Zn) и окислителем (H₂S):

Zn + H₂S = ZnS + H₂

Zn – 2e = Zn²⁺ | 1

2H⁺ + 2e = H₂ |1

Продуктом коррозии является сульфид цинка.

 

ПРИМЕР 2: Опишите процесс коррозии железного гвоздя, помещенного в бензин, который насыщен кислородом.

ОТВЕТ: В чистом виде органические растворители не реагируют с металлами, но в присутствии примесей химическое взаимодействие протекает интенсивно. В данном случае будет протекать химическое взаимодействие между железом и кислородом:

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃

Fe – 3e = Fe³⁺ | 4

O₂ + 4e = 2O^2- | 3

 

Электрохимическая коррозия – самопроизвольное разрушение металла или сплава в среде электролита:

- в растворах электролитов (растворы щелочей, кислот и солей; морская вода);

- в атмосфере любого влажного газа;

- в почве

 

При электрохимической коррозии протекают раздельно два процесса: окисление на анодных участках и восстановление на катодных участках, при этом образуется коррозионный элемент:

nē

Ме₁ / Д / Ме₂

nē

где Д – деполяризатор.

Схематично процесс электрохимической коррозии можно описать следующими электродными процессами:

Анодные участки: Ме – nе = Меⁿ⁺

Катодные участки: Д + nе = Д^n-

Катодный процесс зависит от кислотности среды (рН):

а) если рН< 7 (в растворах кислот и солей, гидролизующихся по катиону), то деполяризатором являются ионы водорода Н⁺, и на катодных участках осуществляется водородная деполяризация, протекающая по схеме:

2Н⁺ + 2е = Н₂.

б) если рН ≥ 7 (в нейтральных и щелочных средах), то деполяризатором являются молекулы кислорода, растворенные в электролите, и на катодных участках осуществляется кислородная деполяризация, протекающая по схеме:

О₂ + 2Н₂О + 4е = 4ОН^-.

ПРИМЕР 3: Рассмотрите химические процессы, протекающие при контакте цинковой и свинцовой пластин, погруженных в раствор хлорида аммония.

ОТВЕТ: В данном случае мы имеем дело с контактной электрохимической коррозией. Е⁰(Zn/Zn²⁺) = -0, 76B, a E⁰(Pb/Pb²⁺) = -0, 13 B. Следовательно, цинк, характеризующийся более низким значением электродного потенциала, будет проявлять свойства анода, а свинец с большим значением электродного потенциала – свойства катода.

В водном растворе хлорид аммония подвергается процессу гидролиза по катиону слабого основания:

NH₄Cl = NH₄⁺ + Cl^-

NH₄Cl + H₂O ↔ NH₄OH + HCl

NH₄⁺ + HOH ↔ NH₄OH + H⁺

В результате гидролиза среда раствора становится кислой, т.к. накапливаются ионы водорода Н⁺ (pH < 7), следовательно, деполяризатором являются ионы водорода Н⁺, а на катодных участках осуществляется водородная деполяризация

Строение и работа коррозионного элемента описывается следующей схемой:

 

2ē

(-) Zn / NH₄Cl + H₂O + O₂ / Pb (+)

NH₄ОН + HCl

2ē

 

Анодные участки: Zn – 2e = Zn²⁺

Катодные участки: 2H⁺ + 2e = H₂ (pH< 7)

Суммарное уравнение коррозии: Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂

Продуктом коррозии является хлорид цинка.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

141. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, , и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а) Шероховатая железная пластинка в среде газообразного хлора при Т> 573 К;

б) Какой из двух металлов (Fe/Ti), контактирующих в конструкции, будет подвергаться разрушению? Металлическое изделие находится в растворе CuCl₂;

142. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, , и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Полированная пластина из углеродистой стали в сухом хлороводороде при Т> 300 К;

б/ Каким - анодным или катодным – покрытием будет цинк, если изделие изготовлено из железа? Напишите схему коррозионного процесса, протекающего при нарушении целостности покрытия в растворе (NH₄)₂SO₄.

143. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Полированная алюминиевая пластина в сухом воздухе при Т> 400К;

б/ В качестве протектора для защиты от коррозии стальных изделий используют алюминий. Составьте схему процессов, лежащих в основе защитного действия протектора, протекающих в растворе Mn(NO₃)₂.

144. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Шероховатая железная пластинка в сухом воздухе при Т> 373К;

б/ Какой из двух металлов (Cu/Ti), контактирующих в конструкции, будет подвергаться разрушению. Металлическое изделие находится в растворе К₂S;

145. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Шероховатая цинковая пластинка в сухом сероводороде при Т> 300К;

б/ Каким - анодным или катодным – покрытием будет хром, если изделие изготовлено из железа? Напишите схему коррозионного процесса, протекающего при нарушении целостности покрытия в растворе Cu(NO₃)₂

146. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Изогнутая пластина из углеродистой стали в сухом хлороводороде при Т> 300К;

б/ В качестве протектора для защиты от коррозии стальных изделий используют марганец. Составьте схему процессов, лежащих в основе защитного действия протектора, протекающих в растворе NaНCO₃.

147. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Шероховатая алюминиевая пластина в водяном паре при Т> 423К;

б/ К какому типу покрытия относится олово на меди? Напишите схему коррозионного процесса, протекающего при нарушении целостности покрытия в растворе сульфида калия?

148. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Полированная цинковая пластина в сухом сероводороде при Т> 360К;

б/ магниево-алюминивый сплав эксплуатируется во влажной атмосфере воздуха.

149. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Изогнутая пластина из углеродистой стали в насыщенном кислородом бензине при Т=298К;

б/ алюминиевое изделие с медными заклепками находится в растворе Na₂SO₃ при Т=298 К.

150. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Полированная алюминиевая пластина в сухом воздухе при Т> 398К;

б/Каким - анодным или катодным – покрытием будет олово, если изделие изготовлено из железа? Напишите схему коррозионного процесса, протекающего при нарушении целостности покрытия в растворе карбоната натрия.

151. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Полированная пластина из углеродистой стали в сухом хлороводороде при Т> 350К;

б/ В качестве протектора для защиты от коррозии стальных изделий используют цинк. Составьте схему процессов, лежащих в основе защитного действия протектора, протекающих в морской воде.

152. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Шероховатая железная пластинка в насыщенном кислородом керосине при Т> 298К;

б/ пластина из латуни (сплав цинка с медью) эксплуатируется в растворе серной кислоты.

153. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Полированная пластина из углеродистой стали в насыщенном хлором керосине при Т=298К;

б/ медное изделия, паянное серебром эксплуатируется в растворе КОН.

154. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Полированная цинковая пластина во влажном воздухе при Т> 300К;

б/ Какой из двух металлов (Cr/Sn), контактирующих в конструкции, будет подвергаться разрушению? Металлическое изделие находится в растворе CuCl₂;

155. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/ Полированная железная пластина в водяном паре при Т> 473К;

б/ биметаллическая композиция Cu/Ag в растворе KCl при Т=298 К.

156. Определите тип коррозии. Составьте уравнения процессов, протекающих в каждом из случаев, и схему коррозионного элемента для случая электрохимической коррозии.

а/Шероховатая алюминиевая пластинка в сухом хлороводороде при Т> 380К;

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: