Електрохімічні процеси

Мета: зрозуміти зміст понять електрод, електрод порівняння, гальванічний елемент, акумулятор, корозія, захисні покриття,способи захисту від корозії, закони електролізу, гальванічні процеси, знати, як відбувається електроліз водних розчинів деяких окремо взятих солей, вміти складати рівняння реакцій катодного та анодного процесів та вирішувати типові задачі.

Дослід 1. Утворення гальванічного елемента.

Прилади, посуд, матеріали та реактиви: гальванометр, електролітичний місточок, оцинкована та мідна пластинки, ізольований мідний дріт, 1 моль/л розчини цинк сульфату ZnSO₄ і купрум сульфату CuSO₄; 0,001 моль/л розчин цинк сульфату, три склянки на 100 мл.

1. Звичайний гальванічний елемент. Зібрати гальванічний елемент, як показано на схемі у підручнику. Для цього в одну склянку наливають 50 мл 1моль/л розчину цинк сульфату, а в другу – 50 мл 1 моль/л розчину купрум сульфату. В першу склянку опускають оцинковану пластинку, а у другу – мідну, пластинки за допомогою ізольованого мідного дротика приєднують до гальванометра, а розчини у склянках з’єднують електролітичним місточком. В момент цього останнього з’єднання слідкуйте за стрілкою гальванометра. Що спостерігається? Які окисно-відновні процеси відбуваються на цинковому та мідному електродах? У якому напрямі рухаються електрони у зовнішньому колі, і як рухаються йони у внутрішньому колі? Намалюйте схему цього гальванічного елемента. Напишіть рівняння реакцій, які відбуваються на електродах, позначення гальванічного елемента, розрахуйте його ЕРС.

Які прилади називають акумуляторами? Чим вони відрізняються від гальванічних елементів? Чому гальванічних елементів можна зібрати багато, а акумуляторів у техніці використовується лише одиниці?

2. Концентраційний цинковий гальванічний елемент. В досліді використовують дві оцинковані пластинки, 1 моль/л і 0,001 моль/л розчини цинк сульфату. Всі інші операції виконують як в п.1.

За рівнянням Нернста розрахуйте значення електродного потенціалу цинкового електрода, опущеного у розчин солі з концентрацією 0.001 моль/л, а також ЕРС цього концентраційного елемента.

Розрахуйте окремо ЕРС гальванічних елементів, зібраних зі стандартних електродів: Mg – Au, Al – Ag, Fe – Cu, Zn – Ni; Який з цих гальванічних елементів дає найбільшу величину ЕРС?

Дослід 2. Напрям окисно-відновних процесів.

Для реакції Cr₂(SO₄)₃ + I₂ + H₂O ↔ K₂Cr₂O₇ + KI + H₂SO₄,

визначити напрям, виходячи з величин стандартних окисно – відновних потенціалів переходів:

2Cr⁺³ – 3ē×2 + 7H₂O → Cr₂O₇^2– + 14H⁺ і 2I^– – 1ē×2 → I₂⁰ (необхідні дані візьміть у таблиці).

Висновок, одержаний розрахунком, перевірте дослідним шляхом, для цього у пробірку внесіть 2 – 3 краплі хром(III) сульфату Cr₂(SO₄)₃ і калій сульфату К₂SO₄, долийте 1 – 2 краплі йодної води. Чи знебарвлюється йод? Якщо ні, то така реакція не іде.

У другу пробірку внесіть кілька крапель розчину калій дихромату K₂Cr₂O₇ та сульфатної кислоти H₂SO₄, додайте 3 – 4 краплі розчину калій йодиду КІ. Спостерігайте появу коричневого кольору вільного йоду. Дайте відповідь, у якому напрямі йде реакція, і чи підтверджується зроблений попередньо висновок.

Виконайте потрібний розрахунок для реакцій:

1) KMnO₄ + Br₂ + H₂SO₄ ↔ MnSO₄ + KBrO₃ + H₂O,

2) NaI + Na₂SO₄ + H₂O ↔ I₂ + Na₂SO₃ + NaOH

і зазначте, у якому напрямі ідуть ці реакції.

Дослід 3. Руйнування захисної плівки алюмінію.

У пробірку з водою внести гранулу алюмінію. Чому такий активний метал як алюміній не реагує з нею?

Візьміть дві пробірки і опустіть в кожну по одній гранулі алюмінію, 0,5 – 1 мл розчину розбавленої нітратної кислоти, а в іншу – 0,5 – 1 мл розчину розбавленого лугу, кожну пробірку обережно нагрійте до інтенсивного виділення водню, потім злийте з гранул кислоту і луг. Гранули промийте водою і перевірте, чи реагує алюміній, позбавлений захисного шару оксиду з водою. Напишіть рівняння реакцій взаємодії алюміній оксиду з кислотою, алюміній оксиду з лугом, алюмінію з водою, алюмінію з кислотою, алюмінію з лугом.

Поясніть хімічну суть пасивації металів. Для чого це явище використовують на практиці? Які сполуки, утворені на поверхні металу, можуть спричиняти пасивацію цього металу? Якими матеріалами покривають поверхню металів для захисту від корозії?

Дослід 4. Електрохімічна корозія металів.

1. У залізну канцелярську скріпку вставляють гранулу цинку, в іншу таку ж скріпку – очищений мідний дріт. Скріпки з гранулами опускають в дві окремі пробірки з розбавленою сульфатною кислотою. На якому металі в першій і другій пробірці виділяється водень? У якій пробірці Fe²⁺ переходить у розчин (зробіть пробу з K₃[Fe(CN)₆]).

Поясніть це, використовуючи величини стандартних електродних потенціалів цинку і заліза, заліза і міді. Знайдіть ЕРС відповідних мікро гальванічних елементів. Напишіть рівняння реакцій, які ідуть на аноді та на катоді цих гальванічних пар.

Користуючись величинами стандартних електродних потенціалів, визначте, який метал у парах: Al – Cu, Cu – Ni, Fe – Ni кородує першим, а також знайдіть величину ЕРС відповідних гальванічних елементів.

2. Налийте у пробірку 5 – 6 крапель розбавленої сульфатної кислоти H₂SO₄ і опустіть у неї гранулу цинку. Що Ви спостерігаєте? Запам’ятайте, яка швидкість виділення водню. Доторкніться очищеним мідним дротом до гранули цинку у сульфатній кислоті. Як тепер змінилась швидкість виділення водню, і на якому металі він виділяється? Вийміть мідний дротик і замітьте, як змінилась швидкість виділення водню. Напишіть рівняння реакцій, які відбуваються на аноді і на катоді.

Дослід 5. Електроліз водних розчинів з вугільними електродами.

Прилад, пристрої, реактиви і матеріали: електролізер (U – подібна скляна трубка), батарейка постійного струму на 4 – 6 V, ізольований мідний дротик, вугільні електроди (беруть стержень звичайного олівця), два корки, розчини метилоранжу, крохмалю і фенолфталеїну, водні розчини натрій сульфату Na₂SO₄, калій йодиду КІ та купрум(ІІ) хлориду CuCl₂.

1. Наповнити електролізер розчином натрій сульфату Na₂SO₄, внести у нього 1 – 2 краплі розчину метилоранжу, опустити у розчин електроди, закріплені у корках і приєднані до батарейки. Через деякий час спостерігайте виділення на електродах пухирців різних газів і появу червоного та жовтого кольорів розчину біля різнополюсних електродів. Які процеси відбуваються на катоді та на аноді? Які речовини утворюються у прианодному та прикатодному просторах. Напишіть рівняння електрохімічних процесів.

2. В електролізер налийте розчин калій йодиду КІ, налийте у нього 1 – 2 краплі розчинів фенолфталеїну й крохмалю. Проведіть електроліз цього розчину, як описано у п.1. Як змінюється колір розчину біля анода та біля катода і чому? Напишіть рівняння реакцій катодного та анодного процесів.

3. Проведіть електроліз водного розчину купрум(ІІ) хлориду. Зверніть увагу на колір катода після електролізу і пухирці газу, який виділяється на аноді. Напишіть відповідні рівняння реакцій, які відбуваються на аноді та на катоді.

Проведіть розрахунок і визначте, які об’єми газів (н.у.) виділяються на електродах при виконанні досліду по п.1, якщо сила струму дорівнює 2 А, час 40 хв., вихід за струмом складає 70 %.

Завдання та запитання для самопідготовки

1. Визначте електрорушійну силу концентраційного гальванічного елемента, утвореного з двох мідних електродів, занурених у розчини: один з них з концентрацією 0,0001М, другий – з концентрацією 1М.

2. Визначте ЕРС та запишіть електродні процеси гальванічного елемента, складеного із Zn платівки, зануреної в розчин солі цинку з молярною концентрацією 0,1 моль/л та Zn пластинки, зануреної в розчин такої ж солі з концентрацією 0,001 моль/л.

3. Визначте ЕРС та запишіть електродні процеси гальванічного елемента, складеного із Zn пластинки, зануреної в розчин солі цинку з молярною концентрацією 0,1 моль/л та Cu пластинки, зануреної в розчин солі купруму з молярною концентрацією 0,001моль/л.

4. Потенціал магнієвого електрода, зануреного в розчин солі Mg, дорівнює – 2,41 В. Розрахувати концентрацію іонів [Mg²⁺] в розчині, якщо стандартний електродний потенціал магнію Е⁰ Mg/Mg²⁺ = –2,37 В.

5. Розрахувати концентрацію іонів водню [Н⁺] в розчині, в якому потенціал водневого електрода дорівнює –82 МВ.

6. Скласти схему електролізу розчину нітрату калію. Чому дорівнює кількість витраченої електрики, якщо на аноді виділилось 280 мл газу (н.у.)? Що і в якій кількості виділилось на катоді?

7. Яка кількість міді виділилась на катоді при пропусканні через розчин сульфату міді струму силою 3А протягом 1 год 20 хв 40 с? Який газ і в якій кількості виділився на аноді?

8. Через розчин сульфату цинку пропустили струм силою 2А протягом 30 хв. На катоді виділилось 1,21 г цинку. Визначити вихід цинку за струмом.

9. Виріб із металу А покрито металом В. Який із металів буде піддаватись корозії при руйнуванні цілісності покриття і скласти схему гальванічного елемента, що утворився і рівняння катодного та анодного процесів: а) в кислому середовищі; б) в нейтральному середовищі; в) у вологому повітрі.

1. А – Fe і В – Sn;

2) А – Al і В – Cu;

3) А – Fe і В – Ni;

4) А – Fe і В – Zn;

Наведіть рівняння електродних процесів.

10. Скласти схему електрохімічної корозії лудженого заліза (Fe –Sn): а) в кислому середовищі; б) в нейтральному середовищі.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: