Задача 3. Коррозия металлов и защита от коррозии.

Московский Энергетический Институт

(Технический университет)

 

Кафедра ХИЭЭ

 

Самостоятельная работа № 5

Тема: электрохимические процессы

 

Вариант № 24

 

 

Студента: Чайкина В.С.

Группы Э-09-10

Преподаватель: Яштулов Н.А

 

Задача 1. Электродный потенциал и гальванический элемент.

Задание 1

Me - Pb

E^p_Pb2+/Pb=E⁰_Pb2+/Pb+ lnα^Me

E⁰_Pb2+/Pb=-0.126 B

E^p_Pb2+/Pb= E⁰_H+/H=0

n=2

α^Me= =18395.6

Задание 2

0.01 моль/л

1 моль/л

2.1 Pb|PbSO₄|| PbSO₄|Pb

	1 моль/л		0.01 моль/л

 

E=E_k-E_a

Рассчитаем равновесный потенциал электрода, находящегося в растворе с концентрацией 0.01 моль/л.

α^Me =с=0.01

E^p_Pb2+/Pb=E⁰_Pb2+/Pb+ lnα^Me

E^p_Pb2+/Pb=-0.185 B

K(-) Pb|PbSO₄|| PbSO₄|Pb A(+)

 

 

E=0.059 B

A_max= n*F*E=2*96500*0.059 =11387 Дж/моль

2.2 ГЭ K: Pb A: Ni

2.2.1 E⁰_Pb2+/Pb=-0.126 B E⁰_Ni2+/Ni=-0.250B

K: Pb²⁺ + 2e→Pb

A: Ni→Ni²⁺+2e

ТОР: Ni+ Pb²⁺→Ni²⁺+ Pb

2.2.2

a)Термодинамический подход

E= -

∆G_ТОР=∆G_прод-∆G_исх=-21,26 кДж

E=0.11B

б)Электрохимический подход

E=E_k-E_a

E=0.12 B

Термодинамический подход точнее, так как в электрохимическом подходе используются значения стандартных потенциалов рассчитанных относительно потенциала водорода, принятого за ноль. В термодинамическом подходе используются конкретные рассчитанные величины энергии Гиббса и числа Фарадея.

2.2.3

При изменении температуры изменяются значения равновесных потенциалов

E^p_Me=E⁰_Me+ lnα^Me при увеличении температуры увеличивается разность потенциалов катода и анода, следовательно увеличивается ЭДС ГЭ.

E,B

2.2.4

 

I,мА/см2

К: -0,126

Eэ

А: -0.250

 

2.2.5 Увеличить напряжение мы можем увеличив ЭДС. Для этого мы можем увеличить температуру, и уменьшить активности ионов обоих электродов. Также можем уменьшить омические потери, уменьшив сопротивление, и уменьшить поляризацию электродов.

U=E-Ir-∆E

 

Задача 2. Электролиз водных растворов.

Задание 1.

Р-р Cu(NO₃)₂ электроны С-графит(инертные электроды).

1.1 Cu(NO₃)₂→Cu²⁺ + 2NO₃^2-

HOH → H⁺ + OH^-

A: OH^-,(NO₃-не подвергается электролизу)

K:H⁺,Cu²⁺

 

E^p_H+/H2=-0.059pH, pH≈5, E^p_H+/H2=-0.295B

E⁰_Cu2+/Cu=0.337

Разница меньше единицы, поэтому на катоде будут проходить 2 процесса одновременно.

 

A: 4OH^-→O₂+2H₂O+4e

 

K: Cu²⁺ + 2e→ Cu

2H⁺+2e→H₂↑

U_min= E^p_O2/OH- - E⁰_Cu2+/Cu= 0.598

 

E^p_O2/OH-=1.23-0.059pH=0.935

E⁰_Cu2+/Cu=0.337

E^p_H+/H2=-0.295B

 

 

 

 

1.2 При замене инертных графитовых электродов на медные, состоящие из такого же металла, ионы которого находятся в растворе, мы не вводим в электролизер ионов других металлов, следовательно электродные процессы не изменятся.

 

Задание 2.

Определите глубину съема металла Al при электрошлифовании его поверхности в водном растворе NaNO₃ при анодном выходе металл по току Bj=50%, если за то же самое время выделится водород объемом 0.112л. ρ=2.7 г/см³

1. Определим массу выделившегося металла при электролизе.

m=V*ρ=π*d²/4*h*ρ=1*5*3.14/4*7.14=28г

2. Электродные процессы. Ионный состав.

NaNO₃→Na⁺ + NO₃^-

HOH → H⁺ + OH^-

K:H⁺,Na⁺

A:OH^-,Al

pH=7

 

E^p_H+/H2=-0.413B

E^p_O2/OH-=0.817B

E⁰_Al3+/Al=-1.662

E⁰_Na+/Na=-2.714

 

K: 2H⁺+2e→H₂↑

A: Al→Al³⁺+3e

 

Находим ток по водороду.

11.2л - 96500 А*с

q=965 А*с

0.112л - х А*с

 

q(Al)=0.5*q= 482.5

 

m= = 0.045г

 

V= =0.017cm³

H=

d=0.5 cm

H=0.086cm

Ответ: глубина съема металла 0.086см.

 

Задача 3. Коррозия металлов и защита от коррозии.

3.1/3.2 Сплав Cd-Cu, раствор CuSO₄ , c(CuSO₄)=0.02 , p_парц(О₂)=0.35, p_парц(Н₂)=1. Определить возможность коррозии.

1)pH среды.

CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄ ^2-

H2SO4 сильная кислота

Cd(OH)2 слабое основание

В растворе

 

Гидролиз происходит по слабой части соли.

Cu²⁺ + HOH ↔ CuOH⁺ + H⁺

CuOH⁺ + HOH ↔ Cu(OH)₂ + H⁺

Ступенчатая диссоциация слабого основания, раствор имеет сложный молекулярный состав.

К_Д(Cu(OH)₂)_{2ой стадии} = 3,4*10^-7

 

К_Г= = 2,94*10^-8

 

β= С(Cu(OH)₂)=0.02 C_H+=β*C

 

pH=-lgC_H+ = 4.6 Кислая среда.

 

2) Определение равновесных потенциалов и электрохимических реакций.

 

E^p_H+/H2=-0.059*pH=-0.271 B

E^p_O2/OH-=1,23+0.0147lg(p_парц(О₂))=1.22В

E⁰_Cu2+/Cu=0.337B

E⁰_Cd2+/Cd=-0.403B

E⁰_Cu2+/Cu> E⁰_Cd2+/Cd => окисление кадмия.

E⁰_Cu2+/Cu < E^p_H+/H2 < E^p_O2/OH- => деполяризация кислорода и водорода.

 

A: Cd → Cd²⁺+2e

K: O₂+4H⁺+4e→2H₂O

2H⁺+2e→ H₂

 

 

 

 

3.3

А) Катодное металлическое покрытие: E(катодного покрытия)>E(компонентов сплава)

 

 

E⁰_Cu2+/Cu=0.337B

ð Можно использовать серебро как покрытие E_Ag2+/Ag=0.799

E⁰_Cd2+/Cd=-0.403B

 

При повреждении покрытия возникнет коррозийный гальванический элемент.

A: Cd → Cd²⁺+2e

K: В зависимости от среды.

 

Анодное металлическое покрытие: E(анодного покрытия) < E(компонентов сплава)

E⁰_Cu2+/Cu=0.337B

ð Можно использовать литий как покрытие E_Li+/Li=-3.045B

E⁰_Cd2+/Cd=-0.403B

При повреждении покрытия сплав – катод коррозионного элемента не корродирует.

A: Li → Li⁺+e

K: В зависимости от среды.

 

Б) Протекторная защита: Е(протектора) < Е(защищаемого элемента/сплава)

 

E⁰_Cu2+/Cu=0.337B

ð Можно использовать калий как протектор E_К+/К=-2.925

E⁰_Cd2+/Cd=-0.403B

 

A: К→ К⁺+e

K: В зависимости от среды.