Примеры решения типовых задач по теме

Расчетное задание №4

«Электрохимические процессы. Коррозия и защита металлов».

Задачка 1.Для данного гальванического элемента:

1) составьте уравнения анодной, катодной и токообразующей реакций;

2) высчитайте стандартную ЭДС элемента при 298К 2-мя методами и ЭДС элемента, активность потенциалопределяющих ионов катода в каком увеличена в 10 раз;

3) покажите примерный ход поляризационных кривых и предложите условия, дозволяющие прирастить Примеры решения типовых задач по теме напряжение ГЭ;

4) высчитайте величину наибольшей теоретической энергии Wмакс (Вт ∙с), которая могла быть выработана ГЭ при потере массы анода (в итоге анодной реакции) равной 10 гр (принять, что состояния всех веществ - стандартные при 298 К).

Задачка 2. Для данного аква раствора электролита:

1) составьте уравнения электродных процессов, протекающих на данных электродах при Примеры решения типовых задач по теме электролизе;

2) высчитайте напряжение разложения при 298К; растолкуйте, почему напряжение, подаваемое на электролизёр больше напряжения разложения, покажите ход поляризационных кривых и предложите условия, которые позволят уменьшить подаваемое напряжение;

3) высчитайте массу и объем металла, восстановленного на катоде (S=1м2) при пропускании через электролизёр тока, силой 5A в течение 4 часов и известном выходе Примеры решения типовых задач по теме металла по току (ВМ). Обусловьте толщину приобретенного на катоде гальванического покрытия.

Задачка 3. Для изделия из данного сплава:

1) обусловьте термодинамическую возможность его химической коррозии в среде с данным рН при 298Ки контакте с воздухом (рН2=1атм, рО2 =0,21атм); составьте уравнения вероятного процесса коррозии;

2) высчитайте силу коррозионного тока, если за 5 час Примеры решения типовых задач по теме протекания коррозии на поверхности образовалось 2∙10-2 моль эквивалентов товаров коррозии;

3) предложите все вероятные способы защиты данного изделия от коррозии.

Задачка 4. Для железного изделия (М):

1) обусловьте термодинамическую возможность газовой коррозии М при Т= 4000Св среде газа (р = 2атм); за ранее составив уравнение вероятного процесса с известными продуктами коррозии (считать, что Примеры решения типовых задач по теме ∆r H и ∆r S не зависят от температуры);

2) предложите все вероятные способы защиты М-изделия от коррозии.

Начальные данные к расчетному заданию № 4

Задачка 1 Задачка 2 Задачка 3 Задачка 4
Вар гальваниче-ский элемент ГЭ. электролит электрод Вм,% сплав рН M газ Продукт коррозии
Бромно-цинковый CuCl2 Cu Al-Cu Co Cl2 CoCl2
Хлорно Примеры решения типовых задач по теме-магниевый Cu(NO3)2 Cu Zn-Cu Fe SO2 FeS, FeO
Серебряно-цинковый FeCl2 Fe Pb-Sn Cr H2O Cr2O3
Хлорно-цинковый SnCl2 Sn Ni-Co Cu Cl2 CuCl2
Железо-магниевый ZnCl2 Zn Cu-Ni Fe NO2 FeO
Кислородно-цинковый CoCl2 Co Co-Fe Ni CO2 NiO
Кислородно-магниевый Примеры решения типовых задач по теме NiCl2 Ni Zn-Sn Fe O2 Fe2O3
Никель- кадмиевый AgNO3 C Cu-Sn Co CO2 CoO
Хлорно-цинковый Fe(NO3)2 Fe Ni-Fe Al Cl2 AlCl3
Серебряно-литиевый ZnSO4 Zn Ni-Co Cr H2O Cr2O3
Серебряно-магниевый SnSO4 Sn Cu-Ag W O2 WO Примеры решения типовых задач по теме3
Медно-магниевый CuSO4 Cu Fe-Cu Zn H2S ZnS
Марганцево-литиевый FeSO4 Pt Fe-Sn Ti Cl2 TiCl4
Свинцово-магниевый CdCl2 Cd Zn-Fe Pb NO2 PbO2
Кислородно-литиевый CoSO4 Co Fe-Cd Ni SO2 NiS, NiO
Железо- цинковый NiSO4 Pt Pb-Ag Mo O2 MoO3
Железо- литиевый SnI Примеры решения типовых задач по теме2 Sn Sn-Ag Co O2 CoO
Марганцево-магниевый- CuCl2 Cu Co-Zn Cu O2 CuO
Никель-цинковый CdSO4 Cd Zn-Ni Zn O2 ZnO
Никель-железный CoBr2 Co Cu-Sn Pb H2S PbS
Серебряно-цинкового SnCl2 Sn Fe-Cd Ag O2 Ag2O
Бромно-цинковый FeSO4 Fe Zn-Sn Примеры решения типовых задач по теме Cu NO2 CuO
Кислородно-литиевый NiSO4 C Cu-Ni Cr Cl2 CrCl3
Кислородно-цинковый CdCl2 C Al-Cu Fe CO2 FeO
Медно-магниевый AgNO3 Ag Zn-Cu Cu Cl2 CuCl2

Плотность металла(г/см3):

Медь – 8,93 Кадмий-8,65

Олово-7,28 Серебро -10,49

Железо-7,8 Цинк -7,14

Кобальт-8,7 Никель-8,9

Алюминий-2,7

Методические указания по выполнению расчетного задания Примеры решения типовых задач по теме №4

1.Перед выполнением задач прочтите материал лекций, учебника [2] и главы 7-8 пособия [3].

2. Разберите примеры подобных задач в сборнике [4] и пособии[3].

3.Справочные данные Вы отыщите в [1].

Рекомендуемая литература

1.Лаконичный справочник физико - хим величин./ Под ред. Равделя и Пономаревой.2010.

2.Н.В.Коровин Н.В. Общая химия: учебник -13 изд., - М.: Изд.центр Примеры решения типовых задач по теме Академия, 2011.

3. Общая химия. Теория и задачки: Учебное пособие / Под ред. Н.В. Коровина и Н.В. Кулешова – СПб.: Изд. Лань, 2014.

4.Задачки и упражнения по общей химии. Под ред. Н.В.Коровина. М.:Высшая школа, 2006.

Примеры решения типовых задач по теме

Задачка 1. Для бромно-серебряного гальванического элемента:

-составьте уравнения анодной, катодной и Примеры решения типовых задач по теме токообразующей реакций;

высчитайте стандартную ЭДС элемента при 298К 2-мя методами и ЭДС элемента, активность потенциалопределяющих ионов ai анода в каком уменьшена в 100 раз;

- растолкуйте, почему напряжение элемента меньше ЭДС, покажите ход поляризационных кривых и предложите условия, дозволяющие прирастить напряжение;

- высчитайте величину наибольшей теоретической энергии Wмакс (Вт ∙ч), которая могла быть выработана Примеры решения типовых задач по теме ГЭ при работе, если уменьшение массы анода (в итоге анодной реакции) составило 10,8 грамма (принять, что состояния всех веществ - стандартные при 298 К).

Решение. Потому что Е0Ag < Е0Br2, анод –серебряный электрод. Уравнения процессов, протекающих на аноде и катоде в работающем ГЭ и уравнение токообразующей реакции:

А: 2Аg → 2Аg Примеры решения типовых задач по теме+ + 2е - окисление

К: Br2 + 2е → 2Br - - восстановление

ТОР: 2Аg + Br2 ↔ 2Аg+ + 2Br -

Рассчитываем ЭДС ( Е0Э) ГЭ при с.с. и 298 К, используя термодинамические данные справочника:

D f G0Ag+ = 77,10 кДж/моль; D f G0 Br- = -104,04 кДж/моль;

D f G0 Ag = 0; D f G0 Br2 = 3,14 кДж/моль.

Итак, стандартная энергия Примеры решения типовых задач по теме Гиббса и стандартная ЭДС данного ГЭ при 298 К равны:

DG0ТОР = 2D f G0Ag+ + 2D f G0 Br- - 2D f G0 Ag - D f G0 Br2 =

= 2. 77,10 + 2. (-104,04) - 0 - 3,14 = -57,02 кДж.

Е0Э = - DG0ТОР /nF = - (-57020) / (2. 96500) =

0,266 B.

2-ой метод нахождения ЭДС (по определению):

Е0Э = Е0К - Е0А = Е0 Br Примеры решения типовых задач по теме2 /Br - - Е0 Аg+/Аg = 1,065 - 0,799 = 0,266 В.

Рассчитаем ЭДС (ЕЭ) ГЭ при уменьшении активности потенциалопределяющих ионов анода (ai ) в 100 раз, считая активность ионов катода и парциальное давление газов стандартными, Т = 298 К по уравнению Нернста:

ЕЭ = Е0Э + ln

Подставляя в уравнение известные величины:

Br2= 105 Па/105 Па = 1, а Br- = 1 моль/л; а Аg Примеры решения типовых задач по теме+ =0,01 моль/л получаем:

ЕЭ = 0,266 + lg =0,266+ 0,118 = 0,384 В.

Величина наибольшей теоретической энергии Wмакс, которая могла бы быть выработана ГЭ и отдана им при разряде равна:

Wмакс = Q∙Eэ, где Q-емкость (количество электричества, отдаваемое при разряде), Еэ-стандартная ЭДС

Q определим по следствию из 2-го закона Фарадея:

Q = (1F/1м-э Примеры решения типовых задач по теме )/(m/M)= (26,8А∙ч /1м-э)∙(10,8 г/108г/м-э) = 2,68 А∙ч

Сл-но, энергия Wмакс ГЭ, отданная им при разряде с потерей массы Ag-анода в 10,8 гр равна:

Wмакс = Q∙Eэ0== 2,68 А∙ч ∙ 0,266 В=0,69 Вт∙ч.

Сбалансированные потенциалы электродов и ЭДС могут быть определены в критериях отсутствия тока в цепи. В Примеры решения типовых задач по теме работающем ГЭ при прохождении электронного тока миниатюризируется концентрация начальных реагентов и возрастает концентрация товаров реакции: потенциал анода становится наименее отрицательным, потенциал катода – наименее положительным(поляризация электродов). Кроме этого появляются омические утраты. В итоге напряжение ГЭ меньше ЭДС: U = ЕЭ - I .R -DЕА -DЕК ,

Изменение потенциалов электродов Примеры решения типовых задач по теме под действием тока отражают поляризационные кривые:

Для роста напряжения данного ГЭ можно:

- Понизить поляризацию электродов. Для этого обеспечить неизменный подвод реагентов (Br2), отвод товаров реакции (Br- и Аg+); обеспечить смешивание раствора; применить катализатор; повысить температуру; повысить площадь поверхности электродов (пористые, бугристые электроды).

- Уменьшить сопротивление системы методом сближения анода и Примеры решения типовых задач по теме катода, применением проводников с низким сопротивлением.

Задачка 2. Высчитайте толщину δ никелевого гальванопокрытия железного изделия, поверхностью 1 м2 при никелировании с никелевым анодом в течение 1 часа из аква раствора на базе NiSO4, при плотности тока – 100 А/м,2 выходе по току Ni на катоде – 0,8 (плотность Ni ρ= 8,9 г/см3, рН раствора принять равным 7).

Решение Примеры решения типовых задач по теме. Ионный состав: H+, Ni2+, OH-, SO42-.

Сравнивая значения электродных потенциалов, записываем последовательность вероятных электродных процессов:

[- K]: Ni2+ + 2e → Ni

2Н+ + 2е → Н2↑

[+A, Ni]:Ni → Ni2+ + 2e

4ОН- → О2 ↑ + 2Н2О + 4е

По объединенному уравнению законов Фарадея масса никеля, восстановленного на катоде:

Т.к. объем V = m/ρ = S∙δ, то толщина никелевого покрытия на изделии Примеры решения типовых задач по теме равна:

(9,84 мкм)

Задачка 3.Для аква раствора ZnCl2:

-составьте уравнения электродных процессов при гальванопокрытии Fe-изделия при электролизе с графитовым(C) анодом;

- меняется ли реакция среды при электролизе,

-покажите ход поляризационных кривых

- чему равна теоретическая малая разность потенциалов Uразл, которую нужно подать на электроды для начала проведения электролиза.

Решение.Определим ионный состав Примеры решения типовых задач по теме раствора электролита и оценим водородный показатель среды pH.

ZnCl2 → Zn2+ + 2Cl-

H2O ↔ H+ + OH-

Соль ZnCl2 образована слабеньким основанием Zn(OН)2 и сильной кислотой HCl, как следует, при ее растворении в воде протекает процесс гидролиза с образованием излишка ионов Н+, и раствор электролита имеет слабокислую реакцию среды Примеры решения типовых задач по теме. Примем рН=5. Определим сбалансированные потенциалы вероятных процессов на аноде и катоде и запишем уравнения электродных процессов. Е0Zn2+/Zn = -0,763 B -справочные данные[1],

Е Н+/Н2 = - 0,059 .pH = -0,295 B (по уравнению Нернста при 298 К). Т.к. значения потенциалов Е0Zn2+/Zn и ЕН+/Н2 близки ( <1 В), то на катоде будут Примеры решения типовых задач по теме протекать два процесса восстановления(ионов Zn2+ и ионов Н+ из раствора электролита).

C - нерастворимый анод, потому может быть окисление ионов Cl- и OH- . E0 Cl2 /Cl- =1,359B. По уравнению Нернста при 298 К: EО2 / ОН- = 1,23 - 0,059 .pH = + 0,935 В. Т.к. значения потенциалов Е0Cl2/Cl- и EО2 / ОН- близки (<1 В), то на

аноде Примеры решения типовых задач по теме будут идти оба процесса окисления.

К(Fe) - : 2Н+ + 2e → Н2

Zn2+ + 2e → Zn

A(C)+ : 4OH- → 2O2 + 4H+ + 4e

2Cl- → Cl2 + 2 e

В процессе процесса электролиза на катоде расходуются ионы Н+ - среда становится наименее кислой; на аноде образуются ионы Н+ - среда дополнительно подкисляется.

При прохождении тока через электролизер меняются потенциалы электродов электролизера, т Примеры решения типовых задач по теме.е. появляется электродная поляризация. В итоге катодной поляризации потенциал катода становится более отрицательным; в итоге анодной поляризации потенциал анода становится более положительным. Изменение потенциалов электродов при прохождении тока отражают поляризационные кривые.

Не считая того, имеются омические утраты в проводниках 1-го и 2-го рода. В итоге напряжение Примеры решения типовых задач по теме электролизера больше теоретической малой разности потенциалов, которую нужно подать на электроды для начала проведения электролиза (напряжения разложения):

U = Uразл + I .R +DЕА +DЕК ,

Uразл, равна разнице сбалансированных потенциалов первых процессов, протекающих на аноде и катоде:

Uразл = ЕА - Е К = Eр О2 / ОН- - Ер Н+/Н2 = 0,935- (-0,295) = 1,23 В.

Задачка 4.Составить уравнения Примеры решения типовых задач по теме рафинированияв растворе H2SO4предварительного кобальта,содержащегопримеси – Zn и Cu.

Решение. Ионный состав раствора:

H2SO4 → 2H+ + SO42-

H2O ↔ H+ + OH- пусть: рН=1

\На аноде(предварительный Со): SO42-, OH-, Со, Zn, Cu

Выписываем все потенциалы

Е0Н+/Н2= 0 В (т.к. рН=1)

ЕрО2/ОН- =1,23-0,059рН = +1,17В;

Е0Co2+/Co = - 0,277В

Е0Zn2+/Zn =-0,76В Примеры решения типовых задач по теме;

Е0Сu2+/Cu =+ 0,337В

Þ [+A]: Zn0 → Zn2+ + 2е (сначала, т.к. Е0Zn2+/Zn< Е0Co2+/Co)

Co0 → Co2+ + 2е

Cu не растворяется и выпадает в шлам

На катоде: H+; Co2+; Zn2+

[- K]: 2Н+ + 2е → Н2↑ поначалу, пока ССо=0

Cо2+ + 2е → Cо0 - основной процесс

ионыZn2+ остались в растворе (подбором i )

Задачка Примеры решения типовых задач по теме 5. Для изделия из сплава Zn - Fe:

4) обусловьте термодинамическую возможность его химической коррозии в среде с рН=3 при 298К и контакте с воздухом (рН2=1, рО2 =0,21); составьте уравнения процесса коррозии;

5) высчитайте силу коррозионного тока , если за 2 час. протекания коррозии на поверхности образовалось 5∙10-2 молей эквивалента товаров коррозии;

Решение.а)Сравниваем стандартные потенциалы Примеры решения типовых задач по теме металлов:

Е0 Zn2+/Zn = - 0,763 BÞанодные участки

E0 Fe2+/Fe = - 0,440 BÞ катодные участки

б) Определяем сбалансированные потенциалы окислителей в

данной среде (рН=3, рО2 = 0,21)

≈ 1,217 – 0,059рН ≈ 1,04В

≈ – 0,059рН ≈ -0,18В

в) Сравниваем значения потенциалов окислителей и

металла-анода, делаем вывод о способности данного

процесса коррозии

- 0,763 < 1,04Þвозможна коррозия с поглощением кислорода

- 0,763 < -0,18Þ вероятна коррозия с выделением водорода

(A) Zn → Zn2+ + 2e

(К) O2 + 4H+ + 4 → 2Н2О

2H+ + 2 → H Примеры решения типовых задач по теме2

Согласно следствия из 2 -го закона Фарадея количество прошедшего через систему электричества Q равно: Q = (96500Кл/1м-э) ∙ 5 ∙ 10-2 м-э=

4825 Kл.

Сила коррозионного тока I равна: I= Q/t = 4825А∙с /2∙3600с = 0,67 A.

Задачка 6. Обусловьте термодинамическую возможность коррозии низкоуглеродистой стали (Fe) под действием О2 (рО2 = 5 атм.) при 6000С, протекающей по Примеры решения типовых задач по теме уравнению: Fe + ½ O2(Г)→ FeO.

При расчете зависимостью ∆rН и ∆rS от температуры можно пренебречь.

Решение.Для определения термодинамической способности газовой коррозии Fe под действием O2 определим изменение энергии Гиббса в этих критериях по справочным данным:

∆rG0=∆H0 - T∆S0 = -263800 - 873∙(-70,36) = -202376Дж

Потом применим уравнение изотермы Вант Гоффа:

DrG = DrG Примеры решения типовых задач по теме0 + RT ln(1/p1/2O2)= DrG0 –1/2RT lnрO2 =

-202376 -½8,3∙873∙ln5= -207651,5Дж < 0 ,

т.е. газовая коррозияFe термодинамически вероятна в данных критериях.

Задачка 7. Обусловьте давление О2, при котором прекращается газовая коррозия низкоуглеродистой стали при 6000С:Fе +1/2О2 (г) =FеО

Решение. DrG = DrG0 -1/2RT lnрО2 = 0 _

lg pО2 = -201822•2/2,3 R T= -24 рО2 =10-24

Задачка 8. Обусловьте примерную температуру Примеры решения типовых задач по теме, при которой гаовая коррозия Fe под действием О2 (п.5) в стандартных критериях прекращается.

Решение. ∆rG0 = ∆r H0 - T∆r S0 = 0

T = ∆r H0 / ∆r S0 = (-263800) /(- 70,36) = 3749 К

ВЫВОД: DG >0 при очень низких давлениях кислорода и больших температурах.


primeri-vozdejstviya-cveta-na-cheloveka.html
primeri-zadach-dlya-ekzamenacionnih-biletov.html
primeri-zadach-kazusov.html