- •Окислительно-восстановительные процессы практикум по курсу«химия»
- •080100.62 «Экономика»
- •Содержание
- •Введение
- •Общие правила выполнения лабораторных работ
- •Правила работы в химической лаборатории
- •Правила техники безопасности
- •Правила противопожарной безопасности
- •Оказание первой помощи
- •1 Лабораторная работа окислительно-восстановительные реакции
- •1.1 Теоретическая часть
- •Окислители:
- •Восстановители:
- •1. Порядок составления овр методом электронного баланса
- •2. Порядок составления овр методом электронно-ионного баланса
- •Метод электронного баланса
- •Метод электронно-ионного баланса
- •Типы окислительно-восстановительных реакций
- •1. Межмолекулярные окислительно-восстановительные реакции
- •2. Реакции – диспропорционирования
- •3. Овр внутримолекулярные
- •1.2 Экспериментальная часть
- •1.3 Кейс-Задания
- •1.4 Контрольные вопросы
- •2 Лабораторная работа электрохимические свойства металлов. Гальванические элементы
- •2.1 Теоретическая часть
- •Механизм возникновения электродного потенциала
- •Факторы, от которых зависит величина электродного потенциала
- •Измерение электродных потенциалов Ряд напряжений металлов
- •Типы электродов
- •Гальванические элементы
- •Промышленные источники тока
- •Применение гальванических элементов в строительстве
- •2.2 Экспериментальная часть
- •2.3 Кейс-Задания
- •2.4 Контрольные вопросы
- •3 Лабораторная работа коррозия металлов. Методы защиты от коррозии
- •3.1 Теоретическая часть
- •Методы защиты металлов от коррозии
- •3.2 Экспериментальная часть
- •3.3 Кейс-задания
- •3.4 Контрольные вопросы
- •4 Лабораторная работа электролиз водных растворов электролитов
- •4.1 Теоретическая часть
- •Электролиз раствора гидроксида натрия с графитовыми электродами
- •Примеры решения задач
- •4.2 Экспериментальная часть
- •4.3 Кейс-задания
- •4.4 Контрольные вопросы
- •5 Самостоятельная работа студентов
- •6 Тесты
- •6.1 Тема: «Окислительно-восстановительные реакции»
- •6.2 Тема: «Электрохимические свойства металлов. Гальванические элементы»
- •6.3 Тема: «коррозия металлов»
- •6.4 Тема: «электролиз»
- •Словарь терминов
- •Библиографический список
- •Важнейшие восстановители и окислители
- •Окисленные и восстановленные формы марганца и хрома в зависимости от среды
- •Стандартные потенциалы металлИческих и газовых электродов
- •Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы некоторых систем
- •Термодинамические характеристики некоторых веществ
2.3 Кейс-Задания
В два стакана налито по 25 мл 0,1 М раствора AgNO3. Растворы соединены солевым мостиком, содержащим КNO3, и в них введены одинаковые серебряные электроды. Разность потенциалов между электродами равна нулю. Почему? В один из стаканов налили 10 мл раствора Pb(NO3)2 , вследствие чего между электродами возникла ЭДС, равная 0,007 В. Чему равна массовая доля примеси серебра в свинце, если раствор Pb(NO3)2 приготовлен растворением 10 г свинца, загрязненного серебром, в азотной кислоте? Коэффициенты активности растворов принять равными 1, температуру 298К.
В заряженном свинцовом аккумуляторе, состоящем из шести последовательно соединенных элементов, электролитом является 38%-ная серная кислота (ρ=1,286 г/см3). Чему равна ЭДС аккумулятора в заряженном состоянии и разряженном, когда концентрация кислоты равна 5%, а ρ=1,025 г/см3.
Известно, что для питания различной аппаратуры используется сухой марганцево-цинковый элемент. Какова должна быть минимальная масса цинкового электрода, при ЭДС элемента, равной 1,5В? Составьте электрохимическую схему и приведите процессы на электродах.
В настоящее время, как источники электрического тока, наибольший интерес вызывают низкотемпературные топливные элементы. Среди которых, наиболее простым является водородно-кислородный топливный элемент. Рассчитайте стандартную ЭДС такого элемента, при рабочей температуре 25°С (относительное парциальное давление = 1Па). Чему будет равна константа равновесия протекаемой электрохимической реакции в этом элементе? (Расчет проводить на 1 моль образовавшейся воды, с использованием данных приложения Д).
2.4 Контрольные вопросы
Вычислить электродный потенциал серебра, опущенного в раствор его соли с концентрацией 0,001 моль/л.
Составить электрохимическую схему свинцово-алюминиевого гальванического элемента. Записать процессы, протекающие на электродах и уравнение токообразующей реакции. Рассчитать ЭДС элемента.
В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи следующих гальванических элементов: а) Мg | Мg2+ || Рb2+ | Рb; б) Сu | Сu2+ || Аg+ | Аg, если концентрации растворов электролитов 1М? Какой металл будет растворяться в каждом из этих случаев?
Вычислить потенциал водородного электрода, погруженного: а) в раствор с рН = 4; б) в раствор с рН = 11.
Электродвижущая сила элемента, состоящего из медного и свинцового электродов, опущенных в 1М растворы соответствующих солей, равна 0,47В. Изменится ли ЭДС, если взять растворы с концентрацией 0,001М? Ответ подтвердить расчетом.
3 Лабораторная работа коррозия металлов. Методы защиты от коррозии
3.1 Теоретическая часть
Коррозия (от лат. сorrodere – разъедать, разрушать) – самопроизвольный процесс разрушения металла вследствие его окисления при воздействии с окружающей средой:
Ме0 – nē = Меn+
Коррозию металлов по характеру ее проявления различают:
- равномерная;
- неравномерная;
- межкристаллитная;
- нитевидная.
Классификация коррозийных процессов по механизму их протекания подразделяет коррозию на химическую, электрохимическую и электрокоррозию.
Химическая коррозия возникает при взаимодействии металлов с сухими газами или неэлектролитами. Этот процесс происходит в отсутствии электролитов. К химической коррозии относится:
- газовая коррозия, которая протекает в газовой среде (Cl2, H2S, SO2 и др.) без конденсации влаги на поверхности металлов при высокой температуре. Такая коррозия происходит при ковке или сварке металлов;
- коррозия в органических жидкостях. Например, коррозия нефтепроводов, коррозия двигателя внутреннего сгорания под действием жидкого топлива.
В результате химической коррозии металл покрывается оксидной пленкой. У некоторых металлов (Al, Zn, Cr и др.) на поверхности образуется плотная защитная пленка, которая замедляет, а иногда и прекращает дальнейшую коррозию металла. Рыхлая оксидная пленка не обладает защитным действием и не предохраняет металл (например, Fe) от дальнейшей коррозии.
Электрокоррозии подвержены металлы, находящиеся под действием блуждающих токов (например, вблизи линий электропередач, трамвайных и троллейбусных линий в городах).
Электрохимическая коррозия металлов – совокупность пространственно разделенных процессов окисления (анодный процесс) и восстановления (катодный процесс). Этот вид коррозии происходит в токопроводящих средах, содержащих электролиты, например, во влажном воздухе или в морской воде.
В основе процессов электрохимической коррозии лежит работа короткозамкнутых микро- или макрогальванических элементов (коррозийных гальванопар), основные моменты которой являются:
1) процесс анодного окисления (роль анода выполняет более активный металл);
2) переход электронов с анодного участка на катодный (в отличие от обычного гальванического элемента электроны движутся внутри металла из-за отсутствия внешней цепи);
3) перемещение ионов в растворе электролита;
4) процесс катодного восстановления окислителей, присутствующих в растворе электролита.
Причинами возникновения гальванопар могут являться, например: контакт двух металлов, находящихся в растворе электролита, примеси в металлах, контакт металла с его оксидом, электрохимическая неоднородность поверхности металла и др.
Окислители снимают избыточный отрицательный заряд с поверхности катода, уменьшая его поляризацию, поэтому их называют в этом процессе деполяризаторами.
Наиболее распространенные в природе окислители – ионы водорода и растворенный в воде кислород, поэтому различают:
водородную деполяризацию (происходит в кислых средах)
2Н+ +2ē = Н2
кислородную деполяризацию (влажный воздух, морская вода, почвенные воды нейтрального характера и т.п.)
О2 + 2Н2О + 4ē = 4ОН-
Таким образом, в кислых средах продуктами коррозии являются соль металла-анода и газообразный водород, а в нейтральной среде – гидроксид металла-анода Ме(ОН)n или его оксогидроксид МеО(ОН)n-2.
Металлы, применяемые в технике, всегда содержат примеси других металлов, поэтому металл-основа и металл-примесь образуют множество микрогальванических элементов.
Сталь состоит в основном из мельчайших кристалликов железа (феррит), смешанных с зернами карбида железа (цементит – Fe3C) и углерода. В агрессивной среде возникает гальванический элемент, в котором отрицательным электродом (анодом) является феррит, а положительным электродом (катодом) является цементит и углерод.
По окислительной способности растворенный в воде кислород значительно активнее ионов водорода, поэтому вода, содержащая кислород более опасна в коррозийном отношении.
Схема образовавшегося гальванического элемента:
А (–) Fe | H2O, O2 | Fe3C (+) K
На аноде протекает процесс окисления железа (металл разрушается, ионы его переходят в раствор):
Fe0 – 2ē = Fe2+
На катоде происходит кислородная деполяризация (восстанавливается агрессивная среда):
О2 + 2Н2О + 4ē = 4ОН-
Процессы, протекающие в растворе:
Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2
Последующее окисление до гидроксида железа (III):
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
Продуктами коррозии железа является сложная смесь гидратированных и дегидратированных форм гидроксидов железа (например, FeO(OH)), в упрощенном виде выражается общей формулой: Fe2O3 · nH2O (ржавчина – бурый рыхлый порошок, который не защищает поверхность железа от дальнейшего разрушения).
Электрохимической коррозии подвержены стальная и алюминиевая арматура железобетона при образовании в теле бетона микротрещин, по которым в толщу бетона проникают морские, речные или сточные воды. В этом случае скорость электрохимической коррозии зависит от рН среды, влажности грунта, количества растворенного кислорода и других факторов.
Таким образом, при электрохимической коррозии поток электронов направляется от более активного металла к менее активному и более активный металл корродирует. Скорость коррозии будет тем больше, чем дальше стоят друг от друга металлы в ряду напряжений (см. приложениие В), т.е. чем больше величина ЭДС гальванического элемента.