Характеристика химических процессов, протекающих при электролизе солей и коррозии металлов

 

Электрохимические процессы: коррозия металлов, электролиз, получение кислорода на подлодках (кислородные свечи)

 

Задание 1.
1) Какой объем водорода выделится при электролизе водного раствора К2SO4 при прохождении тока 10А в течении 40 минут? Выход по току 85%
2) Привести схемы электродных реакций и суммарные уравнения процессов, протекающих при электролизе раствора: а) Cu(NO3)2 с медным анодом, б) AgNO3 с инертным анодом
3) Записать схему коррозионного гальванического элемента и уравнения электродных реакций, если луженое (покрытое оловом) железо находится в кислой среде Н2SO4 при частичном нарушении целостности покрытия.
4) Для дыхания в замкнутых помещениях (подводные лодки, космические аппараты и др.) используют твердые источники кислорода, действие которых основано на самораспространяющейся экзотермической реакции между хлоратом или перхлоратом и горючим. Рассчитайте, какую массу кислородной свечи состава (масс.) 90% NaClO3, 3% Na2O, 3% Na2O2 и 4% слюды надо сжечь для повышения концентрации кислорода в каюте с 15 до 21 % (об.), имеющей площадь 12 м2 и высоту 2 м. Примите условно выход кислорода за 100 %. Запишите уравнения реакций.
Решение:

1. Расчет объёма водорода при электролизе водного раствора сульфата калия

р-р K2SO4;
t = 40 мин = 2400 с; 
I = 10 A;
F = 96 500 Кл/моль
m (H2) - ?
Диссоциация молекулы К2SO4:
 
К2SO4 = 2К+ + SO42-

На электродах протекают следующие реакции: 

Катод: 2|2Н+ + 2электрон = Н2
Анод: 1|2H2O - 4электрон = O2↑+ 4H+

Полное уравнение:

+   + 2Н2О = 2Н2^   + О2↑ + 4Н+

После сокращения ионов водорода в левой и правой частях уравнения, получим:

2О = 2Н2^   + О2

Так как на катоде выделяется водород: 

2|2Н+ + 2электрон = Н2↑; 

Тогда 

n = 2

m(Н2) = [M(Н2) . I . t]/(n . F) = (2 г/моль . 10 А . 2400 с)/(2 . 96500 A . c/моль) = 48000/193000 = 0,25 г.

Ответ: m(H2) = 0,25 г.
 


2. Схемы электродных реакций и суммарные уравнения процессов, протекающих при электролизе раствора: а) Cu(NO3)2 с медным анодом, б) AgNO3 с серебряным анодом

а) электролиз Cu(NO3)2 с медным электродом

Уравнение диссоциации:

CaSO4 ⇔ Ca2+ + SO42-

Стандартный электродный потенциал системы: Cu2+ + 2электрон ⇔ Cu (+0,34В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:

Cu2+ + 2электрон ⇔ Cu0

На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди – материала анода, поскольку, отвечающий системе:
Cu2+ - 2электрон  ⇔ Cu  (+0,34В) значительно ниже 2SO42- + 2электрон  ⇔  S2O82-  (+2,01В). Ионы  SO42-, движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Таким образом, на аноде будет происходить растворение меди - материал анода:
(Сu0 - 2электрон ⇔ Cu2+), а на катоде – выделение газообразного водорода. В анодном пространстае будет накапливаться сульфат меди, а в катодном пространстве ионы меди, соединяясь с гидроксид-ионами, образуют малорастворимое соединение Cu(OH)ё.

Электронные уравнения процессов, происходящих на электродах в случае медного анода:

Катод: Cu2+ + 2электрон ⇔ Cu0
Анод: Сu0 - 2электрон ⇔ Cu2+

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

2Cu0 + Cu2+ = Cu2+ + Cu0
анод      катод

Электролиз сводится к переносу меди с анода на катод.

Таким образом, при электролизе CuSO4 с медным анодом на катоде будет наблюдаться выделение меди, на аноде будет происходить растворение материала анода (медь) и будут накапливаться ионы меди и сульфат-ионы.

б) AgNO3 с инертными электродами

Нитрат серебра диссоциирует согласно уравнению:

AgNO3 = Ag+  + NO3.

Стандартный электродный потенциал системы Ag+ + 1электрон  ⇔ Ag0 (+0,80В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:

Ag+  + 1электрон = Ag0

На инертных электродах будут протекать следующие процессы:

Kатод(–): Ag+  + 1электрон = Ag0;
Анод(+): 2H2O - 4электрон = O2↑ +4H+.  

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

4Ag+ + 2H2O = 4Ag + 4H+  + O2↑.

Молекулярное уравнение:

4AgNO3 + 2H2O = 4Ag + 4HNO3 + O2↑.

Итак, в ходе электролиза раствора нитрата серебра на инертных электродах будут выделяться серебро (на катоде) и кислород (на аноде). 
 


3. Запись схемы коррозионного гальванического элемента и уравнения электродных реакций, если луженое (покрытое оловом) железо находится в кислой среде Н2SO4 при частичном нарушении целостности покрытия.

Олово имеет менее отрицательный стандартный электродный потенциал (-0,14 В), чем железо (-0,44 В), поэтому оно является катодом, железо – анодом. При контакте олова и железа в кислой среде при частичном нарушении целостности покрытия электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией, т.е. на катоде выделяется водород: 2H+ + 2электрон = H2↑. В этом случае железо, как более активный метал, чем олово будет анодом на которм потекает процесс: Fe - 2электрон = Fe2+
Таким образом, при повреждении целостности покрытия луженного железа в кислой среде будет протекать процесс:

А (анод) (-): Fe - 2электрон  =  Fe2+ – окисление;
К (катод) (+):2H+ + 2электрон = H2↑ — восстановление.

Ионно-молекулярная форма процесса:

Fe0 + 2H+ = Fe2+ + Н20

Таким образом, при контакте луженного железа с серной кислотой в месте его повреждения будет наблюдаться выделение пузырьков газообразного водорода в области катода (2H+ + 2электрон  =  H2↑), а в области анода - ионы железа (Fe - 2электрон = Fe2+) и сульфат-ионы (SO42-), которые образуются при диссоциации серной кислоты (H2SO4 = 2H+ + SO42-).


4. Расчет массы кислородной свечи, необходимый для повышения концентрации кислорода в каюте подводной лодки с 15 до 21%

М(NaClO3) = 106,44 г/моль;
М(Na2O2) = 77,98 г/моль.
Объём помещения равен 24м3 (12 м2 . 2 м = 24 м3).

Определим объем кислорода, требуемый для повышения концентрации его в каюте с 15 до 21%, получим:

Vнач.(О2) = 24 . 0,15 = 3,6 м3 = 3600 л;
Vконеч.2) = 24 .0,21 = 5,04 м3 = 5040 л;
Vтреб.2) = 5040 - 3600 = 1,44 м3 = 1440 л.
  
Для получения кислорода в автономных условиях можно использовать пероксидные соединения щелочных металлов (Na2O и Na2O2), а также хлорат натрия NaClO3. При пропускании через них обогащённого углекислым газом воздуха, происходит поглощение углекислого газа и выделение кислорода.

Уравнения химических реакций имеют вид:

2NaClO3 = 2NaCl + 3O2;
2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2;
Na2O + СО2 = Na2CO3.

Из уравнений реакций вытекает, что на выделение 3 моль кислорода затрачивается 2 моль хлората натрия, а 2 моль пероксида натрия 1 моль кислорода. Оксид натрия в образовании кислорода не участвует, потому что он поглощает углекислый газ. Таким образом, 1,5n(NaClO3) = n(O2); 0,5n(Na2O2) = n2(O2).

В 100 г свечи содержится 90 г NaClO3, 3 г Na2O2. Отсюда рассчитаем количество NaClO3 и Na2O2 в 100 г кислородной свечи, получим:

n(NaClO3) = m(NaClO3)/M(NaClO3) = 90/106,44 = 0,8455 моль;
n(Na2O2) = m(Na2O2)/M(Na2O2) = 3/77,98 = 0,0385 моль.

Рассчитаем объем кислорода, который выделяется при сжигании 100 г кислородной свечи.

Общее количество кислорода, выделяемого 100 г кислородной свечой рассчитаем:

nобщ.(O2) = 1,5n(NaClO3) + 0,5n(Na2O2) = (1,5 . 0,8455) + (0,5 . 0,0385) = 1,26825 + 0,01925 = 1,2875 моль.

Тогда

V(O2) = nобщ.(O2) . Vm = 1,2875 . 22,4 = 28,84 л. 

Таким образом, при сжигании 100 г кислородной свечи образуется 28,84 л кислорода. 

Необходимую массу кислородной свечи рассчитаем из пропорции:

28,84 л кислорода : 100 г свечи = 1440 л кислорода : х г свечи

Отсюда

х = (1440 . 100)/28,84 = 4993 г = 4,993 кг = 5 кг.

Ответ: требуется примерно 5 кг кислородной свечи для обеспечения помещения на подводной лодке необходимым кислородом.