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⁺ + SO₄^2-

На электродах протекают следующие реакции: 

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

Полное уравнение:

4Н⁺   + 2Н₂О = 2Н2^   + О₂↑ + 4Н⁺

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

2Н₂О = 2Н2^   + О₂↑

Так как на катоде выделяется водород: 

2|2Н+ + 2 = 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⁺ + SO₄^2-

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

Cu²⁺ + 2 ⇔ Cu⁰

На аноде будет происходить электрохимическое окисление меди – материала анода, поскольку, отвечающий системе:
Cu²⁺ - 2  ⇔ Cu  (+0,34В) значительно ниже 2SO₄^2- + 2  ⇔  S₂O₈^2-  (+2,01В). Ионы  SO₄^2-, движущиеся к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Таким образом, на аноде будет происходить растворение меди - материал анода:
(Сu⁰ - 2 ⇔ 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⁺ + 2 ⇔ Cu⁰
 Анод: Сu⁰ - 2 ⇔ Cu²⁺

Суммарное уравнение катодного и анодного процессов будет иметь вид:

2Cu⁰ + Cu²⁺ = Cu²⁺ + Cu^{0
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⁺ + 1  ⇔ Ag⁰ (+0,80В) значительно положительнее потенциала водородного электрода в нейтральной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление ионов меди:

Ag⁺  + 1 = Ag⁰

На инертных электродах будут протекать следующие процессы:

Kатод(–): Ag⁺  + 1 = Ag⁰;
Анод(+): 2H₂O - 4 = 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⁺ + 2 = H₂↑. В этом случае железо, как более активный метал, чем олово будет анодом на которм потекает процесс: Fe - 2 = Fe²⁺. 
Таким образом, при повреждении целостности покрытия луженного железа в кислой среде будет протекать процесс:

А (анод) (-): Fe - 2  =  Fe²⁺ – окисление;
К (катод) (+):2H⁺ + 2 = 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⁺ + 2  =  H₂↑), а в области анода - ионы железа (Fe - 2 = Fe²⁺) и сульфат-ионы (SO₄^2-), которые образуются при диссоциации серной кислоты (H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2-).

---

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 м^{2 .} 2 м = 24 м³).

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

V_нач.(О₂) = 24 ^. 0,15 = 3,6 м³ = 3600 л;
V_конеч.(О₂) = 24 ^.0,21 = 5,04 м³ = 5040 л;
V_треб.(О₂) = 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:

n_общ.(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) = n_общ.(O₂) ^. V_m = 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.

---