Электрохимия металлов

1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ НА ПОЛИЭЛЕКТРОДЕ

1. Образец цинка (А = 65,4; d = 7,1) с размерами 2,5 см • 2,0 см • 0,01 см потерял за сутки 30% массы. Рассчитать плотность тока коррозии.

Решение производится по расчетной формуле для плотности тока коррозии в соответствии с объединенным законом Фарадея:

j =

Определение массы образца:

m = V•d = 2,5 • 2 • 0,01 [см3] • 7 [г/см3] = 0,35 г

Определение убыли массы образца:

Дm = 0,35 • 0,3 = 0,105 г

Определение площади образца

S = 2,5 • 2,0 • 2 = 10 cм2 = 10-3 м2

Определение плотности тока коррозии (токового показателя коррозии):

j =

2. При кислотной коррозии образца (2 см • 2 см • 5 см) цинка (А = 65,4) за 5 часов выделилось 224 мл водорода. Рассчитать массовый показатель коррозии цинка (г/м2•сут).

Расчетная формула для массового показателя коррозии имеет вид:

Км = Дm / S•ф

Для определения Дm цинка нужно учесть, что вещества взаимодействуют в эквивалентных количествах, то есть при растворении 65,2/2 г цинка выделяется 22,4/2 л водорода. Следовательно, для выделения 0,224 л водорода необходимо растворение 65,4/100 = 0,654 г цинка.

Определение площади образца

S = 2•2•2 + 2•5•4 = 48 см2 = 4,8•10-3 м2

Определение массового показателя

3. Токовый показатель коррозии никеля (А = 58,7; d = 9) составляет 1 мкА/см2. Определить линейный показатель коррозии (мм/год) и убыль массы образца с размерами 10 дм •2 дм •0,01дм за месяц.

Расчетная формула для токового показателя коррозии в соответствии с объединенным законом Фарадея имеет вид:

j =

Линейный показатель имеет выражение:

При подстановке Дm/S•ф из выражения для j в выражение для Кл получаем:

Находим площадь образца с учетом того, что площадью торцев можно пренебречь

S = 40 дм2 = 4•105 мм2

Выражаем Дm из формулы для Кл:

Дm = S•ф•d•Кл = 4•105 [мм2]•1/12[год]•9•10-3[г/мм3]•0,1[мм/год] = 30 г

4. Образец железа (А = 55,8; d = 8) корродирует в кислоте со скоростью 100 мм/год. Рассчитать токовый показатель коррозии.

На основании связи между линейным и токовым показателями коррозии (см. задачу 3) можно записать:

j = n•F•d•Кл / А = 2•26,8 [А•ч/моль]•8•10-3 [г/мм3]•100[мм/год] / (55,8 [г/моль]•24•365 [ч/год]) = 8,7•10-5 А/мм2 = 87 А/м2.

5. Образец железа (А = 55,8; d = 8) за месяц уменьшил толщину на 0,2 см. Рассчитать токовый показатель коррозии (А/дм2).

Токовый показатель имеет выражение:

j =

Принимаем S = 1см2 и определяем Дm = S•д•d = 1[cм2]•0,2[cм]•8[г/см3] = 1,6 г

j = = 2,1 мА/см2 = 0,21 А/дм2

6. Плотность тока коррозии цинка (А = 65,4) равна 200 А/м2. Определить объём V водорода, выделившегося при коррозии образца с размерами 2 см • 5 см • 0,1 см за 10 часов.

По объединенному закону Фарадея расчетная формула имеет вид:

V =

7. Плотность тока коррозии цинка (А = 65,4; d = 7,1) в 104 раз выше, чем свинца (А = 207,2; d = 11,3). Определить отношение прокорродировавших масс и объёмов этих металлов при прочих равных условиях (время, площадь и пр.)

Токовый показатель коррозии определяется выражением:

j =

Тогда отношение масс свинца и цинка равно:

Отсюда следует отношение объемов:

= 3,2•10-4 • 7,1/ 11,3 = 2• 10-4

8. При кислотном травлении железа (А = 55,8) с окалиной в виде FeO выделилось 5,6 л газа, а убыль массы образца после полного удаления окалины составила 70 г. Определить соотношение масс металла и окалины, удаленных с изделия в процессе травления.

При решении задачи следует учитывать, что водород выделяется только при взаимодействии кислоты с железом, а убыль массы образца включает массы железа и его оксида. При взаимодействии 1 моля железа с кислотой согласно уравнению электрохимической коррозии выделяется 1 моль водорода. Следовательно, убыль массы металла после полного стравливания окалины составляет:

ДmFe =

Поэтому масса окалины mFeО = 70 - 13,95 = 56,05 г.

Тогда их соотношение ДmFe / mFeО = 13,95 / 56,05 ? 1/4.

Примечание. Здесь рассмотрен упрощенный вариант, так как окалина представляет собой смесь оксидов (это же относится к задаче № 9).

9. При полном снятии FeO с железного (А = 55,8) образца с размерами (1 см • 1 см • 1 см) за 1 час израсходовано 0,1 моля соляной кислоты и выделилось 2 ммоля водорода. Определить удельную массу оксида (г/м2) и токовый показатель коррозии металла.

При решении задачи следует учитывать, что водород выделялся только за счет кислотной коррозии железа, а кислота расходовалась на растворение не только железа, но и окалины. С учетом уравнения эдектрохимической коррозии на выделение 2 ммолей водорода израсходовано 4 ммоля кислоты, а на растворение оксида 100 - 4 = 96 ммолей. Поэтому количество оксида

mFeО = 71,8 [г/моль]•0,096 [моль] = 6,89 г

Площадь электрода S = 1•6 = 6 см2 = 6•10-4 м2.

Следовательно, удельная масса оксида равна:

mFeО / S = 6,89 / 6•10-4 = 1,15•104 г/м2 = 11,5 кг/м2.

Токовый показатель коррозии определяется по формуле:

j =

При полном снятии оксида растворилось Дm/A = 2 ммоля железа. Следовательно, токовый показатель равен:

j=

10. При пропускании тока через образец с однородной поверхностью площадью 1 дм2 за сутки выделилось 2 моля водорода и растворился 1моль железа. Определить величину и полярность стационарной плотности внешнего тока, протекающего через образец, а также выход по току реакции. Объяснить его отклонение от 100%.

Для определения величины и полярности внешнего тока необходимо знать токовые показатели катодной и анодной реакций. Если скорость (ток) катодной реакции выделения восстановителя (водорода) больше скорости (тока) анодной реакции растворения металла (железа), через электрод протекает внешний катодный ток, а его величина равна разности указанных скоростей. Речь идет о стационарных токах и скоростях при стационарном электродном потенциале, хотя это условие применимо и к нестационарным токам и потенциалам. Сказанное относится и к плотностям токов. Для внешнего анодного тока соотношение скоростей будет противоположным

Поскольку число электронов, участвующих в катодной и анодной реакции, одинаково, для суждения о полярности тока достаточно сравнить количества реагента и продукта. Очевидно, что через электрод протекает внешний катодный ток.

Величина его плотности будет равна:

iк = iвН2 - ipFe =

Следует учесть, что Дm/A и V/22,4 - число молей соответственно железа и водорода.

iк = = 223 А/м2

Поскольку через электрод протекает катодный ток, определяем ВТк для выделения водорода:

ВТк = (446 / 223) • 100% = 200%

Значение ВТк = 200% > 100% объясняется тем, что параллельно к катодной реакцией выделения водорода протекает анодная реакция растворения железа со скоростью, в два раза меньшей. Последнее указывает на близость потенциала железа к его потенциалу коррозии.

11. При растворении 130 г цинка (А = 65,4) выделилось за час 5,6 л водорода. Определить полярность тока, его величину и выход по току анодной реакции объяснив его отличие от 100%.

Решение задачи аналогично предыдущей. Ток растворения цинка равен:

Ток выделения водорода равен:

Внешний анодный ток равен:

Ia = - = 106,5 - 13,4 = 93,1 A

Выход по току анодной реакции растворения цинка равен:

ВТа = 106,5/93,1)•100% = 114%

Значение выхода по току растворения цинка более 100% обусловлено параллельным протеканием катодной реакции выделения водорода. Это значит, что потенциал цинкового электрода несущественно удален от потенциала коррозии.

12. При поляризации цинкового (А = 65,4) электрода (2,0 см • 2,5 см • 1 мм) анодным током плотностью 200 А/м2 за час растворилось 0,5 г металла. Определить ВТа и объяснить его отличие от 100%.

Определим плотность тока растворения цинка.

380 А/м2,

где площадь электрода S = 2(2,0•2,5 + 4,5•0,1)•10-4 = 1,09•10-3 м2

Определим выход по току анодной реакции растворения цинка (выход по току ионов цинка).

ВТа = ia = (380 / 200)•100% = 190%/

То, что выход по току более 100%, указывает на параллельное протекание катодных реакций, например, выделения водорода и растворения кислорода.

13. Какие токи имеют место только на катоде и только на аноде простого электрода и полиэлектрода? Общность и различие.

Следует учитывать, что токи восстановления и окисления имеют место на всех электродах, не зависимо от их полярности и количества окислителей и восстановителей.

В случае и простых электродов, и полиэлектродов на катоде имеет место только катодный ток, а на аноде - анодный ток.

Для простых электродов на катоде имеет место направленный переход от Ох к R, т. е. протекает только выделение восстановителя или только растворение окислителя, а на аноде - обратные процессы.

У полиэлектродов не зависимо от их полярности одновременно протекают все термодинамически возможные катодные и анодные реакции выделения и растворения, т. к. наряду с внешними токами протекают внутренние токи саморастворения и самовыделения.

14. Рассчитать, при какой [Cu+] принципиально возможна коррозия меди в обескислороженном 0,1 М растворе НСl. Принять РН2 = 1 атм, коэффициент активности протона равным 0,8 и pE0Cu+/Cu = 0,52 B. Как изменится эта [Cu+] при увеличении [HCl]?

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10