Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Химия»
Скачать 1.25 Mb.
|
Контрольные вопросы и задачи 1. Какие реакции называются окислительно-восстановительными? 2. Что называется степенью окисления, как она определяется у эле- ментов в сложных соединениях? 3. В чем заключается сущность процессов окисления и восстановле- ния? 4. Какие простые вещества элементов периодической системы Д.И. Мен- делеева обладают наиболее сильными окислительными и восстановительны- ми свойствами? 5. Назовите часто применяемые окислители и восстановители. 6. Какие из приведенных ниже уравнений являются окислительно- восстановительными? Укажите в них окислитель и восстановитель. Ответ мотивируйте: а) 2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O б) 2NaBr + 2H2SO4 = Br2 + Na2SO4 + SO2 + 2H2O в) РВr3 + 3H2O = 3HBr + H3PO3 г) CaO + H2O = Ca(OH)2 д) Сa + 2H2O = Ca(OH)2 + H2 е) Mn(OH)2 + 2HCl = MnCl2 + 2H2O ж) MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕ- АКЦИИ 7. Пользуясь периодической системой Д.И. Менделеева, укажите, как будут изменяться восстановительные свойства атомов в группе галогенов и в группе щелочноземельных металлов. 8. Между какими из элементов Fe, S, Br, Na, Cs, I, Se, Ra могут проте- кать окислительно-восстановительные процессы? Напишите схему этих процессов. 9. Окисление или восстановление происходит при переходах: а) NH3 → NO2 для азота; б) Cr2(SO4)3 → CrSO4 для хрома; в) MnSO4 → KMnO4 для марганца; г) KMnO4 → K2MnO4 для марганца? 10. Подберите коэффициенты для следующих окислительно-восстанови- тельных реакций методом электронного баланса и укажите окислители и восстановители: а) H2S + HNO3 → H2SO4 + NO + H2O б) H2S + Cl2 + H2O → H2SO4 + HCl в) AgNO3 + Na2SnO2 + NaOH → Ag + Na2SnO3 + NaNO3 + H2O г) Na2MoO4 + HCl + Al → MoCl2 + AlCl3 + NaCl + H2O д) I2 + HNO3 → HIO3 + NO2 + H2O e) Fe2(SO4)3 + Zn → Fe + ZnSO4 ж) K2Cr2O7 + H2SO3 + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O з) CrCl3 + H2O2 + NaOH → Na2CrO4 + NaCl + H2O ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ. ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ Цель работы Ознакомление с процессами химической и электрохимической корро- зии, протекающими в различных средах, и некоторыми методами борьбы с коррозией. Краткие теоретические сведения Металлы и изделия из них, соприкасаясь с воздухом, водой и различными агрессивными реагентами, постепенно подвергаются разрушению, коррозии. Коррозия – это разрушение металла в результате его физико- химического взаимодействия с окружающей средой. При этом металлы окис- ляются и образуют продукты, состав которых зависит от условий коррозии. Коррозия протекает с уменьшением энергии Гиббса. Поэтому эти процессы протекают самопроизвольно. Химическая энергия реакции корро- зионного разрушения металлов выделяется в виде теплоты и рассеивается в конечном счете в окружающем пространстве. Безвозвратные потери от коррозии составляют до 15 % от ежегодного производства металлов. Цель борьбы с коррозией – это сохранение ресурсов металлов, мировые запасы которых ограничены. Изучение коррозии и разра- ботка методов защиты металлов от нее представляют теоретический интерес и имеют большое народно-хозяйственное значение. По механизму протекания коррозионного процесса, зависящему от характера внешней среды, с которой взаимодействует металл, различают хи- мическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия характерна для сред, непроводящих электриче- ский ток. По условиям протекания коррозионного процесса различают: а) газо- вую коррозию – в газах и парах без конденсации влаги на поверхности металла, обычно при высоких температурах; б) коррозию в неэлектролитах – агрессив- ных органических жидкостях. Электрохимическая коррозия характерна для сред, имеющих ион- ную проводимость. При электрохимической коррозии процесс взаимодейст- вия металла с окислителем включает анодное растворение металла и катод- ное восстановление окислителя. Электрохимическая коррозия может проте- кать: а) в электролитах – в водных растворах солей, кислот, щелочей, в мор- ской воде; б) в атмосфере любого влажного газа; в) в почве. Особым видом электрохимической коррозии следует считать корро- зию за счет внешнего электрического тока. Наибольший вред наносит электрохимическая коррозия, причиной ко- торой может быть неоднородность поверхности металла и различные метал- лические и неметаллические примеси. В этом случае наряду с химическими процессами (отдача электронов) протекают электрические процессы (перенос электронов от одного участка к другому). Механизм электрохимической коррозии. Коррозия металла в средах, имеющих ионную проводимость, протекает через анодное окисление металла М – nē → Мn+ и катодное восстановление окислителя Ох + nē → Red Окислителями при коррозии служат молекулы кислорода, хлора, ионы водорода, железа (III), нитрат-ионы и др. Наиболее часто при коррозии на- блюдается восстановление кислорода: в нейтральной или щелочной среде – О2 + 2Н2О + 4ē → 4ОН– в кислой среде – О2 + 4Н+ + 4ē → 2Н2О и выделение водорода – 2Н+ + 2ē → Н2 Коррозия с участием кислорода называется коррозией с кислородной деполяризацией; коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с водородной деполяризацией. Кроме электрохимических реакций при коррозии обычно протекают вторичные химические реакции, например, взаимодействие ионов металла с гидроксид-ионами, концентрация которых повышается в результате катод- ных реакций Мn+ + n OH– = M(OH)n Как видно, процессы электрохимической коррозии подобны процес- сам, протекающим в гальванических элементах. Основным отличием являет- ся отсутствие внешней цепи. Электроны в процессе коррозии не выходят из корродирующего металла, а двигаются внутри металла. Химическая энергия реакции окисления металла передается не в виде работы, а лишь в виде теп- лоты. Схема электрохимической коррозии железа в контакте с никелем в среде электролита – серной кислоты приведена на рис. 12.1. Железо как металл с меньшим значением стандартного электродного потенциала является анодом и, соответственно, окисляется: Fe – 2ē → Fe2+ На катодных участках (никель) происходит восстановление окислите- ля – ионов водорода: 2Н+ + 2ē → Н2 Катодные и анодные участки в металле чередуются и имеют очень малые размеры, т. е. речь идет о микроанодах и микрокатодах и соответст- венно о коррозионных микроэлементах. Скорость коррозии тем больше, чем дальше в ряду стандартных элек- тродных потенциалов расположены те металлы, из которых образовался гальваническая пара. На скорость коррозии влияет и характер раствора электролита. Чем выше его кислотность (т. е. меньше рН), а также чем больше содержание в нем окислителей, тем быстрее протекает коррозия. Значительно возрастает коррозия с ростом температуры. Некоторые металлы при соприкосновении с кислородом воздуха или в агрессивной среде переходят в пассивное состояние, при котором резко за- медляется коррозия. Например, серная и азотная кислоты, концентрация ко- торых близка к 100 %, легко пассивируют железо и оно практически не взаи- модействуют с кислотами. Причина заключается в том, что на поверхности металла образуется плотная оксидная пленка, которая препятствует контакту металла со средой. Защитная пленка всегда имеется на поверхности алюминия. Подобные пленки в сухом воздухе образуются также на Be, Cr, Zn, Ta, Ni, Cu и других металлах. При определенных условиях кислород является наиболее распро- страненным пассиватором. Защита от коррозии. Выбор способа защиты металлических изделий от коррозии определяется его эффективностью, а также экономической целе- сообразностью. Все методы защиты условно делятся на следующие группы: а) легирование металлов; б) защитные покрытия (металлические и неметал- лические); в) электрохимическая защита; г) изменение свойств коррозионной среды; д) рациональное конструирование изделий. Легирование металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивность металла. В качестве таких компонен- тов применяют хром, никель, алюминий и др. Введение некоторых добавок к сталям (титана, меди, хрома и никеля) приводит к тому, что при коррозии об- разуются плотные продукты реакции, предохраняющие сплав от дальнейшей коррозии. Защитные покрытия. Это слои, искусственно создаваемые на поверх- ности металлических изделий и сооружений для защиты их от коррозии. Выбор вида покрытия чаще всего зависит от условий, в которых используется металл. Металлические покрытия. Материалами для металлических защит- ных покрытий могут быть как чистые металлы (цинк, кадмий, алюминий, серебро и др.), так и их сплавы (латунь, бронза). По характеру поведения ме- таллических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные. К катодным относятся покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительное значение, чем потенциал основного ме- талла. В качестве примеров катодных покрытий стальных изделий можно привести медь, никель, серебро. При повреждении покрытия (или наличии пор) возникает коррозионный элемент, в котором основной материал служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделя- ется водород или поглощается кислород. Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла. Примером анодного покрытия может служить цинк на стальных изделиях. В этом слу- чае основной металл будет катодом коррозионного элемента, поэтому он не корродирует. Потенциалы металлов зависят от состава растворов, поэтому при изменении состава раствора может меняться и характер покрытия. Неметаллические защитные покрытия. Они могут быть как органи- ческими, так и неорганическими. Защитное действие этих покрытий сводится в основном к изоляции металла от окружающей среды. В качестве неоргани- ческих покрытий применяются неорганические эмали, оксиды металлов, со- единения хрома, фосфора и др. К органическим относятся лакокрасочные покрытия, покрытия смолами, пластмассами, полимерными пленками, рези- ной. Электрохимическая защита. Метод основан на торможении анод- ных или катодных реакций коррозионного процесса. Электрохимическая за- щита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции металла с более отрицательным значением электродного потенциала – протектора, а также катодной (катодная защита) или анодной (анодная защита) поляриза- цией за счет извне приложенного тока. Наиболее применима электрохимиче- ская защита в коррозионных средах с хорошей ионной проводимостью. Ка- тодная защита используется для защиты от коррозии подземных трубопрово- дов, кабелей; ее также применяют к шлюзовым воротам, подводным лодкам, водным резервуарам и пр. Сущность катодной защиты заключается в том, что защищаемое из- делие подключается к отрицательному полюсу внешнего источника постоян- ного тока, поэтому оно становится катодом, а анодом служит вспомогатель- ный, обычно стальной электрод, который растворяется: M – nē → Mn+ а на защищаемом сооружении (катоде) выделяется водород: 2Н2О + 2ē → Н2 + 2ОН– При протекторной защите к изделию присоединяют металл или сплав, потенциал которого значительно отрицательнее потенциала металла изделия – протектор. В качестве материала протекторов используют сплавы алюминия, магния и цинка. В коррозионной среде металл протектора раство- ряется: Al – 3ē → Al3+ а на изделии выделяется водород: 2Н2О + 2ē→ Н2 + 2ОН– Изменение свойств коррозионной среды. Для снижения агрессивно- сти среды уменьшают концентрацию компонентов, опасных в коррозионном отношении. Например, в нейтральных средах обычно протекает коррозия с поглощением кислорода. Его удаляют деаэрацией или восстанавливают с помощью соответствующих восстановителей (гидразин, сульфиты и т.п.). Агрессивность среды может уменьшаться также при снижении концентрации ионов водорода. Для защиты от коррозии широко применяют ингибиторы – вещества, при добавлении которых в небольших количествах в среду, где на- ходится металл, значительно уменьшается скорость коррозии металла. Инги- биторы применяют главным образом в системах, работающих с постоянным или мало обновляемым объемом раствора. Механизм действия значительного числа ингибиторов заключается в адсорбции ингибитора на корродирующей поверхности и последующем тор- можении анодных или катодных процессов. Рациональное конструирование изделий. Оно должно исключать на- личие или сокращать число и размеры особо опасных с точки зрения корро- зии участков в изделиях или конструкциях, а также предусматривать специ- альную защиту металла этих участков от коррозии. Экспериментальная часть О п ы т 1 Удаление защитной пленки с металла Для проведения опыта вам понадобятся две стеклянные пробирки, в каждую внесите 1,5-2,0 мл дистиллированной воды и несколько крупинок металлического магния. Почему магний в этих условиях не взаимодействует с водой? В одну из пробирок добавьте 6 капель насыщенного раствора хлорида аммония NH4Cl. Объясните активное растворение магния в этой пробирке. Записать уравнения протекающей реакции. О п ы т 2 Коррозия при контакте различных металлов Согнутую под углом стеклянную трубку закрепите в штативе и запол- ните 0,01 н. раствором серной кислоты. В одно из отверстий трубки помести- те медную пластину, в другое – цинковую так, чтобы пластины не соприка- сались. Наблюдайте выделение водорода на поверхности цинка и его отсут- ствие на поверхности меди. Приведите пластинки в контакт друг с другом. Чем объяснить поя- вившееся выделение водорода на поверхности меди? Как влияет контакт с медью на коррозию цинка? Напишитеь схему действия возникшего гальва- нического микроэлемента. О п ы т 3 Катодные и анодные защитные металлические покрытия Две пробирки заполните наполовину дистиллированной водой, до- бавьте по 2-3 капли раствора серной кислоты и гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6] – качественного реактива на ионы железа (II), растворы переме- шать. В одну пробирку опустите полоску оцинкованного железа (железа, по- крытого цинком), в другую – полоску луженого железа (железа, покрытого оловом). Через 1-2 мин наблюдайте изменение окраски раствора в пробирке с луженым железом. Синий цвет раствора обусловлен появлением в растворе ионов железа (II), которые с гексацианоферратом (III) калия образуют турн- булеву синь Fe4[Fe(CN)6]3. Почему цвет раствора в пробирке с оцинкованным железом остался без изменения? Составьте схемы электрохимической корро- зии, протекающей в обеих пробирках. О п ы т 4 Коррозия железа в различных электролитах Для проведения опыта вам понадобятся 5 стеклянных пробирок, на- половину заполненных растворами следующих электролитов: 1 – дистилли- рованной водой; 2 – водным раствором NaCl; 3 – водным раствором MgCl2; 4 – водным раствором NaOH; 5 – водным раствором HCl. В каждую из проби- рок добавьте 2–3 капли гексацианоферрата (III) калия и поместить железную пластину (или гвоздь). Объясните происходящие процессы, сравните интен- сивность коррозии железа в различных средах, запишите уравнения коррози- онных процессов. Выводы оформите в виде таблицы О п ы т 5 Протекторная защита стали В два стеклянных стаканчика налейте по 10 мл разбавленной (~10 %) серной кислоты и по 2-3 капли гексацианоферрата (III) калия. В один стакан- чик опустите стальную пластинку, в другой – стальную пластинку, соеди- ненную металлическим проводником с цинковой пластинкой. Объясните коррозию железа в одном из стаканчиков и ее отсутствие в другом. О п ы т 6 Нанесение гальванического покрытия Никелирование меди. Никелирование проводят в кислых растворах при рН = 5–5,5. Для проведения опыта вам понадобится электролизер, запол- ненный раствором электролита, содержащим NiSO4 (100 г/л), H3PO4 (10 г/л), NaCl (15 г/л). Фосфорная кислота в электролите поддерживает необходимую для никелирования кислотность. Ионы Cl– , адсорбируясь на поверхности ни- келя, препятствуют образованию оксидных пленок, тем самым предотвращают пассивацию анода. Растворимый никелевый анод и предварительно обезжиренный и промытый водой медный катод опустите в электролизер. Подсоедините элек- троды металлическим проводником к источнику постоянного тока. Оптималь- ная плотность тока при никелировании составляет 1-2 А/дм2. Наблюдайте оса- ждение никелевой пленки на медном катоде. Сделайте вывод об окончании процесса. Ответьте на вопросы. Почему на катоде осаждается никель, а не вос- станавливается протон? Почему на аноде не выделяются газообразные продук- ты окисления? Запишите уравнения реакций, протекающих на электродах. |
Похожие:
 | Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине информатика для студентов I курса специальности 080507 IV курса... |  | Методические указания к выполнению практических работ обучающимися по дисциплине оп. 05 |
| Методические указания предназначены для выполнения лабораторного практикума в соответствии с программой курса «Аналитическая химия»... | | ... |
| Учебно-методическое пособие предназначенодля студентов 3 курса, обучающихся по профессии 23. 01. 03 Автомеханик. Пособие содержит... | | Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий |
| Методические указания по проведению лабораторных работ предназначены для студентов гоапоу «Липецкий металлургический колледж» технических... | | Лабораторная работа №1 «Исследование циклов деловой активности на основе предложенных показателей» |
| Информационные технологии на транспорте: Методические указания по изучению раздела «субд ms access» и выполнению лабораторных работ.... | | Методические указания предназначены для студентов экономического факультета, изучающих курсы «Документирование управленческой деятельности»... |