Составление электродных схем гальванических элементов

Электродные процессы при корозии никель-алюминиевого сплава

Задача 139.
Никель-алюминиевый сплав помещен в 2%-ный раствор соляной кислоты объемом 100 мл. Через 30 мин объем выделившегося газа составил 0,448 л. Какое количество электричества прошло через внешнюю цепь возникающего коррозионного элемента? Насколько уменьшилась масса образца сплава? Запишите схему электродных процессов и условную схему коррозионного элемента.
Решение:

1. Определим какой металл будет корродировать в никель-алюминиевом сплаве

Стандартные электродные потенциалы никеля и алюминия равны соответственно -0,24 В и -1,66 В.  Окисляться, т.е. подвергаться коррозии, будет алюминий. Алюминий имеет более электроотрицательный стандартный электродный потенциал (-1,66 В), чем никель (-0,24 В), поэтому он является анодом, никель – катодом.
Электродные процессы:
Анод         2|Al⁰ – 3электрона  = Al³⁺ 
Катод        3|2Н⁺ + 2электрона  = Н₂⁰

ионно-молекулярная формы процесса:

             3Al + 6H+ = 2Al³⁺  + 3H₂↑

Так как ионы Al³⁺ с ионами Cl^– образуют растворимую соль AlCl₃, которая и будет продуктом коррозии:

         Al³⁺ + 3Cl^– = AlCl₃
         
Образуется хлорид алюминия и при этом выделяется газообразный водород. Происходит интенсивное разрушение алюминия.
Таким образом, при помещении никель-алюминиевого сплава будет корродировать алюминий.

2. Определим количество электричества прошедшего через внешнюю цепь возникающего коррозионного элемента

Для рассчета силы тока используем формулу:

I = (V . F)/(V_Э ^. t) = (0,448 ^. 96500)/(11,2 ^. 1800) = 2,14 A, где

V – объём выделившегося газа (0,448 л), л; V_Э – эквивалентный объём газа, л/моль; I – сила тока,  А;  t – время (30 60 = 1800), с; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

Тогда

Q = I^.t = (2,14 ^. 1800) = 3852 Кл, где

Q — количество электричества, I – сила тока, t – время электродиза.

3. Рассчитаем на сколько уменьшилась масса сплава

Рассчитаем массу корродировавшегося алюминия, используя ионно-молекулярную форму процесса коррозии:

3Al + 6H⁺ = 2Al³⁺  + 3H₂↑.

Из ионно-молекулярнй формы процесса коррозии следует, что 3 моль алюминия выделяют 3 моль водорода, то n(H₂) = n(Al).

Тогда

n(H₂) = n(Al) = V(H₂)/22,4 = 0,448/22,4 = 0,02 моль.

Отсюда

m(Al) = n(Al)^.Ar(Al) = 0,02^.27 = 0,54 г.

Таким образом, масса образца сплава уменьшилась на 0,54 г.
 

Схема гальванического элемента, состоящего из алюминия и кобальта

Задачав 140.
Составить схему гальванического элемента, состоящего из двух металлических пластин опущенных в растворы солей. Металлы: Al и Со. Концентрации растворов солей: 0,4 (Аl) и 0,6 (Co). Напишите ионные уравнения реакций и уравнения электронных процессов. Вычислить э.д.с гальванического элемента. 
Решение:
Электродные потенциалы металлов:

E(Al³⁺/Al) = -1,66 B; E(Co²⁺/Co) = -0,28 B

Следовательно, в гальваническом элементе, в котором электродами являются два металла Co и Al, опущенные в растворы их солей, электроны будут перемещаться от электрода с более положительным значением стандартного потенциала к электроду с более отрицательным значением стандартного потенциала. Так как электродный потенциал собальта (-0,28 B) более электроположителен чем у алюминия (-1,66 B), то электроны будут перемещаться от кобальтового электрода к алюминиевому, т.е. кобальтовая пластина будет катодом, алюминиевая — анодом.
Тогда схема данного гальванического элемента будет иметь вид:

(-)Со|Co²⁺(0,6M)||Al³⁺(0,4M)|Al(+)

Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е = Е₀ + (0,059/n)lgC, где

Е0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация (при точных измерениях активность) гидратированных ионов металла в растворе. Е⁰ для магния равен -2,34В.
Определим электродные потенциалы металлов в растворах при значениях концентраций их ионов:

Тогда

Е(Al) = -1,66 + (0,059/3)lg0,4 = -1,668 B;
Е(Со) = -0,28 + (0,059/2)lg0,6 = -0,2865 B.

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода, получим:

ЭДС = -0,2865 — (-1,668) = +1,38 B.

Ответ: ЭДС = +1,38 B.