Пользуясь таблицей восстановительных потенциалов и рядом напряжений металлов, исходя из расчётов по уравнению Нернста, укажите, какие металлы являются термодинамически устойчивыми в следующих эксплуатационных средах: кислая пленка, влага (рН=3); разбавленный раствор серной кислоты (0,1М), раствор щелочи (рН=14). (Решение → 1833)

Заказ №38813

Пользуясь таблицей восстановительных потенциалов и рядом напряжений металлов, исходя из расчётов по уравнению Нернста, укажите, какие металлы являются термодинамически устойчивыми в следующих эксплуатационных средах: кислая пленка, влага (рН=3); разбавленный раствор серной кислоты (0,1М), раствор щелочи (рН=14).

Решение:

Под влиянием внешней среды металлы окисляются и в результате разрушаются. Это и называется коррозией. Какова же причина разрушения металлов? Все они, за исключением золота, серебра и платины, встречаются в природе в виде соединений, которые образуют минералы и горные породы. Существование металлов в свободном состоянии энергетически менее выгодно. Чтобы получить их в чистом виде, необходимо затратить энергию, в основном тепловую. Из естественного природного состояния их переводят в металлическое. Металлы, корродируя, возвращаются в энергетически выгодное состояние оксидов (рис. 1). Рис. 1. Схема изменения энергии при получении металлов и при коррозии Коррозия бывает двух видов: химическая и электрохимическая. Химическая коррозия Кислород воздуха взаимодействует с поверхностным слоем металла, при этом образуется оксидная пленка. Она образуется в условиях сухого воздуха и при комнатной температуре, и при нагревании. Такую коррозию называют химической. Пленка может быть прочной и препятствовать дальнейшему процессу коррозии. Такие прочные пленки образуются на поверхности алюминия и цинка. Но есть и рыхлые пленки, которые не предохраняют металл от разрушения, как, например, у оксидов щелочных металлов. Так, поверхность только что отрезанного кусочка натрия на глазах мутнеет, образуется рыхлая, с трещинами пленка, свободно пропускающая к поверхности металла кислород воздуха, а также другие газы и пары воды. Быстрое окисление на воздухе металлического натрия или кальция – пример химической коррозии. Если очистить поверхность металлической пластинки и нагреть, то постепенно на поверхности появляются так называемые цвета побежалости, т. е. поверхность пластинки окрашивается во все цвета радуги. Это появляются пленки различной толщины, они поразному преломляют свет. Протекающие при химической коррозии окислительно-восстановительные процессы осуществляются путем непосредственного перехода электронов на окислитель. Примерами химической коррозии являются реакции металлов с кислородом, хлором, оксидами серы. В результате такой коррозии сильно разрушаются многие важные детали инженерных конструкций (газовые турбины, сопла ракетных двигателей, арматура печей и т. д.). Электрохимическая коррозия Этот вид коррозии проходит в среде, проводящей электрический ток. Многие металлические предметы, которые мы используем в быту, не подвергаются видимой коррозии, в то время как потерянный ключ быстро ржавеет. Электрохимическая коррозия зависит от внешних условий (состава и концентрации электролита). Скорость разрушения разных металлов различна. Электрохимическая коррозия наблюдается и в том случае, когда контактируют металлы, находящиеся в ряду напряжений на некотором расстоянии друг от друга. Так, если при изготовлении изделия из листового железа используют медные заклепки, то в присутствии влаги они будут играть роль катода, а железный лист станет анодом и, следовательно, будет разрушаться. Стандартные электродные потенциалы увеличиваются в ряду: Li < K < Rb < Cs < Ba < Ca < Na < Mg < Al < Mn < Cr < Zn < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H2 < Cu < Ag < Hg < Pt < Au. Значение стандартного электродного потенциала зависит от нескольких процессов: атомизации металла с полным разрушением его кристаллической структуры, ионизации атомов металла в газовой фазе, перехода ионов металла в водный раствор. Чтобы по таблицам электродных потенциалов определить ЭДС гальванической пары в нестандартных условиях, необходимо вносить известные поправки. Так, если концентрация ионов металла в растворе отличается от 1 моль/л, для расчёта потенциала используют уравнение Нернста для системы металл раствор: E = E° + ((R•T)/(n•F)) •lg[Men+] где E - электродный потенциал; E° - стандартный электродный потенциал; R - универсальная газовая постоянная; T - абсолютная температура; n - валентность ионов металла; F - число Фарадея (F = 96 500 Кл); [Men+] - концентрация ионов металла, моль/л. Физический смысл E° делается понятным, когда [Men+] = 1 моль/л. Тогда lg[Men+] = 0 и E=E°. Таким образом, стандартный электродный потенциал (E°) - это потенциал, возникающий на границе металла с раствором его ионов при концентрации последних 1 моль/л. E° - это основная характеристика электрода.