ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
________________________________________________________________________
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан ХТФ
___________В.М. Погребенков
«____» ________________2008г.
КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
Анодное растворение металлов
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Химическое
сопротивление материалов и защита от коррозии» для студентов специальности
170500 «Машины и аппараты химических производств»
Томск 2008
УДК 620.197 (075.8)
Анодное растворение металлов
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу
«Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии» для студентов
специальности 170500 «Машины и аппараты химических производств»– Томск:
Изд. ТПУ. 2008 – 7 с.
Составитель
к.х.н., доц. каф. ОХТ
Рецензент к.т.н., доц. каф. ОХТ
Ю. Н. Обливанцев
О. И. Налесник
Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром
кафедры общей химической технологии “____”_________ 2008г.
Зав. каф. ОХТ, д.т.н., проф.
В.В. Коробочкин
2
Цель работы:
Исследовать кинетику анодного растворения кадмия методом измерения
стационарных поляризационных кривых в не перемешиваемом электролите.
1. Пояснения к работе
Скорость анодного растворения кадмия в некомплексующих электролитах
определяется скоростью процесса диффузии ионов кадмия от поверхности
электрода в объем раствора и зависит от гидродинамических условий и
концентрации ионов кадмия в растворе, т.е. подчиняется закономерностям
диффузионной кинетики. Применим основные положения диффузионной кинетики
для анодного растворения металла
М – ne → Мn+
в стационарных условиях. Условно принимаем, что катодный ток имеет
положительный знак, а анодный – отрицательный. Запишем связь плотности тока с
величиной потока диффузии, пологая, что концентрация ионов металла меняется
только по координате направленной по координате направленной перпендикулярно
плоскости электрода
j  nFJ  nFD grad C  nFD
g
C S C O

(1)
В соотношения (1) входят величины:
j – плотность анодного тока, А/см2;
n – число электронов, участвующих в анодном процессе;
Jg – поток диффузии образовавшихся ионов металла от поверхности электрода
в объем раствора, моль/см2с;
СS, Co – концентрация ионов металла у поверхности электрода и в объеме
раствора, моль/см3;
 – толщина диффузного слоя, т.е. слоя вблизи поверхности электрода в
котором концентрация ионов металла изменяется от поверхностной до объемной,
см;
D – коэффициент диффузии ионов металла, см2/с.
Из соотношений (1) можно получить выражение для поверхностной
концентрации ионов металла
C S  C 
j 
nFD
(2)
Чтобы рассчитать значение потенциала анода (Ej) при некоторой плотности
тока (j) можно использовать уравнение Нернста для равновесного потенциала, в
которое вместо значения объемной концентрации ионов металла подставить
величину поверхностной концентрации ионов металла.
j 
RT
2,3RT  
.
E j  E 
ln С S  E  
ln C 


1 nF
1
nF
nFD


(3)
3
Если в объеме раствора отсутствуют ионы металла (Сo=0), то
E j  E 
1
j
2,3 RT
2,3RT

2,3RT
lg
 E 
lg

lg j 
1
nF
nFD
nF
nFD
nF
2,3RT
 const 
lg j .
(4)
nF
В уравнениях (3) и (4) вместо стационарного потенциала (E°) используется
формальный потенциал (E1°) системы Mn+/M, т.е. потенциал, который
устанавливается в системе при равенстве концентраций окисленной и
восстановленной форм, а не при равенстве активностей их. Часто в его величину
входит и не устраненный диффузный скачок потенциала на границе двух растворов.
Как следует из уравнения (4), если в объеме раствора отсутствуют ионы
электрорастворяющегося металла, зависимость величины потенциала анода под
током от логарифма плотности тока линейна, из тангенса угла наклона этой
линейной зависимости может быть определено число электронов, участвующих в
анодном процессе.
dE j
2,3 RT
2,3RT n 
,
.
(5)

F  (dE j / d lg j )
nF
d lg j
В случае, когда объемная концентрация ионов металла не равна нулю (С °0),
уравнение (4) не выполняется, другими словами зависимость потенциала анода от
логарифма плотности тока не является линейной. В этом случае необходимо
использовать уравнение (3).
Из уравнения (3) получается, что
nF ( E  E  )
j 1
j
RT
e
 C 
nFD
 nF ( E  E  ) 
j
1 

и зависимость exp 
 от j прямолинейная.
RT



Необходимое для построения зависимости (6) значение формального
потенциала E  можно вычислить, зная величину равновесного потенциала при
1
заданной объемной концентрации его ионов в растворе.
RT
E p  E 
ln C  ,
1 nF
RT
E  E p 
ln C  .
1
nF
Из наклона линейного участка зависимости (6) можно определить отношение 
/ nFD, т.е. задавая  / D определить n, или зная n определить отношение  / D. Для
выполнения подобных расчетов необходимо знать истинную плотность тока,
4
которую можно рассчитать зная истинную поверхность электрода. Для твердых
электродов значения геометрической, истинной поверхности могут сильно
отличатся, что учитывается фактором шероховатости (f1)
S
f  истин
1 S
геом
Если используется амальгамированный электрод, то в этом случае f1 = 1, т.к.
S истин  S геом .
2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБРАБОТКЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКЕ
РЕЗУЛЬТАТОВ.
В работе необходимо измерить стационарные анодные поляризационные
кривые в неперемешиваемых двух растворах:
1. 0,5 М серная кислота,
2. 510–3 М сульфат кадмия + 0,5 М серная кислота.
В качестве кадмиевого электрода используется или цилиндрический стержень
из металлического кадмия, запрессованный в тефлон, или (…) кадмиевая пластинка,
изолированная эпоксидной смолой. Рекомендуется использовать электрод с рабочей
поверхностью 0,5  1,0 см2.
Поляризационные кривые измеряются в обычной стеклянной 3-х электродной
ячейке. В качестве электрода сравнения лучше использовать ртутный сульфатнозакисный электрод 0,5 М H2SO4 | Hg2SO4, Hg. Необходимо помнить, что капилляр
электролитического ключа электрода сравнения должен подходить непосредственно
к рабочей поверхности электрода. Вспомогательным электродом (катодом) может
служить платиновый электрод. Рабочие анодные и катодные пространства в ячейке
должны быть разделены диафрагмой.
Стационарные
поляризационные
кривые
желательно
измерять
в
гальваностатическом режиме. Для удаления из раствора растворенного кислорода
необходимо пропускать через исследуемый раствор инертный газ (водород, аргон,
азот) в течение 20 минут.
Анодную поляризационную кривую начинают снимать после 20 минутной
выдержки электрода в рабочем растворе. Рекомендуется снимать от малых
значениях тока до больших (А): 510–4, 110–3, 210–3, 510–3, 110–2, 210–2. Значение
потенциала записывают через 1 минуту после установления нового значения тока.
Измерив поляризационную кривую один раз необходимо выключить наибольшее
значение тока и через 10 минут измерить поляризационную кривую повторно.
Сменив раствор в ячейке на второй рабочий раствор (с содержанием ионов
кадмия) необходимо также удалить растворенный кислород и измерить
равновесный потенциал электрода, а затем поляризационную кривую как описано
выше.
Второй рабочий раствор рекомендуется готовить разбавлением из 0,5 М CdSO4
+ 0,5 M H2SO4. Для разбавления использовать 0,5 М раствор H2SO4. Полученные
5
экспериментальные данные, а также результаты их обработки по изложенным выше
соотношениям (уравнения (4), (6)) заносятся таблицу и делается вывод по работе.
3. ТРЕБОВАНЯ К ОТЧЕТУ.
Отчет должен содержать цель работы, методику эксперимента, электрическую
схему установки, рисунок ячейки, перечень используемых приборов и реактивов,
экспериментальные данные в виде таблиц и графиков, выводы по работе.
4. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ.
1.
2.
3.
4.
5.
Что является причиной поляризации? Какова причина возникновения
перенапряжения диффузии?
Что такое поток вещества? Какова связь между величиной плотности тока на
электроде и величиной потока вещества к электродной поверхности?
Как Вы понимаете “поверхностная концентрация”?
Запишите уравнение поляризационной кривой при стационарной диффузии?
Что такое “предельная диффузионная плотность тока”. Какие факторы влияют
на ее величину и как?
5. ЛИТЕРАТУРА.
Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. – М.: Высшая школа, 1984, с.
299–311.
2. Кравцов В.И., Красников Б.С., Цвентарный Е.Г. Руководство к практическим
работам по электрохимии.– Л.: ЛГУ, 1979, с. 154–158.
3. Семёнова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита
от коррозии. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 336 с.
1.
6
Анодное растворение металлов
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Химическое
сопротивление материалов и защита от коррозии» для студентов специальности
170500 «Машины и аппараты химических производств»– Томск: Изд. ТПУ. 2008 – 7
с.
Составитель
к.х.н., доц. каф. ОХТ
Ю.Н. Обливанцев
Подписано к печати
.08.
Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Печать RISO. Усл. печ. л.
. Уч.-изд. л.
Тираж
экз. Заказ
Цена свободная.
Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленин 30
7