Elektrolizni članci i korozija i načini zaštite od korozije

Uvod

Nakon što je Alessandro Volta načinio prvi galvanski članak, došlo se do spoznaje da se djelovanjem struje mogu izazvati kemijske reakcije na elektrodama.

Pogledajte videozapis Elektroliza i uočite promjene koje se zbivaju u procesu koji se odvija kada električna struja prolazi kroz talinu neke soli ili vodenu otopinu soli, kiseline ili lužine.

Elektroliza

Odgovorite na pitanja.

Elektrolizni članak

Elektroliza je rastavljanje tvari djelovanjem električne struje. Provodi se u elektroliznom članku u kojem se električna energija pretvara u kemijsku. Elektrolizni članak se sastoji od posude s elektrolitom, u koji su uronjene dvije elektrode spojene na izvor istosmjerne struje.

Elektrode mogu biti od istovrsnog (grafit) ili različitoga materijala, ovisno o elektrolitu. Anoda se spaja na pozitivni pol, a katoda na negativni pol izvora električne struje.

Elektrolit je talina ili vodena otopina neke soli, kiseline ili lužine. Nakon što se elektrode urone u elektrolit i spoje na izvor istosmjerne struje dolazi do procesa elektolize.

Elekroliza taline olovova(II) bromida

Olovov(II) bromid zagrijavanjem se rastali. Tako nastala talina je elektrolit u kojoj se nalaze olovovi(II) ioni, Pb²⁺ i bromidni ioni, Br^-,koji se slobodno gibaju u svim smjerovima. U talinu se urone grafitne elektrode i spoje električnim vodičima na bateriju (izvor istosmjerne struje). Nakon zatvaranja strujnoga kruga dolazi do usmjerenoga gibanja iona prema suprotno nabijenim elektodama.

[latex]PbBr_2(s)\longrightarrow Pb^{2+}(aq)+2Br^-(aq)[/latex]

Koristeći se interaktivnim shematskim prikazom otkrijte koji su produkti elektrolize taline olovova(II) bromida.

Ukupna jednadžba elektrolize taline olovova(II) bromida:

[latex]Pb^{2+}(l)+2Br^-(l)\longrightarrow Pb(l)+Br_2(l)[/latex]

Olovov(II) bromid se djelovanjem električne struje razložio na olovo i brom.

Elektroliza taline natrijeva klorida

Natrijev klorid jest ionski kristal koji se zagrijavanjem u metalnome lončiću iznad 800 °C rastali. U talini se nalaze natrijevi i kloridni ioni. U talinu se urone grafitne elektrode i spoje električnim vodičima na bateriju (izvor istosmjerne struje).

Elektroliza vode

Elektrolizu vode najbolje je izvesti u Hofmannovu aparatu s platinskim elektrodama jer se može pratiti kvalitativni i kvantitativni tijek reakcije. Voda je slabi elektrolit, pa je potrebno u nju dodati malo razrijeđene sumporne kiseline da bi joj se povećala vodljivost.

Što se zbiva na elektrodama tijekom procesa elektrolize vode? Prisjetite se praćenjem sljedećega rješenog primjera.

Pri elektrolizi vode na grafitnim elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije:

katoda(–): [latex]2H_2O(l)+2e^-\longrightarrow H_2(g)+2OH^-_{^{}}(aq)[/latex] redukcija

anoda (+): [latex]2H_2O(l)\longrightarrow O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-[/latex] oksidacija

___________________________________________________________

[latex]4H_2O(l)+4e^-+2H_2O(l)\longrightarrow2H_2(g)+4OH^-(aq)+O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-[/latex]

ukupno: [latex]2H_2O(l)\longrightarrow2H_2(g)+O_2(g)[/latex]

Elektrolizom vode nastaju vodik i kisik.

Elektroliza vodenih otopina soli

U vodenim se otopinama, osim molekula vode, mogu nalaziti i ioni disociranih soli, kiselina ili lužina. Tada se na elektrodama reduciraju ili oksidiraju oni ioni ili molekule za čiju je reakciju potrebna manja energija.

Što se zbiva na elektrodama tijekom procesa elektrolize zasićene vodene otopine natrijeva klorida? Prisjetite se praćenjem sljedećega rješenog primjera.

[latex]NaCl(s)\stackrel{H_2O}{\longrightarrow}Na^+(aq)+Cl^-(aq)[/latex]

katoda (–): [latex]2H_2O(l)+2e^-\longrightarrow H_2(g)+2OH^-_{^{}}(aq)[/latex]

anoda (+): [latex]2Cl^-(aq)\longrightarrow Cl_2(g)+2e^-[/latex]

_____________________________________________________________

[latex]2Cl^-(aq)+2H_2O(l)\longrightarrow H_2(g)+2OH^-(aq)+Cl_2(g)[/latex]

[latex]2Na^+(aq)+2Cl^-(aq)+2H_2O(l)\longrightarrow H_2(g)+Cl_2(g)+2Na^+(aq)+2OH^-(aq)[/latex]

Produkti elektrolize zasićene vodene otopine natrijeva klorida su vodik na katodi, klor na anodi i natrijeva lužina.

1. pokus: Elektroliza vodene otopine natrijeva sulfata

Zadatak: elektrolizom vodene otopine natrijeva sulfata rastavite vodu na vodik i kisik.

Kvantitativni odnosi pri elektrolizi

Množina tvari koje nastanu elektrolizom ovisi o:

električnom naboju, Q, koji proteče kroz elektrolizer
vremenu trajanja elektrolize
broju elektrona koji sudjeluju u redoks-reakciji, z.

[latex]n(tvar)=\frac{Q}{z\cdot F}[/latex]

[latex]F=N_A\cdot e^-[/latex]

n – množina tvari

Q – električni naboj

z – broj elektrona koji sudjeluju u reakciji

F – Faradayeva konstanta

F = 96 500 C mol^–1

F= 26,8 A h mol^–1

F = 96 500 As mol^–1

(1 C = 1 As)

Množina električnog naboja jednaka je umnošku jakosti električne struje, I, i vremenu trajanja elektrolize, t.

[latex]Q=I\cdot t[/latex]

[latex]n(tvar)=\frac{I\cdot t}{z\cdot F}[/latex]

Korozija i načini zaštite od korozije

Korozija je štetno i nepoželjno trošenje konstrukcijskog materijala uzrokovano fizikalnim, fizikalno-kemijskim, kemijskim i biološkim agensima. Sklonost prema koroziji ovisi o elektrodnom potencijalu. Što neki metal ima negativniji standardni elektrodni potencijal, podložniji je koroziji.

Korozija željeza

Najčešći primjer elektrokemijske korozije u svakodnevnom životu je hrđanje željeza.

Vlažnost zraka, kisik, kloridni ili drugi ioni, kisela sredina i viša temperatura ubrzavaju proces korozije željeza i nastajanje hrđe, hidratiziranog željezovog(III) oksida, [latex]Fe_2O_3\cdot xH_2O[/latex].

Na istom komadu željeza, zbog različitog pristupa kisika, dolazi do oksidacije željeza i do redukcije vode u prisutnosti kisika.

[latex]Fe(s)\longrightarrow Fe^{2+}(aq)+2e^-[/latex]

Elektroni oslobođeni oksidacijom na metalnoj površini reduciraju kisik uz prisutnost vode i nastaju hidroksidni ioni.

[latex]\frac{1}{2}O_2(g)+H_2O(l)+2e^-\longrightarrow2OH^-(aq)[/latex]

Reakcijom željezovih(II) iona i hidroksidnih iona nastaje željezov(II) hidroksid.

[latex]Fe^{2+}(aq)+2OH^-(aq)\longrightarrow_{}Fe(OH)_2(s)[/latex]

Oksidacijom željezova(II) hidroksida u reakciji s kisikom i vodom nastaje željezov(III) hidroksid.

[latex]2Fe(OH)_2(s)+\frac{1}{2}O_2(g)+H_2O(l)\longrightarrow2Fe(OH)_3(s)[/latex]

Nastali željezov(III) hidroksid razlaže se u stabilniji hidratizirani željezov(III) oksid formule Fe₂O₃ [latex]\cdot[/latex] xH₂O, koji se naziva hrđa.

Načini zaštite od korozije

Najčešći načini zaštite od korozije su katodna zaštita, galvanizacija, eloksiranje i nanošenje različitih organskih prevlaka.

Katodna zaštita jedan je od načina zaštite metalnih predmeta pri kojem se namjerno stvara galvanski članak. Metal koji se želi zaštititi ima pozitivniji elektrodni potencijal i on je katoda. Anoda je metal koji služi kao zaštita, ima elektronegativniji elektrodni potencijal i u nastalom galvanskom članku je anoda. Pri tom se anoda oksidira i na taj način štiti katodu, tj. metalni predmet koji se želi zaštititi. Tako se, na primjer, zaštićuju čelični cjevovodi i manje pristupačne metalne konstrukcije.

Galvanizacija je elektrolitički postupak nanošenja metalne prevlake na predmet koji se želi zaštititi od korozije. Na ovaj se način najčešće nanosi cink na neki metalni predmet koji se želi zaštititi.

Eloksiranje je postupak zaštite aluminija elektrolitičkom oksidacijom njegove površine. Dobiveni sloj je strukturno povezan sa samim aluminijem, ne ljušti se i vrlo dobro štiti površinu aluminija.

Nanošenje organskih prevlaka kao što su primjerice boje ili vrlo tanki slojevi polimera (plastike). Površinu koja se zaštićuje treba prije nanošenja bilo kojega zaštitnoga sloja dobro očistiti jer prisutnost nečistoća može uzrokovati nastanak korozije ispod zaštitnoga sloja.

Zašto je pocinčavanje poželjan način zaštite čelika od korozije, saznajte u bloku koji slijedi i riješite postavljeni zadatak.

Završetak

Vjerojatno ste čuli za metode pozlate, posrebrivanja ili pobakrivanja. Najčešće se rabe u industriji nakita, a temelje se na elektrolizi.

Izvedite pokus pobakrivanja nekog predmeta, primjerice metalne pločice. Za pokus vam je potrebna čaša s otopinom bakrova(II) sulfata u koju je uronjena pločica bakra spojena na – pol baterije (bakar je anoda). Metalnu pločicu spojenu krokodilskom štipaljkom na vodič uronite u otopinu bakrova(II) sulfata, pazeći da se elektrode ne dodiruju. Metalnu pločicu spojite na + pol baterije i time pokrenite postupak elektrolize.

Snimite pokus a upute za postupak i dodatna pitanja možete dati u obliku videolekcije koju ćete napraviti uz pomoć alata Edpuzzle. Kritički razmislite o trajnosti takva predmeta, odnosno raspravu o pojmovima korozije i zaštite od korozije.