Praktikumi 6. protokoll (19)

TTÜ keemiainstituut
Anorgaanilise keemia õppetool
YKI3030 Keemia ja materjaliõpetus
Laboratoorne töö nr. 6
Töö pealkiri: Redoksreaktsioonid ja metallide korrosioon
1. Töö eesmärk.
Tutvuda metallide korrosiooni mõningate enamlevinud ilmingutega.
2. Kasutatud mõõteseadmed, töövahendid ja kemikaalid.
Töövahendid: Katseklaasid, väike keeduklaas (50 cm3), tsentrifuugiklaas.
Ained: 0,1 M soolhape , 0,1 M väävelhape, tsingi- ja alumiiniumigraanulid, vasktraat, vask(II) sulfaadi lahus, vask(II)kloriidi lahus, raud(II)sulfaadi lahus, kaaliumheksatsüanoferraat(III) lahus, tsingitud raudplekk , tinatatud raudplekk, rauast kirjaklambrid, tahke NaCl, urotropiin.
3. Töö käik.
1) Galvaanipaari moodustamine
1.1 Tsingigraanul asetada tsentrifuugiklaasi ning valada peale soolhappelahust. Kirjutada reaktsioonivõrrand. Milline aine on oksüdeerijaks, milline redutseerijaks? Järgnevalt panna samasse tsentrifuugiklaasi (soolhappe lahusesse) vasktraat nii, et ta ei puutuks kokku tsingiga. Jälgida, kas vase pinnalt eraldub vesinikku. Põhjendada, miks vask ei reageeri lahjendatud soolhappega. Nüüd viia vasktraat kontakti tsingiga ning jälgida, kas vase pinnalt hakkab eralduma vesinikku. Viies vase kontakti tsingiga soolhappe kui elektrolüüdi lahuses, tekib sisuliselt galvaanipaar . Tsink , kui galvaanipaaris negatiivsema potentsiaaliga metall , on anoodiks ja vask, kui galvaanipaaris positiivsema potentsiaaliga metall, on katoodiks. Kumb metall lahustub (korrodeerub)? Kirjutada anoodil ja katoodil toimuvate reaktsioonide võrrandid.
1.2 Asetada katseklaasi tsingigraanul ning valada peale ∼3 cm3 CuSO4 lahust. Paari minuti möödudes valada lahus katseklaasist välja ning loputada tsingigraanulit ettevaatlikult paar korda vähese koguse destilleeritud veega. Mis on juhtunud tsingigraanuliga? Kirjutada reaktsioonivõrrand. Teise katseklaasi asetada puhas tsingigraanul ning lisada mõlemasse katseklaasi ∼3 cm3 soolhappelahust. Kummal juhul on reaktsiooni kiirus suurem (st H2 eraldub intensiivsemalt)? Põhjendada.
1.3 Asetada kahte katseklaasi alumiiniumigraanul. Ühte katseklaasi valada ∼3 cm3 CuSO4 lahust, teise samapalju CuCl2 lahust. Millises katseklaasis toimub reaktsioon intensiivsemalt? Kumb anioonidest (Cl- või SO2-) kiirendab reaktsiooni? Kontrollida tehtud järeldust. Selleks lisada CuSO4 sisaldavasse katseklaasi veidi tahket NaCl ning jälgida, kas reaktsioon kiireneb. Esitada võrrand, mis kirjeldab alumiiniumi reaktsiooni vask(II)kloriidiga.
2) Fe2+ ioonide tõestamine lahuses.
Fe2+ ioonide tõestamiseks lahuses kasutatakse kaaliumheksatsüanoferraat(III) lahust. Kui lahuses on Fe2+ ioone, siis K3[Fe(CN)6] lisamisel tekib Fe3[Fe(CN)6]2, mis on sinise värvusega. Tõestusreaktsiooni läbiviimiseks ja tekkiva ühendi värvuse kindlakstegemiseks valada katseklaasi ∼2 cm3 destilleeritud vett, lisada kolm tilka raud(II)sulfaadi lahust ning seejärel kaks tilka K3[Fe(CN)6] lahust. Mis värvi ühend tekkis? Teha järeldus, kas lahuses sisaldub Fe2+ ioone. Tõestusreaktsiooni võrrand: 3FeSO4 + 2K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2 + 3K3SO4
3) Metallilised kaitsekatted.
Valada kahte katseklaasi ∼3 cm3 väävelhappelahust ja lisada kaks tilka Fe2+ ioonide tõestusreaktiivi (K3[Fe(CN)6]). Ühte katseklaasi panna tükike tsingitud raudplekki, teise tükike tinaga kaetud raudplekki. Jälgida, kummas katseklaasis on plekiservade ümbruses näha sinist värvust st kummas katseklaasis tekivad lahusesse Fe2+ ioonid (korrodeerub raud). Mis on anoodiks ja katoodiks esimesel juhul, mis teisel juhul? Kirjutada mõlema katse kohta anoodil ja katoodil toimuvate reaktsioonide võrrandid. Millisel juhul on tegemist anoodse, millisel juhul katoodse kaitsekattega? Kummal juhul on kaitsekatte vigastused ohtlikumad ?
4) Protektorkaitse
Valada katseklaasi ∼5 cm3 ja väikesesse keeduklaasi ∼1 cm kõrguseni väävelhappelahust ning lisada mõlemasse klaasi kaks tilka Fe2+ ioonide tõestusreaktiivi (K3[Fe(CN)6]). Keeduklaasi asetada tükk raudtraati (rauast kirjaklamber ) ja tsingigraanul nii, et nad kokku ei puutu. Katseklaasi asetada raudtraadiga (kirjaklambiga) kokkuühendatud tsingigraanul (protektor). Jälgida, kummas klaasis toimub intensiivsem raua korrosioon (on märgata rohkem sinist värvust). Millega seda seletada? Mis on kokkuühendatud metallide korral anoodiks, mis katoodiks? Esitada anoodil ja katoodil toimuvate reaktsioonide võrrandid.
5) Inhibiitori toime
Valada kahte katseklaasi ∼5 cm3 väävelhappelahust ja lisada kaks tilka Fe2+ ioonide tõestusreaktiivi (K3[Fe(CN)6]). Teise katseklaasi lisada spaatliga tahket korrosiooniinhibiitorit — urotropiini ning loksutada . Võimalikult korraga asetada esimesse ja teise katseklaasi puhas raudtraat (puhas kirjaklamber). Fikseerida, mis järjekorras ja millise intensiivsusega tekib lahustesse sinist värvust. Teha järeldus, kas inhibiitor aeglustas puhta raua korrosiooni.
4. Katseandmed.
CuSO4 = 0,25M
HCl = 0,1M
FeSO4 = 0,2M
Universaalne gaasi konstant: R = 8,314 J/K*mol
Faraday konstant: F = 96485 C/mol
5. Katseandmete töötlus.
1) 1.1 Reaktsioonivõrrand:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Oksüdeerujuaks on H. 2H+ + 2e- = H2
Redutseerujaks on Zn. Zn – 2e- =Zn2+
Vasktraadi lisamisel vase pinnalt ei eraldu vesinikku. Vask ei reageeri lahjendatud soolhappega, sest ta ei suuda välja tõrjuda vesinikku.
Kui vasktraat viia kontakti tsingiga, siis hakkab vase pinnalt eralduma vesinikku. Korrodeerub tsink, sest toimub elektrokeemiline korrosioon, kus aktiivsem metall hävib.
Anoodil toimuv reaktsioon:
Zn – 2e- = Zn2+
Katoodil toimuv reaktsioon:
2H+ + 2e- = H2
O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
1.2 Pärast tsingigraanuli loputamist, muutus ta peaaegu musta värvi.
Reaktsioonivõrrand:
CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu
Reaktsioonikiirus pärast HCl lisamist on suurem esimese katseklaasi puhul, kus tsingigraanul mustaks tõmbus. See on sellepärast, et esimeses katseklaasis olnud tsingitükk oli juba edukalt reageerinud CuSO4 ja siis reageeris ta ka HCl-ga. Uue tsingitüki reageerimiseks HCl-ga läheb kauem aega.
1.3 Alumiiniumgraanul reageerib CuCl2 lahusega intensiivsemalt. Graanul läheb kohe mustaks ja tekib palju mulle. CuCl2
puhul korrodeerub alumiinium tugevalt, kuid CuSO4 puhul ei toimu eriti mingit muutust alumiiniumiga. Cl- anioon kiirendab reaktsiooni.
Pärast NaCl lisamist CuSO4 lahusesse, reaktsioon kiireneb ja alumiiniumi pind muutub.
Al + CuCl2 = Cu + AlCl3
2) Tekkinud ühend oli tumesinine ja suhteliselt tükkis, mitte täiesti
vedel.
3FeSO4 + 2K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2 + 3K3SO4
Lahuses sisaldub Fe2+ ioone.
3) Sinist värvust on on näha tinaga kaetud raudpleki juures ehk siis tina puhul raud korrodeerub. Anoodiks on Sn. Kaitsekatte vigastused on ohtlikumad Sn puhul.
4) Rohkem sinist värvust on märgata seal, kus on kokkuühendatud raud ja tsink. Nad reageerivad omavahel intensiivsemalt, kui raud ja tsink eraldi. Anoodiks on klamber ja katoodiks tsink.
Anoodil toimuv reaktsioon:
Fe – 2e- = Fe2+
Katoodil toimuv reaktsioon:
2H+ + 2e- = H2
O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
5) K3[Fe(CN)6] lisamise korral katseklaasi tekib kiiremini sinist värvi ja rohkem kui urotropiini korral. Seega võib öelda, et inhibiitor aeglustab puhta raua korrosiooni, kuna selles katseklaasis, kuhu inhibiitor lisati, ei tekkinud eriti mingit reaktsiooni, ei eraldunud sinist värvi.