Цвета электрохимии

Встречи с электрохимической частью 10

На предыдущих «Встречах с электрохимией» читатели провели много экспериментов и, надеюсь, поняли их механизмы. Следующие части сериала будут посвящены привлекательным электрохимическим экспериментам, в этом выпуске — цвету.

Цвета электролиза

При электролизе растворов некоторых веществ на электродах происходит разложение воды с образованием ионов Н⁺ или ОН^—. Как следствие, раствор вокруг электродов становится кислым или щелочным. Эксперимент покажет эти изменения.

Изменение окраски бромтимолового синего при электролизе.

Наполните два небольших стакана 10%-ным раствором сульфата натрия Na.₂SO₄, а затем соединяем их электролитическим ключом (или сложенной в несколько раз полоской смоченной в растворе папиросной бумаги из мензурки). Добавьте в каждый стакан по несколько капель индикаторного раствора бромтимолового синего. В обоих сосудах жидкость окрашивается в зеленый цвет, что свидетельствует о нейтральности среды. Затем в каждую мензурку вставляют графитовый электрод и проводят электролиз током 3–4,5 В. Через некоторое время окраска растворов начинает меняться. Возле электрода, подключенного к плюсовому полюсу батареи, жидкость желтеет, а во втором стакане (электрод, подключенный к «минусу» источника)? синий. На электродах происходят следующие превращения:

(+) 2ч₂О? О₂ + 4H⁺ + 4e^— (кислотная реакция)

(-) 2ч₂О + 2е^— — H₂ + 2ОН^— (щелочной)

Бромтимоловый синий в присутствии кислот окрашивается в желтый цвет, а в щелочных растворах — в синий.

Выньте электроды и электролитический ключ из стаканов и перелейте их содержимое в сосуд большего размера. Смесь теперь имеет зеленый цвет, характерный для нейтрального раствора. Что это доказывает?

Очевидно: образование равного количества ионов H⁺ я ОН^— при электролизе (для баланса уравнение реакции, протекающей на отрицательном электроде, умножьте на два). После смешивания растворов ионы водорода и гидроксида сразу реагировали друг с другом с образованием молекул воды, в результате чего реакция становилась нейтральной. Мы могли отслеживать все изменения благодаря индикатору.

Изменение окраски метилового оранжевого при электролизе. Изменение окраски фенолфталеина при электролизе.

Поскольку каждый экспериментатор любит модифицировать опыт (что я постоянно поощряю, разумеется, со здравым смыслом), вот несколько вариантов описываемого эксперимента:

— вместо На₂SO₄ мы можем использовать KNO₃, NaNO₃, Ca (NO₃)₂;

— Другой индикатор также будет работать. В случае с метилоранжем и фенолфталеином цвет изменится только в одном из стаканов. Рекомендуется ли сок краснокочанной капусты? красный в кислой среде и зеленый в щелочной среде;

— Мы можем провести тест в одном стакане. Затем, однако, его следует разделить диафрагмой (чтобы растворы преждевременно не смешались).

Еще один? эксперимент. Приготовить раствор йодистого калия KI концентрацией 5-10%, затем перелить его в химический стакан. Затем в сосуд добавляют немного 1% спиртового раствора фенолфталеина и взвесь крахмала в воде. Содержимое стакана разделяем диафрагмой, а затем в каждую часть вставляем графитовый электрод. После включения напряжения 3 — 4,5 В первоначально прозрачный раствор начинает окрашиваться в розовый и голубой цвет. Фенолфталеин окрашен в розовый цвет, что указывает на присутствие ионов гидроксида вокруг отрицательного электрода:

 (-) 2ч₂О + 2е^— — H₂ + 2ОН^—

Свободный йод отвечает за изменение цвета вокруг положительного электрода, который образует сине-голубую связь с молекулами крахмала:

 (+) 2I^— — я₂ + 2e^—

Коррозия стальных гвоздей — сине-зеленые области анода указывают на поврежденные участки. Коррозия стальных гвоздей в сочетании с цинком (слева) и медью (справа). Видимые области восстановления кислорода розового цвета (катод) и сине-зеленые области разрушения железа (анод).

Мы можем провести эксперимент гораздо проще, но не менее привлекательно. Смочите лист фильтровальной бумаги предварительно приготовленным раствором йодистого калия (с добавлением фенолфталеина и крахмала) и положите его на поднос из полистирола для пищевых продуктов (во избежание окрашивания раствором, которым пропитана промокательная бумага). Затем соединяем два обычных стальных гвоздя с проводами (тщательно очистим их поверхности) с полюсами батареи 3R12 напряжением 4,5 В. После помещения гвоздей на промокательную бумагу вокруг них появляются цветные круги — красный и темно-синий — что свидетельствует о реакции продуктов электролиза с фенолфталеином и крахмалом.

Мы воспользуемся представленной модификацией эксперимента для проведения интересного эксперимента, который называется — электролитическое письмо. Подготавливаем кусок листового металла и тщательно зачищаем его поверхность. Вырежьте лист бумаги размером немного меньше, чем ваша металлическая подушка (лучше всего использовать бумагу для принтера или копировального аппарата; после намокания папиросная бумага не является механически стойкой). Замочите карту в 10%-ном водном растворе йодистого калия с добавлением крахмала, затем положите ее на противень, а все это дело на противень. Затем металлическую шайбу подключаем к отрицательному полюсу источника с напряжением 4,5-9 В, при этом кусок металлического стержня? с положительным. Оберните часть стержня в руке изоляционной лентой. Когда мы медленно двигаем «электрическую ручку» по поверхности бумаги, появляются темно-синие буквы. Они, конечно, были результатом реакции свободного йода (выделившегося вокруг металлического стержня, то есть положительного электрода) с крахмалом. После того, как лист высохнет, на нем останется надпись.

Электролитическое письмо (фильтровальная бумага, смоченная в растворе нитрата калия (V) с добавлением фенолфталеина). Электролитическое письмо (фильтровальная бумага, смоченная в растворе йодистого калия с добавлением крахмала).

Если читателям понравилось «электролитическое письмо», предлагаю еще один эксперимент «на этот раз с красными чернилами». Мы тщательно моем и сушим лоток, использованный в предыдущем эксперименте. Вырезаем еще один лист бумаги и замачиваем его в 10% водном растворе Na.₂SO₄ с добавлением фенолфталеина. Соединяем полюса батарейки с пластиной и стержнем (на этот раз меняем полярность: пластина с «плюсом», стержень с «минусом») и начинаем писать. Буквы красные, потому что это цвет фенолфталеина в щелочной среде (ОН^— образуются при разложении воды вблизи отрицательно заряженного стержня).

Цвета коррозии

Коррозионные воздействия на сталь имеют коричнево-красный цвет, но с помощью специального реагента коррозионные процессы можно увидеть и в других цветах — сине-зеленом и розовом. Это конкретно ферроксильный реагент. Для его приготовления вам понадобится:

1. Водный раствор гексацианоферрата (III) калия К₃[Fe (CN)₆] (феррицианид калия, образует красные кристаллы) в концентрации 1%. В присутствии ионов Fe²⁺ получается темно-синий цвет сложного сустава, называемый синим Тернбулла:

 3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3- ? Fe₃[Fe (CN)₆]₂

2. 1% спиртовой раствор фенолфталеина. В щелочной среде индикатор окрашивается от розового до малинового (в зависимости от рН раствора).

3. Водный раствор хлорида натрия NaCl с концентрацией 3%, создающий агрессивную среду.

Перед началом теста смешайте по 1 см³ растворов 1 и 2, а затем долить раствором 3 до объема 100 см³ (для получения более отчетливой окраски можно увеличить количество первых двух растворов, объем приготовляемой смеси зависит от масштаба эксперимента). Непосредственно перед экспериментом до 100 см³ реактива, добавить примерно 3-5 г желатина, а затем нагреть раствор примерно до 50°-70 С (все время помешивая). После растворения желатина охладите реактив до 30-40?C, затем перелейте его в чашку Петри (или даже в блюдце или большую крышку от банки). Заметив первые признаки гелеобразования раствора, погрузить в него испытуемый объект.

В ходе первого опыта мы погрузим в фероксидный реагент два обычных стальных гвоздя: первый оплетается медной проволокой, а второй соединяется с цинковой пластиной. Признаки коррозии проявятся в виде цветных пятен:

1. В случае с гвоздем, соединенным с медным проводом, рядом с медью появится розовый цвет, а на остальной части объекта — синий.

2. Во втором случае вдали от цинковой пластины появляются розовые пятна, а вокруг нее раствор мутнеет.

Какие реакции определяют исход эксперимента? Розовый цвет фенолфталеина указывает на области повышения рН. Это окрестности катода коррозионной ячейки, так называемые катодные участки, где восстанавливается кислород:

 (+)₂ + 2H₂О + 4е^— ? 4ОН^—

Вблизи анода появляются ионы металла:

 (-) Fe⁰ — Фе²⁺ + 2e^—

(-) цинк⁰ — цинк²⁺ + 2e^—

реагируя с феррицианидом — синяя окраска в первом случае (с Fe²⁺ образуется тернбуллева синь) и помутнение во втором (белый осадок с ионами цинка). Эти области называются анодными областями, где происходит износ металла. Желатин затрудняет отток образующихся на электродах ионов, в результате чего хорошо видны окрашенные пятна. Опыт подтверждает выводы, которые мы уже сделали из наблюдения за коррозией гвоздей в сочетании с медью и цинком (заседание 7). Повышенный износ стали возникает при контакте с металлом с более высоким нормативным потенциалом; металл с меньшим потенциалом защищает объект (до полного износа).

В следующем эксперименте мы будем использовать несколько предварительно обработанных стальных пластин или гвоздей: поцарапать и ударить стамеской, согнуть, а затем выпрямить. После погружения образцов в затвердевающий желатин подождите и наблюдайте за результатами эксперимента. В местах нарушения структуры объектов видны явные признаки коррозии (анодные участки синего цвета). Такое поведение стальных элементов означает, что места, подверженные повреждениям (изгибы, стыки), должны быть особенно тщательно защищены от коррозии. Это также является причиной повышенного разрушения сбитых частей кузова автомобиля, например, бамперов.

«Капельная коррозия» — анодная область внутри и катодная снаружи.

И еще один эксперимент с капельной коррозией. На тщательно очищенную и обезжиренную поверхность стальной пластины наносим крупную каплю ферроксильного реактива (на этот раз без добавления желатина). Можно дополнительно прикрыть центральную часть капли лепестком из полиэтиленовой пленки. Через некоторое время наружные части капель становятся розовыми, а средние — сине-зелеными. Отсюда следует, что катодные области расположены в зонах повышенного доступа кислорода (периферия капли), а анодные (где происходит растворение железа)? в местах дефицита этого газа (чешуя фольги препятствует доступу воздуха к жидкости). Результат эксперимента объясняет злокачественность коррозии, которая особенно любит атаковать труднодоступные места (где скапливается влага), вызывая структурные дефекты. Механизм капельной коррозии также является причиной заедания резьбы.