Номер 9, страница 182 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

9. Выполните домашний эксперимент «Изучение коррозии железных гвоздей». Реактивы и оборудование: растворы аммиака (нашатырный спирт), хлорида натрия (поваренная соль), уксусной кислоты (столовый уксус), карбоната или гидрокарбоната натрия (стиральная или питьевая сода), вода; пять гвоздей, пять прозрачных пузырьков (например, из-под лекарств); любой самодельный индикатор1.

Данный эксперимент демонстрирует влияние различных химических сред на скорость электрохимической коррозии железа. Коррозия, или ржавление, железа — это сложный процесс, для протекания которого необходимы вода и кислород. Скорость этого процесса сильно зависит от pH среды и наличия в ней растворенных солей (электролитов).

Ниже представлено описание ожидаемых результатов для каждого из пяти опытов.

Эксперимент 1. Гвоздь в воде (контрольный опыт)

Решение

В пузырек с железным гвоздем наливается обычная вода. Этот опыт является контрольным для сравнения с остальными. В присутствии воды и растворенного в ней кислорода из воздуха начнется процесс коррозии. Это электрохимический процесс, включающий анодный и катодный участки на поверхности металла.

На анодных участках происходит окисление железа:

$Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$

На катодных участках происходит восстановление кислорода:

$O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$

Ионы железа $Fe^{2+}$ реагируют с гидроксид-ионами $OH^-$, образуя гидроксид железа(II) $Fe(OH)_2$, который затем быстро окисляется кислородом воздуха до гидроксида железа(III) $Fe(OH)_3$ — бурого вещества, которое мы называем ржавчиной.

$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3 \downarrow$

Процесс будет протекать с умеренной скоростью, и через несколько дней на гвозде появятся заметные следы ржавчины.

Ответ: В дистиллированной или водопроводной воде железный гвоздь будет медленно покрываться бурым налетом ржавчины.

Эксперимент 2. Гвоздь в растворе хлорида натрия (поваренной соли)

Решение

В пузырек с гвоздем наливается водный раствор поваренной соли ($NaCl$). Хлорид натрия является сильным электролитом, диссоциирующим в воде на ионы $Na^+$ и $Cl^-$. Присутствие этих ионов значительно увеличивает электропроводность раствора. Это облегчает перенос заряда между анодными и катодными участками на поверхности железа, что приводит к резкому ускорению электрохимической коррозии. Хлорид-ионы также способствуют разрушению защитной оксидной пленки на железе.

Ответ: В растворе поваренной соли коррозия протекает значительно быстрее и интенсивнее, чем в чистой воде. Гвоздь покроется ржавчиной гораздо быстрее.

Эксперимент 3. Гвоздь в растворе уксусной кислоты (столового уксуса)

Решение

В пузырек с гвоздем наливается раствор уксусной кислоты ($CH_3COOH$). Кислая среда, создаваемая уксусом, является сильнейшим катализатором коррозии железа. Во-первых, ионы водорода $H^+$ могут участвовать в катодном процессе, восстанавливаясь до газообразного водорода:

$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$

Во-вторых, кислота напрямую реагирует с железом:

$Fe + 2CH_3COOH \rightarrow (CH_3COO)_2Fe + H_2 \uparrow$

Образующийся растворимый ацетат железа(II) затем окисляется кислородом до ржавчины. В результате этих процессов гвоздь будет разрушаться очень быстро.

Ответ: В кислой среде уксуса гвоздь будет корродировать наиболее быстро из всех образцов. Возможно наблюдение выделения пузырьков газа (водорода).

Эксперимент 4. Гвоздь в растворе аммиака (нашатырного спирта)

Решение

В пузырек с гвоздем наливается раствор аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$). Раствор аммиака имеет щелочную среду из-за образования гидроксид-ионов $OH^-$. Щелочная среда замедляет коррозию железа. Высокая концентрация $OH^-$ ионов способствует образованию на поверхности металла плотного, малорастворимого слоя гидроксида железа(II) $Fe(OH)_2$. Этот слой выполняет роль защитного (пассивирующего) барьера, который препятствует дальнейшему контакту металла с агрессивной средой и кислородом.

$Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow$

Ответ: В щелочной среде раствора аммиака коррозия железа значительно замедляется. Гвоздь останется блестящим или покроется ржавчиной очень незначительно.

Эксперимент 5. Гвоздь в растворе карбоната или гидрокарбоната натрия (соды)

Решение

В пузырек с гвоздем наливается раствор соды ($Na_2CO_3$ или $NaHCO_3$). Растворы этих солей также имеют щелочную среду из-за гидролиза карбонат- или гидрокарбонат-ионов:

$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$

Как и в случае с аммиаком, создаваемая щелочная среда способствует пассивации поверхности железа, замедляя или полностью останавливая процесс коррозии. Растворы карбонатов часто используются в качестве ингибиторов (замедлителей) коррозии.

Ответ: В щелочной среде раствора соды, аналогично раствору аммиака, коррозия будет практически отсутствовать.

Общий вывод

Решение

Проведенный эксперимент наглядно показывает, что скорость коррозии железа сильно зависит от химического состава среды. Самая быстрая коррозия наблюдается в кислой среде (уксус), так как кислота активно разрушает металл. Присутствие сильного электролита (поваренной соли) также значительно ускоряет коррозию по сравнению с чистой водой. Напротив, щелочные среды (растворы аммиака и соды) замедляют коррозию, так как способствуют образованию на поверхности металла защитной пассивирующей пленки.

Таким образом, можно расположить исследованные среды по степени их коррозионной активности в отношении железа в следующем порядке (от большей к меньшей):

Раствор уксусной кислоты > Раствор хлорида натрия > Вода > Раствор аммиака ≈ Раствор соды

Использование самодельного индикатора (например, отвара красной капусты) позволило бы визуально подтвердить pH каждой среды: красный/розовый в уксусе, фиолетовый/синий в воде и соли, зеленый/желтый в растворах аммиака и соды.

Ответ: Скорость коррозии железа максимальна в кислой среде и в растворах электролитов, в то время как щелочная среда замедляет или предотвращает коррозию благодаря пассивации поверхности металла.