 |
Тема 3. Электрохимическая коррозия металлов
|
|
|
|
Методические указания
Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлов под действием различных окислителей из окружающей среды.
В реальных условиях коррозии обычно подвергаются технические металлы, содержащие примеси других металлов и неметаллических веществ.
Механизм электрохимической коррозии в таких металлах аналогичен механизму процессов, протекающих в короткозамкнутых гальванических элементах, в которых на участках с более отрицательным потенциалом идет процесс окисления (разрушение металлов), а на участках с более положительным потенциалом процесс восстановления окислителя (коррозионной среды).
Наиболее часто встречаются окислители (деполяризаторы):
- ионы водорода (коррозия с водородной деполяризацией); уравнение восстановительного процесса:
2Н+ + 2ē = Н2 (в кислой среде),
2 H2O + 2ē = Н2 + 2OH– (в нейтральной и щелочной средах);
- молекулы кислорода, растворенные в различных средах; уравнение восстановительного процесса:
O2 + 4ē + 4Н+ = 2 H2O (в кислой среде);
O2 + 4ē + 2 H2O = 4 OH– (в нейтральной и щелочной средах);
Методика рассмотрения работы гальванопары при электрохимической коррозии.
1. Составляют схему гальванопары:
Me1 / среда / Me2.
2. Выписывают стандартные потенциалы металлов и окислителей коррозионной среды (таблица приложения 11), определяют восстановитель (меньший потенциал), окислитель (больший потенциал).
3. Записывают уравнения процессов окисления и восстановления и суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей при гальвано коррозии.
4. Указывают направление движения электронов.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. Коррозия
Коррозия – процесс самопроизвольного, нежелательного разрушения изделия из металлов (а иногда других материалов) под воздействием окружающей среды.
|
|
|
Цель работы: экспериментальное изучение процессов, протекающих при химической и электрохимической коррозии. Знакомство с различными методами защиты от коррозии.
Опыт 1: Взаимодействие цинка с серной кислотой в отсутствии и при наличии меди
В фарфоровую чашку налить 2-3 мл раствора серной кислоты и опустить кусочек чистого цинка. Происходит ли выделение водорода? Прикоснуться к поверхности цинка медной проволокой и наблюдать интенсивное выделение водорода. Вынуть медную проволоку из раствора и убедиться в уменьшении интенсивности выделения водорода. Объяснить причину различной интенсивности выделения водорода, учитывая, что цинк с медью образует гальванический элемент. Написать реакцию взаимодействия цинка с серной кислотой. Составить схему коррозийного гальванического элемента (ГЭ); реакции, протекающие на электродах.
Опыт 2: Активаторы коррозии.
В две пробирки налить 1/3 ее объема раствора сульфата меди (CuSO4), добавить 3-4 капли серной кислоты (H2SO4). В обе пробирки опустить алюминиевую проволоку, очищенную наждачной бумагой. В одну из пробирок добавить хлорид натрия. Что наблюдается? Какие анионы являются энергичными активаторами, вызывающими разрушение оксидной пленки на поверхности алюминия? В какой из пробирок происходит вытеснение меди алюминием?
Написать молекулярные и ионные уравнения реакции.
Составить схему коррозийного ГЭ; реакций, протекающих на электродах.
Опыт 3: Коррозия на контакте железо-медь.
1) Качественная реакция на ионы Fe2+.
В пробирку налить 5 мл дистиллированной воды, добавить 2-3 капли раствора K3[Fe(CN)6] и столько же раствора FeSO4. Образуется осадок турнбулевой сини [Fe(CN)6], свидетельствующий о наличии в растворе ионов Fe2+. Составить уравнение реакций.
|
|
|
2) В пробирку налить ½ объема дистиллированной воды. Добавить по три капли раствора хлорида натрия и столько же раствора K3[Fe(CN)6]. Перемешать растворы стеклянной палочкой. Железный гвоздь очистить наждачной бумагой,
обмотать медной проволокой и опустить в пробирку. Что происходит в пробирке через несколько минут? Описать наблюдаемые явления. Составить схему коррозийного ГЭ, анодный и катодный процессы.
Опыт 4: Коррозийная устойчивость оксидной пленки железа.
Тонкую стальную пластинку очистить наждачной бумагой. Один конец пластинки зажать деревянной держалкой, а другой нагреть пламенем горелки. По мере нагревания наблюдают изменение цвета пластинки. Прекратить нагревание пластинки. После охлаждения нанести через 2 см по капле раствора сульфата меди(II).
Отметить различную скорость появление медного пятна. Сделать вывод о защитных свойствах оксидной пленки, образовавшейся на различных участках пластинки, имея в виду, что строение и толщина оксидной пленки на поверхности металла зависят от температуры.
è Решение типовых задач
Пример 1. Склепаны два металла. Укажите, какой из металлов подвергается коррозии:
а) Mn – Al; б) Sn – Bi.
Решение.
а) Al в ряду напряжений находится перед марганцем и имеет более отрицательное значение стандартного электродного потенциала, поэтому при контакте этих двух металлов Al будет анодом, а Mn - катодом. Окисляться, т.е. подвергаться коррозии, будет алюминий.
б) В этом случае корродировать будет олово, т.к. в ряду напряжений оно расположено впереди висмута и, следовательно, является электрохимически более активным.
Ответ: Al, Sn.
Пример 2. Какие из нижеперечисленных металлов выполняют для свинца роль анодного покрытия: Pt, Al, Cu, Hg?
Решение. Анодное покрытие – это нанесение на защищаемое изделие электрохимически более активного металла. Из перечисленных металлов электрохимически более активным (по сравнению со свинцом) является алюминий (см. ряд напряжений металлов).
Ответ: Al.
Пример 3. Какие из нижеперечисленных металлов выполняют для свинца роль катодного покрытия: Ti, Mn, Ag, Cr?
Решение. Катодное покрытие – это нанесение на защищаемое изделие электрохимически менее активного металла. Из перечисленных металлов электрохимически менее активным (по сравнению со свинцом) является серебро (см. ряд напряжений металлов).
|
|
|
Ответ: Ag.
Пример 4. Укажите продукт коррозии при контакте Zn – Ni в нейтральной среде.
Решение. При контакте двух металлов различной электрохимической активности возникает гальванический элемент. В нейтральной среде его схема выглядит следующим образом:
А (–) Zn| H2O, O2 | Ni (+) K
Так как цинк электрохимически более активен, он будет окисляться (корродировать). На никеле будет протекать восстановительный процесс (в нейтральной среде – кислородная деполяризация):
А (–): Zn – 2e- = Zn2+
K (+): 2H2O + O2 + 4e- = 4OH–
Общая реакция коррозии: 2Zn + 2H2O + O2 = 2Zn2+ + 4OH–
2Zn + 2H2O + O2 = Zn(OH)2
Ответ: Zn(OH)2
Пример 5. Укажите продукт коррозии при контакте Zn – Ni в кислой среде (HCl).
Решение. При контакте двух металлов различной электрохимической активности возникает гальванический элемент. Его схема для кислой среды раствора:
A (–) Zn|HCl| Ni (+) K
Так как цинк электрохимически более активен, он будет окисляться (корродировать). На никеле будет протекать восстановительный процесс (в кислой среде – водородная деполяризация):
А (–): Zn – 2e- = Zn2+
K (+): 2H+ + 2e- = H2.
Общая реакция коррозии: Zn + 2H+ = Zn2+ + H2
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Ответ: ZnCl2, H2
! Задачи для самостоятельной работы
При решении задач используйте приложение 11.
1. Железная пластинка, склепанная с медью, погружена в разбавленную H2SO4. На какой пластинке будет выделяться водород? Происходящие электродные процессы отобразить электронными уравнениями.
2. Привести пример анодного и катодного покрытия железа. Составить электронные уравнения процессов, протекающих при наружной целостности покрытия.
3. Какие процессы протекают при нарушении покрытия луженого и оцинкованного железа? Составить электронное уравнение этих процессов.
4. Какие металлы могут быть защищены от коррозии методом протекторов, если в качестве протектора брать цинк? Какую роль (катода или анода) играет цинк в этом виде защиты металлов от коррозии?
5. Изделие из железа содержит примеси свинца. Объяснить, почему коррозия железа будет идти быстрей, чем в отсутствии примеси свинца. Какие процессы идут при коррозии?
|
|
|
6. Пластины из магния и марганца соединены алюминиевой заклепкой. Какие процессы в присутствии электролита будут идти:
а) в месте контакта Мg-Мn, б) около заклепки?
7. Контакт меди со свинцом находится в растворе HCl. Как будет идти процесс коррозии и на каком из металлов будет выделяться водород?
8. Цинковое изделие содержит примеси алюминия и олова. Какая из этих примесей «вреднее» с точки зрения коррозии цинкового изделия? Описать возможные процессы в том изделии.
9. Протектором из какого металла можно защитить железо-никелевый сплав? Опишите процессы коррозии в отсутствии и в присутствии протектора.
10. Никелевая пластинка покрыта сначала тонким слоем цинка, а поверх цинка — тонким слоем марганца. Составить схему коррозии:
а) при нарушении слоя марганца;
б) при нарушении второго защитного слоя, цинкового.
11. Свинцовый кабель, лежащий в земле, подвергается коррозии блуждающим током силой 50 А. Кабель выйдет из строя, когда растворится 2,5 кг свинца. Сколько времени сможет работать кабель?
12. Медная шина защищена цинковым протектором. Сколько времени будет работать протектор массой 15 кг, если сила коррозийного тока составляет 0,04 А? Привести схему процессов коррозии.
13. В качестве протектора для защиты медной шины использована болванка массой 25 кг. Сколько времени будет работать протектор, если сила коррозийного тока составляет 0,03 А? Составить схему процесса коррозии.
14. Трамвайный рельс подвергается коррозии блуждающим током силой 22 А. Через какое количество времени придется менять рельс, если потеря массы при этом составляет 12 кг?
15.За сколько времени полностью разрушится за счет коррозии выброшенная консервная банка (Fe-Sn), если масса железа составляет 45 г (массой олова пренебречь), а сила коррозийного тока будет 0,01 А?
16. Сколько времени будет работать цинковое покрытие на оцинкованном листе кровельного железа, если защищающая масса цинка 0,4кг, а сила коррозийного тока 0,015А?
17.Оцинкованное железо при нарушении цинкового покрытия начинает разрушаться само после растворения 40% площади покрытия. Сколько времени будет осуществляться защита действий цинкового покрытия, если исходная масса покрытия 400 г, а сила коррозийного тока 0,02 А?
18. Сплав Сu-Pb подвергается коррозии блуждающим током силой 120А. За сколько времени полностью растворится 18 кг этого сплава (содержит 15% Pb)?
19. Пластины из меди и никеля соединены алюминиевыми заклепками. Описать процессы коррозии, идущие:
|
|
|
а) на границе медь-никель;
б) на контактах Сu-Al и Ni-Al.
20. Какая из примесей более опасна для железа как конструкционного материала — медь или магний? Описать коррозийные процессы, идущие в том и в другом случаях.
|
|
|
