Коротко о реакциях электрохимической коррозии. Электрохимической коррозии условия протекания
2. Электрохимический коррозионный процесс
Коррозия металлов .
Коррозия- разрушение металла в результате его физико- химичекского взаимодействия с окружающей средой
Процесс коррозии – это растворение металла в естественных условиях при взаимодействии с окружающей средой
Первопричиной коррозии металлов, в том числе и электрохимической коррозии, является их термодинамическая неустойчивость.
При взаимодействии с электролитами или с газами, металлы самопроизвольно растворяются, переходя в более устойчивое окисленное (ионное) состояние.
Большой теоретический и практический интерес представляет механизм этого саморастворения металлов, т.е. механизм коррозионного процесса, его основные закономерности, скорость протекания процесса и характер коррозионного разрушения.
Самопроизвольный переход металлов в окисленное (ионное) состояние при взаимодействии с другими веществами может протекать по 2м различным механизмам: 1) химическому; 2) электрохимическому.
По условиям протекания процесса делится на: 1.Газовая коррозия- отсутствие влаги на поверхности металла при высоких температурах 2.Коррозия в неэлектролитах –бензин керосин, органические жидкости 3, Коррозия в электролитах . 4. Коррозия в естественных условиях-атмосферная, морская, подземная 5. Коррозия под напряжением ( одновременное воздействие коррозионной среды и механических поврежлений 6. Фреттинг-(одновременное воздействие коррозтонной среды и трения). 7 Кавитация-(при ударном воздействии коррозионной среды)
Скорость коррозии выражают следующими способами: 1 Массовый – потеря массы за единицу времени к единице площади испытуемого образца 2. Глубинный-уменьшение толщины в единицу времени 3. Скорость электрохимической коррозии можно выразить величиной тока, приходящейся на единицу площади металла.
Химический механизм: химическая реакция проходит на одном и том же участке поверхности в одну стадию, и ее скорость не зависит от потенциала, при этом металл отдает окислителю валентные электроны, вступая с ним в химическое соединение. Этот механизм имеет место в газовой фазе, но помимо газовой фазы может происходить в электролите.
1) растворение железа, Cr в 0,1 N h3SO4 (Л.М. Колотыркин и Г.М. Флорианович)
Ме + nН2О = Меn+ + nOH- + h3
2) разложение амальгам щелочных металлов растворами с высоким рН (В.Н.Коршунов, В.А. Иофа)
Me(Hg) + h3O = Me+ + h3 + OH- + Hg
3) растворение Al в 50% СНОСООН (Жук Н.П.)
4Al + 3O2 + 12H+ = 4Al3+ + 6h3O
Обязательным условием реализации электрохимического вида коррозии является наличие электропроводящей среды-растворов кислот, щелочей или солей.
При электрохимической коррозии ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.
Процесс электрохимической коррозии представляет совокупность двух сопряжено протекающих реакций:
1. анодное окисление металла
Ме – nе → Меn+
2. катодное восстановление окислителя (Ох)
Ох + nе → Red
где Ох – окислитель, деполяризатор, присоединяющий к себе nе электронов, которые освободились в результате анодной реакции (ионизации металлов).
Возможность подразделения процесса растворения металлов в электролитах на два сопряженных процесса – анодный и катодный – облегчает в большинстве случаев его протекание по сравнению с химическим воздействием.
При электрохимическом взаимодействии окислитель играет роль деполяризатора, отнимающего валентные электроны металла и обеспечивающие переход металла в ионное состояние, но не вступает с ним при этом в химическое соединение (вторичные процессы и продукты коррозии при электрохимическом механизме коррозии могут иметь место), но они не обязательны.
Особенности электрохимического процесса коррозии.
1. Разделение его на 2 одновременно протекающих электродных процесса: анодный и катодный;
2. Зависимость этих 2х электрохимических процессов, а следовательно, и скорости коррозии от величины электродного потенциала в соответствии с законами кинетики;
3. Возможность локализации электродных процессов на различных участках поверхности металла, где их протекание облегчено.
Электрохимическая коррозия металла протекает в средах, имеющих ионную проводимость через 2 реакции: анодное окисление металла и катодное восстановление окислителя. Окислителями при коррозии служат молекулы кислорода О2, хлора Cl, ионы Но, Fe3+, NO33+ и др. Наиболее часто при коррозии наблюдается восстановление кислорода.
В нейтральной или щелочной среде
О2+ 2Н2О + 4е → 4ОН-
В кислой среде
О2 + 4Н2О + 4е → 2Н2О
и выделение водорода
2Н+ + 2е → Н2
Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода (коррозия с кислородной деполяризацией). Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода (или коррозия с водородной деполяризацией).
Кроме анодных и катодных реакций при электрохимической коррозии происходит движение электронов в металле и ионов в электролите.
Электролитами могут быть растворы солей, кислот, оснований, морская вода, почвенная вода, вода атмосферы, содержащая СО2, SO2, О2 другие газы. Кроме электрохимических реакций, при коррозии протекают вторичные химические реакции, например, взаимодействие ионов металла с гидроксид ионами, концентрация которых повышается в результате катодных реакций.
Mn+ + nOH = M(OH)n
Коррозия с кислородной деполяризацией представлена уравнениями:
Me – ne → Men+ анодный процесс
О2 + 2Н2О + 4е → 4ОН- катодный процесс
Коррозия с водородной деполяризацией может быть представлена уравнениями:
Me – ne → Men+ анодный процесс
2Н+ + 2е → Н2 катодный процесс
3. Коррозионные гальванические элементы
Возникновение коррозии связано с образованием коррозионных гальванических элементов. Электрохимическая коррозия протекает через анодные и катодные процессы с движением электронов и ионов (электрический ток), т.е. аналогично процессам в гальваническом элементе, поэтому такая коррозия получила название электрохимической коррозии.
1ая теория коррозии, объясняющая разрушение металла при взаимодействии с окружающей средой, теория швейцарского физика (де-ля-Рив) Рив-теория локальных элементов. У любого металла есть примеси. Между основным металлом и примесью возникает локальный гальванический элемент, при котором основа металла разрушается, а на примеси идет процесс восстановления.
На аноде протекает реакция окисления железа
анодная Fe – 2e → Fe2+
На катоде происходит восстановление водорода.
катодная 2Н+ + 2у → 2Н20 → Н2
Рис. Схема коррозионного гальванического элемента, где анод и катод соприкасаются друг с другом, т.е. коррозионный элемент является короткозамкнутым.
Происходит перетекание электронов от более отрицательного электрода (анода) к менее отрицательному 9или более положительному электроду) катоду [Весьма существенным для протекания является решение вопроса, какие из электродов являются катодами, а какие анодами]. Это перетекание электронов выравнивает значения потенциалов замкнутых электродов и если бы не было анодных и катодных процессов, то потенциалы электродов сравнялись и наступила полная поляризация. Но она в действительности не происходит, т.к. анодные и катодные процессы продолжаются, препятствуя наступлению полной поляризации вследствие протекания электронов с анода на катод, т.е. действуя деполяризующее, т.е. уменьшая полную поляризацию.
Рассмотрим работу обычного поляризационного гальванического элемента, состоящего из Fe анода, угольного катода, погруженный в раствор h3SO4-
На аноде реакция окисления железа Fe – 2e → Fe2+
На катоде 2Н+ + 2е → Н2
Электроны по пути во внешней цепи от анода (железа) к катоду (водородному электроду на угле) совершают полезную работу.
В гальваническом элементе и в коррозионном гальваническом элементе протекают одни и те же процессы, за исключением тока во внешней цепи, поскольку последний в коррозионном элементе отсутствует.
Основным отличием процессов электрохимической коррозии от процессов в гальваническом элементе является отсутствие внешней цепи. Электроны в процессе коррозии не выходят из корродирующего металла, а двигаются внутри металла. Химическая энергия передается не в виде работы, а лишь в виде теплоты.
studfiles.net
Электрохимическая коррозия металлов (гальванокоррозия) - Химия (теория) - Тематический каталог статей
Как решать задачи по теме "Электрохимическая коррозия металлов"?Для начала давайте разберемся, что такое электрохимическая коррозия.
Электрохимическая коррозия (гальванокоррозия) - процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, сопровождающийся протеканием окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Это самый распространенный вид коррозии.ОВР - реакции, сопровождающиеся изменением степени окисления. Здесь существуют 2 процесса:1. Окисление - процесс увеличения степени окисления.2. Восстановление - процесс уменьшения степени окисления.
Таким образом, окислитель присоединяет электроны, а восстановитель отдает электроны.Например:
Условием протекания электрохимической коррозии является:1. наличие раствора электролита2. наличие двух сопряженных процессов - катодного и анодного.
Анодом (А) называется участок поверхности металла, с которого ионы переходят в раствор электролита. Анод заряжен отрицательно (-) и на нем протекает окислительный процесс разрушения металла.Катод (К) - участок поверхности металла, где разряжаются катионы электролита. Катод заряжен положительно (+) и на нем протекает восстановительный процесс.Таким образом, поверхность металлического изделия представляет собой совокупность катодных и анодных микроучастков, которые в среде электролита образуют короткозамкнутые гальванические элементы.
Во время работы гальванические элементы могут частично поляризоваться. В результате перехода электронов с анода на катод потенциал катода становится более отрицательным, а потенциал анода более положительным. В этом случае происходит явление выравнивания потенциалов, что вызывает прекращение тока и коррозии.
В электрохимии ключевым понятием является активность металла.Активность металла характеризуется величиной стандартного потенциала металла.
Чем меньше величина стандартного потенциала металла, тем больше способность атомов металла, погруженного в раствор, отдавать электроны, т.е. тем больше его химическая активность.
В зависимости от величины стандартного потенциала металлы объединены в электрохимический ряд напряжений. Окислительная способность металлов увеличивается в этом ряду слева направо, а восстановительная способность металлов увеличивается справа налево. Чем левее находится металл в ряду напряжений (чем отрицательней значение его потенциала), тем выше его химическая активность.Анодом является более химически активный металл в паре, а катодом - пассивный.
Таким образом, по ряду напряжений легко определить какой металл является анодом, а какой катодом.Например, оцинкованное железо. Это железо с цинковым покрытием.Посмотрим, какое положение занимают эти металлы в ряду напряжений.Цинк в ряду напряжений находится левее, значение его потенциала более отрицательно, чем у железа. Таким образом, цинк - более активный металл и в нашем случае он будет являться анодом, а железо, соответственно, катодом.
Если взять другой пример - луженое железо, то это железо, покрытое оловом.Рассмотрим положение в ряду напряжений железа и олова. В этом случае анодом будет железо, т.к. располагается в ряду напряжений левее, а значит, химически активнее. На катоде будет олово.Наряду с процессом поляризации протекает и процесс деполяризации. Это процесс повышения потенциала катода.
Наиболее распространенные деполяризаторы:• растворенный в воде кислород• молекулы воды• катионы водородаО том, какой деполяризатор будет определять протекание катодного процесса, можно судить по соотношению их концентраций. Нужно знать реакцию среды (кислая, щелочная, нейтральная) и на основании этого выбирать нужное уравнение для катода.
chemtest-online.ru
Специфика протекания электрохимической коррозии металлоизделий
От латинского слова corrosio, означающего «разъедание», образовано всем известное понятие коррозии, означающим самопроизвольное разрушение материала при взаимодействии с контактирующей с ним средой. Влиянию коррозии подвержены не только металлы, но и полимеры (старение полимеров), керамика и даже деревянные материалы.
Контактирующая с веществами окружающая среда вносит свою специфику во взаимодействие с ними, по типу взаимодействия выделяют многочисленные разновидности процессов разрушения, включая электрохимическую коррозию металлоконструкций или химическую коррозию.
Реакции корродирования обусловлены возникновением окислительно-восстановительных реакций вещества с контактирующей с ним средой, необходимых для перехода вещества в наиболее устойчивое термодинамическое состояние.
Классификация процессов корродирования
Многообразие сред и условий протекания коррозионных процессов не позволяет создать всеобъемлющую и единую систему классификации встречающихся коррозий.
Основными критериями разделения коррозионных разновидностей в настоящее время являются:
- Степень агрессивности среды, в которой происходит процесс коррозионного разрушения;
- Условия протекания коррозионных реакций;
- Локальность коррозионных изменений, связанная с корродированием отдельных участков;
- Характер разрушений рабочей поверхности металлоконструкции;
- Механизм процесса корродирования, согласно которому принято выделять:
- химическую и
- электрохимическую коррозии.
Отличия химической коррозии от электрохимической
Коррозия химическая и электрохимическая принципиально отличаются друг от друга по виду взаимодействия вещества с контактирующей средой, длительности процесса и по конечному результату взаимодействия.
- Химическая коррозия происходит в обезвоженной среде, то есть при полном отсутствии влаги. Результатом коррозии химической для металлоконструкций являются образовавшиеся оксиды металлов. Оксиды создают пленку толщиной не более двух периодов кристаллической решетки, но этого оказывается достаточно, чтобы изолировать основной металл от кислорода контактирующей среды и воспрепятствовать дальнейшему окислению.
- Реакции электрохимической коррозии обязательно происходят в электролитной среде и относятся к анодно-катодным взаимодействиям. Это могут быть водные растворы, а также иная среда, содержащая влагу, например, обыкновенная атмосфера. Ионы металла поверхностного слоя материала, имеющие положительный заряд, отрываются молекулами воды, в результате основной металл обретает избыточное количество оставшихся электронов и заряжается отрицательно. Слой воды, граничащий с металлом, за счет приобретенных ионов, отданных металлом, заряжается положительно. Граничный слой воды с металлом приобретает скачок потенциала, обусловленный разностью зарядов. Примером электрохимических реакций корродирования являются разрушающие факторы для металлоконструкций, эксплуатируемых в воде или в сырой атмосфере, при воздействии охлаждающих эмульсий и жидкостей, используемых при мехобработке металлов, образование накипи при использовании магниевых анодов в электрических бойлерах.
Немного подробнее об электрохимическом корродировании металлоконструкций
Коррозия авто
Электрохимическая коррозия металлов – самый распространенный вид коррозионного разрушения, представляющий собой разрушение металлов в электролитных средах, с созданием в системе направленного движения электронов и ионов.
На поверхности и в граничном со средой слое металла одновременно происходят анодная и катодная реакции, в ходе которых происходят:
- Анодное окисление метала;
- Катодное восстановление водорода или кислорода.
Это важно! Не следует относить к электрохимической коррозии корродирование однородных материалов, например, всем известное ржавление железа. Для протекания электрохимических коррозионных разрушений всегда необходимо присутствие электролита. Ими могут оказаться дождевая вода, конденсат, с которыми происходит соприкосновение структурных элементов материала или двух различных контактирующих веществ, имеющих различные по величине окислительно-восстановительные потенциалы.
Основные методы защиты металлов от электрохимических коррозионных разрушений
Защита металлоконструкций базируется на целенаправленных воздействиях, частично снижающих или полностью предотвращающих активность факторов, провоцирующих развитие коррозионных процессов. Защитные мероприятия однозначно разделены на три категории:
- Воздействие на конструкционный материал, которое на практике чаще всего выражается нанесением защитных и изолирующих покрытий;
- Воздействие на контактирующую с металлоконструкцией среду, на практике это методы ингибирования воды или ее деаэрации;
- Комбинированные мероприятия.
Наиболее доступные и широко применяемые из методов защиты:
- Легирование металла, основанное на внедрении в сплав компонентов на основе вольфрама, хрома или никеля, провоцирующих образование устойчивых оксидных пленок, тем самым вызывающих пассивность конструкционного металла к коррозионному разрушению;
- Покрытия конструкционного металла;
- Электрохимическая защита от коррозии, базирующаяся на использовании торможения коррозионных реакций путем присоединения к защищаемой металлоконструкции элементов с более высоким значением отрицательного потенциала электрода;
- Подщелачивание коррозионной среды или ее деаэрация с целью снижения концентрации водородных ионов.
stroitel5.ru
2.2 Электрохимическая коррозия металлов
Под электрохимической коррозией подразумевают процесс взаимодействия металлов с электролитами в виде водных растворов, реже с неводными электролитами, например, с некоторыми органическими электропроводными соединениями или безводными расплавами солей при повышенных температурах. Делится на электрокоррозию и гальванокоррозию. Из указанных разновидностей рассмотрим лишь гальванокоррозию.
2.2.1 Электрохимическая гальванокоррозия. Электрохимическая коррозия – наиболее распространенный вид коррозии металлов. Примером коррозионных процессов электрохимического характера является разрушение деталей машин, приборов и различных металлических конструкций в почвенных, грунтовых, речных и морских водах, в атмосфере под адсорбированными пленками влаги, в технических растворах.
Растворенный кислород и ионы водорода – важнейшие окислители, вызывающие электрохимическую коррозию металлов.
Рассмотрим схему этого процесса. Сложность его заключается в том, что на одной и той же поверхности происходят одновременно два процесса, противоположные по своему химическому смыслу: окисление металла и восстановление окислителя. Оба процесса должны протекать сопряженно, чтобы сохранялось равенство числа электронов, отдаваемых металлом и присоединяющихся к окислителю в единицу времени. Только в этом случае может наступить стационарное состояние.
Итак, процессы электрохимической коррозии протекают по законам электрохимической кинетики, когда общая реакция взаимодействия может быть разделена на следующие, в значительной степени самостоятельные, электродные процессы:
– анодный процесс – переход металла в раствор в виде ионов (в водных растворах, обычно гидратированных) с оставлением эквивалентного количества электронов в металле:
Ме 0 – nē → Ме n+
– катодный процесс – ассимиляция появившихся в металле избыточных электронов деполяризаторами.
Различают коррозию с водородной и кислородной (или окислительной) деполяризацией. При наличии в растворе газообразного кислорода и невозможностью протекания процесса коррозии с водородной деполяризацией основную роль деполяризатора исполняет кислород. Коррозионные процессы, у которых катодная деполяризация осуществляется растворенным в электролите кислородом, называют процессами коррозии металлов с кислородной деполяризацией. Это наиболее распространенный тип коррозии металла в воде, в нейтральных и даже в слабокислых солевых растворах, в морской воде, в земле, в атмосфере воздуха.
Общая схема кислородной деполяризации сводится к восстановлению молекулярного кислорода до иона гидроокисла:
O + 4ē +2h3O → 4OH—.
В случае водородной деполяризации на катоде протекает процесс восстановления ионов водорода, находящихся в среде:
2Н++ 2ē + → Н2.
2.3Способы защиты от коррозии
Выбор того или иного способа определяется его эффективностью, а также экономической целесообразностью.
2.3.1 Легирование металла – эффективный (хотя обычно дорогой) метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава обычно вводят компоненты, вызывающие пассивирование металла. В качестве таких компонентов применяются хром, никель, вольфрам и др.
Основное средство защиты металлов от газовой коррозии – легирование такими компонентами, которые улучшают свойства защитных пленок, образующихся при окислении металла. Для стали такими элементами являются хром, алюминий, кремний. Эти элементы при высоких температурах окисляются энергичнее, чем железо, и образуют при этом плотные защитные пленки оксидов.
2.3.2 Защитные покрытия. Слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий и сооружений для предохранения их от коррозии, называются защитными покрытиями. Выбор вида покрытия зависит от условий, в которых используется металл.
Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. В зависимости от величины электродного потенциала защищаемого металла и покрытия, различают катодные и анодные покрытия.
Катодное покрытие – металл покрытия менее активен, чем защищаемый металл. Например, олово хорошо покрывает железо и достаточно стойко против действия разбавленных растворов кислот. В случае механического повреждения такого покрытия возникает гальваническая пара, в которой электроны переходят от железа к олову; анодом здесь является железо, а катодом олово. В этом случае разрушается железо, а олово остается без изменений (рисунок 5).
Анодное покрытие – покрытие более активным металлом. Например, покрытие железа цинком (рисунок 4). При механическом повреждении цинкового покрытия возникает гальваническая пара, в которой железо служит катодом, а анодом – цинк. Электроны переходят от цинка к железу, цинк разрушается, а железо остается защищенным до тех пор, пока не разрушится весь цинк. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что более надежным является анодное покрытие.
а)б)
1 – раствор; 2 – покрытие; 3 – основной материал; 4 – пора
Рисунок 4 – Схема коррозии металла в кислом
растворе при нарушении анодного а) и катодного б) покрытия
К ряду покрытий, получаемых химической обработкой металла, относятся защитные покрытия, образующиеся непосредственно на поверхности металла. Образование на поверхности металлических изделий защитных оксидных пленок носит в технике общее название оксидирование.
Неметаллические защитные покрытия могут быть как неорганическими, так и органическими. Защитное действие этих покрытий сводится в основном к изоляции металла от окружающей среды. В качестве неорганических покрытий могут быть неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома, фосфора и др. К органическим относятся лакокрасочные покрытия, покрытия смолами, пластмассами, полимерными пленками, резиной.
2.3.3 Электрохимические методы защиты. Методы электрохимической защиты основаны на изменении потенциала защищаемого металла и не связаны с изоляцией металла от коррозионной среды. К ним относятся катодная защита, называемая также электрозащитой, и протекторная (или анодная) защита.
Катодная защита заключается в том, что защищаемая конструкция А (рисунок 5), находящаяся в среде электролита (например, в почвенной воде), присоединяется к катоду внешнего источника электричества В. Защищаемая конструкция становится катодом. В ту же агрессивную среду помещают кусок старого металла Б (рельс, балка), присоединяемый к аноду внешнего источника электричества. В процессе коррозии этот кусок старого металла становится анодом и разрушается.
Протекторная защита отличается от катодной защиты тем, что для ее осуществления используется специальный анод – протектор, в качестве которого применяют металл более активный, чем металл защищаемой конструкции (алюминий, цинк). Протектор Б (рисунок 6) соединяют с защищаемой конструкцией А проводником электрического тока В. В процессе коррозии протектор служит анодом и разрушается, тем самым предохраняя от разрушения защищаемую конструкцию.
Рисунок 5 – Схема катодной Рисунок 6 – Схема анодной
защиты (протекторной) защиты
2.3.4 Изменение свойств коррозионной среды. Изменение свойств коррозионной среды пригодно для случаев, когда защищаемое изделие эксплуатируется в ограниченном объеме жидкости. Один из методов состоит в удалении из раствора, в котором эксплуатируется защищаемая деталь, растворенного кислорода (деаэрация). В качестве примера можно привести освобождение воды, идущей на питание паровых котлов, от растворенного в ней кислорода, что достигается, например, при фильтровании воды через слой железных стружек.
Для замедления коррозии металлических изделий в агрессивную среду вводят вещества, называемые ингибиторами (или замедлителями) коррозии. Это имеет большое значение в тех случаях, когда металл необходимо защищать от разъедания кислотами. В зависимости от вида коррозии, природы металла и раствора применяются различные ингибиторы, действие которых специфично.
2.3.5 Создание рациональных конструкций. Выбор материалов и их сочетаний для данной машины, конечно, диктуется технической и экономической целесообразностью, но должен обеспечивать ее коррозионную устойчивость. Конструктор должен предусмотреть рациональные формы машины, допускающие быструю очистку от грязи; машина не должна иметь мест скопления влаги, которая является возбудителем коррозии.
studfiles.net
Электрохимическая коррозия
Министерство образования Российской Федерации
Владимирский государственный университет
Кафедра химии и экологии
Лабораторная работа № 8
Электрохимическая коррозия
Выполнил ст. гр. ГСХ-206
Макашин С.М.
Принял
Магазин И.О.
Владимир 2007
Цель работы:проанализировать возможность протекания коррозии различных металлов.
Краткое теоретическое введение:
Коррозией металлов называют процессы разрушения металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Электрохимическая коррозия имеет наибольшее распространение. Например: коррозия металлов в атмосфере воздуха при конденсации влаги на металлической поверхности, коррозия трубопроводов в грунте, коррозия металлов в водных растворах кислот, щелочей, солей, в морской и речной воде и т.д.
В основе процессов электрохимической коррозии лежит работа короткозамкнутых микро- и макрогальванических элементов (коррозионных гальванопар). Причинами возникновения гальванопар могут служить, например: контакт двух металлов, соприкасающихся с раствором электролита, примеси в металлах, контакт металла с его оксидом, электрохимическая неоднородность поверхности металла и др.
На участках с более отрицательными значениями потенциалов, являющихся анодами, протекает процесс окисления металла по механизму
Me – n ē = Men+
с переходом ионов металла в раствор электролита и возникновением некомпенсированных электронов в металле. Эти электроны самопроизвольно переходят на участки с более положительными потенциалами (катодные участки), смещают их потенциал тем самым обуславливают реакцию восстановления каких-либо окислителей (деполяризаторов). В большинстве случаев катодными деполяризаторами являются растворенный в электролите молекулярный кислород воздуха или ионы водорода, которые восстанавливаются на катоде по уравнениям:
в нейтральных и щелочных средах:
1) O2 + 2h3O + 4 ē = 4 OH-
2) 2h3O + 2 ē = h3 + 2OH-
в кислых средах:
3) O2+ 4H++ 4 ē = 2h3O
4) 2H++ 2 ē =h3
Принципиальная возможность протекания процесса электрохимической коррозии определяется соотношением φK> φA, т.е для электрохимического окисления металла (анода) необходимо присутствие окислителя-деполяризатора, равновесный потенциал которого более положителен по сравнению с потенциалом металла в данных условиях. При соблюдении условий φK-φA> 0, а ∆G= -nF(φK-φA) < 0, т.е. возможно самопроизвольное протекание процесса.
Для определения катодного процесса необходимо сравнить потенциал корродирующего металла (анода) в данных условиях с равновесным потенциалом водородного или кислородного электродов. Если φMe<φh3, на аноде и катоде протекают следующие процессы:
Анод: Zn - 2ē = Zn2+
Катод: 2H++ 2ē=h3
В случае контакта меди с серебром в растворе соляной кислоты в образующейся гальванопаре медь является анодом, а серебро – катодом:
Анод: Cu - 2ē = Cu2+
Катод:O2 + 2H+ + 4ē = 2h3O
Ход работы:
Приборы и реактивы:штатив с пробирками; пластинка стали; кусочки цинка, алюминия и свинца; оцинкованное и луженое железо; медная проволока. Растворы: серной кислоты 0,2 н.; уксусной кислоты 0,5н.; иодида калия 0,5н.; красной кровяной соли 0,5н.; Ферроксилиндикатор.
Опыт №1: Коррозия, возникающая при контакте двух различных металлов.
Налить в пробирку 10 капель раствора серной кислоты и поместить кусочек цинка. Что наблюдается? Опустить в пробирку медную проволоку. Отметить, выделяются ли пузырьки водорода на поверхности проволоки. Коснуться медной проволокой кусочка цинка и наблюдать изменение скорости выделения водорода. На каком металле выделяется водород? Объяснить наблюдения и составить схему гальванопары. Написать уравнения всех процессов.
h3SO4+Zn→h3+ZnSO4
На медной проволоке водород не выделяется т.к. медь находится левее водорода в ряду напряжений металлов. При соприкосновении с цинком водород выделяется на аноде (цинке)
- Zn|Cu+
Анод: Zn- 2ē →Zn2+
Катод: 2H+ + 2ē → h3
Опыт №2: Коррозия в результате различного доступа кислорода к поверхности металла (атмосферная коррозия)
Очистить стальную пластинку наждачной бумагой. На чистую поверхность нанести каплю специального раствора. Через 10-15 мин наблюдать появление синей окраски в центре капли и розовой по окружности. Составить схему действия гальванопары, возникшей в результате различного доступа кислорода. Чем вызвано появление розовой окраски у краев и синей в центре?
Катодные участки с более положительными потенциалами возникают возле краев капли, куда легче проникает кислород. Анодные участки, с более отрицательными потенциалами, возникают на неокисленной поверхности металла, защищенной слоем раствора электролита ближе к центру капли. Раствор ферроксилиндикатора содержит фенолфталеин (индикатор на гидроксид-ионы) и красную кровавую соль (индикатор на ионы двух-валентного железа – синее окрашивание). Написать уравнение всех реакций, протекающих при атмосферной коррозии.
Fe3O4 Fe3O4
Анод: Fe - 2ē → Fe2+
Катод: O2 + 2h3O + 4OH-
Fe2+ + K3[Fe(CN)6] → FeK[Fe(CN)6] + K+
Опыт №3: Активирующее действие ионов хлора на коррозию
Ионы, разрушающие защитные оксидные пленки металлов и тем самым способствующие коррозии, называют активаторами коррозии. В данном случае активаторами коррозии являются ионы хлора.
Поместить в 2 пробирки по кусочку алюминия и по 10 капель 0,5 н. раствора сульфита меди и по 3 капли 0,2 н. раствора серной кислоты. В одну пробирку добавить 3 капли 3%-ого раствора хлорида натрия. Наблюдать контактные выделения меди на поверхности алюминия в виде красновато-бурого налета и, вследствие этого, обесцвечивание раствора. Наблюдать также образование пузырьков водорода. В какой пробирке эти процессы протекают интенсивнее? Составить схемы возникающих гальванопар. Напишите уравнения реакций катодных и анодных процессов. Сделать вывод об активирующем действии ионов хлора.
2Al+ 3h3SO4→ 3h3+Al2(SO4)3 (протекает медленно)
СuSO4 + Al → Cu↓ + Al2(SO4)3
Добавим в одну из пробирок NaCl. Тогда там будет наблюдаться более интенсивное выделение водорода, таким образом хлор служит активатором коррозии.
Опыт №4: Анодные и катодные покрытия.
Налить в пробирку по 10-15 капель 3% -го раствора хлорида натря и по 1-2 капли красной кровяной соли. Поместить в одну пробирку кусочек оцинкованного, в другую – луженого железа. Наблюдать за изменением окраски растворов. Учесть, что красная кровяная соль образует с ионами Fe2+ соединение синего цвета. Как происходит коррозия? Что подвергается коррозии в каждом случае: железо или покрытие? Сделать вывод об этом по появлению синей окраски. Составить схемы гальванопар и написать уравнения реакций, протекающих при коррозии в обоих случаях.
Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы были определены условия протекания коррозии металлов.
studfiles.net
3.3 Гомогенный и гетерогенный пути протекания электрохимической коррозии металлов. Электрохимическая коррозия металлов и методы их защиты
Похожие главы из других работ:
Виды химического катализа
2. Гомогенный катализ
В гомогенном катализе катализатор представляет собой молекулу или ион, находящиеся в гомогенном растворе. В случае гомогенного катализа катализатор и все реагирующие вещества составляют одну общую фазу...
Воздействие окружающей среды на металлы
I. Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов.
В настоящее время известно 105 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных...
Выбор конструкционного материала и способа защиты для изготовления и хранения раствора: h3SO4 - 60%
1.1 Механизм коррозии металлов в кислотах
Механизм электрохимической коррозии. Коррозия металла в средах, имеющих ионную проводимость, протекает через анодное окисление металла: и катодное восстановление окислителя (Ох) Окислителями при коррозии служат ионы...
Коррозия металлов
Механизм протекания коррозии металлов
Механизм коррозии металлов определяется, прежде всего, типом агрессивной среды...
Коррозия металлов
Меры защиты металлов от коррозии
Неизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания -- процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию...
Определение термодинамической возможности протекания химических процессов в реакции h3+Cl2=2HCl
2.3 Определение возможности протекания реакции
Протекание реакции в прямом направлении при стандартной температуре = 298 К невозможно, реакция протекает в обратном направлении т.к. свободная энергия Гиббса Реакция при температуре = 500 К протекает в прямом направлении т.к...
Теоретические основы электрохимической коррозии
4 Основы кинетической теории коррозии и ее приложение к коррозии идеально чистых металлов
Протекание процесса растворения металла указывает на то...
Теоретические основы электрохимической коррозии
6 Методы защиты металлов от коррозии
В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью...
Химическая кинетика
2.3 Гетерогенный катализ
К сожалению, до сих пор, несмотря на достаточно большое число теорий, и гипотез в области катализа, многие основополагающие открытия были сделаны случайно или в результате простого эмпирического подхода. Как известно...
Химический катализ
Гомогенный катализ
Среди многочисленных каталитических реакций особое место занимает катализ в цепных реакциях. «Цепными реакциями, как известно, называются такие химические и физические процессы...
Химический катализ
Гетерогенный катализ
К сожалению, до сих пор, несмотря на достаточно большое число теорий и гипотез в области катализа, многие основополагающие открытия были сделаны случайно или в результате простого эмпирического подхода. Как известно...
Электрохимическая коррозия металлов и методы их защиты
2. Виды коррозии металлов
Различают 4 основных вида коррозии: химическую, водородную, кислородную и электрохимическую коррозию металлов. Химическая коррозия - взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой...
Электрохимическая коррозия металлов и методы их защиты
3.1 Термодинамическая возможность электрохимической коррозии металлов
Принципиальная возможность или невозможность самопроизвольного протекания процесса электрохимической коррозии металла, так же как и химической коррозии, определяется знаком изменения свободной энергии процесса...
Электрохимическая коррозия металлов и методы их защиты
3.2 Катодные процессы при электрохимической коррозии металлов
Процесс катодной деполяризации электрохимической коррозии металлов может осуществляться: 1) ионами: H +h3О + e = H + h3О = Ѕ h3 + h3О (3) Ag +mh3О + e = Ag + mh3О (4) Cu 2+mh3О + e = Cu +mh3O (5) Cu +mh3O + e = Сu + mН2О (6) Fe 3+mh3O + е = Fe 2+mh3O (7) S2O82- + 2e = S2O84- = 2SO82-...
Электрохимическая коррозия металлов и методы их защиты
4. Методы защиты металлов от электрохимической коррозии
Методы защиты металлов от электрохимической коррозии можно классифицировать: 1) по защитному фактору: - повышение термодинамической устойчивости металла (защитные неорганические...
him.bobrodobro.ru
Электрохимическая коррозия
Электрохимическая коррозия металла может проявиться в тех случаях, когда имеет место граница раздела фаз металл-электролит. Факт проявления коррозии не зависит от природы электролита, будь это сверхчистая вода или расплавленная соль. Не имеет существенного значения и количество электролита - в предельном случае это может быть пленка влаги толщиной в несколько десятков миллимикрон.
Схема процесса коррозии.Анодный процесс при коррозии всегда заключается в ионизации металла. Металл переходит в раствор в виде гидратированных ионов, при этом в металле остается соответствующее число электронов.
Примерами анодных реакций могут быть:
Fe - 2ē = Fe2+ - окисление железа
Al - 3ē = Al3+- окисление алюминия
В общей форме реакция выглядит так:
Me – nē = Men+, где Me - металл.
Катодный процесс - поглощение появившихся в металле избыточных электронов с помощью так называемых деполяризаторов, которыми могут являться атомы, молекулы, ионы раствора, подвергающиеся восстановлению на всей поверхности металла или отдельных ее участках.
Примерами катодных реакций могут быть следующие:
2Н+ + 2ē → 2Н → Н2 - восстановление ионов водорода в кислой среде.
О2 + 4Н+ + 4ē → 2Н2О - восстановление растворенного кислорода в кислой среде.
О2+2Н2О + 4ē → 4ОН-- восстановление растворенного кислорода в нейтральной или щелочной среде.
В общей форме уравнение катодной реакции выглядит так:
D + ē → D, где D – деполяризатор.
Поляризация и ее виды. Коррозия металлов с кислородной и водородной деполяризацией.При прохождении через электрод электрического тока извне происходит смещение его потенциала. Численная величина изменения потенциала вследствие прохождения тока называется поляризацией.
Причина возникновения поляризации состоит в том, что переход зарядов из металла в раствор и перемещение ионов в электролите встречают определенное сопротивление. В зависимости от вызывающих его факторов различают три вида по-
ляризации: концентрационную, активационную и оммическую.
Причиной концентрационной поляризации является разность концентраций ионов в приэлектродном пространстве, следствием чего является изменение потенциала электрода.
Возникновение активационной поляризации обусловлено сопротивлением, возникающим во время катодной реакции присоединения электронов деполяризатором или торможением
при переходе катионов из металлической решетки в раствор. В электрохимии эти процессы называют стадиями, считается, что самая замедленная стадия определяет скорость процесса. Преодоление такого сопротивления требует добавочной активационной энергии, поэтому и поляризация называется активационной.
Омической поляризацией называется падение потенциала JR, вызываемое электрическим сопротивлением слоя электролита вблизи электрода или слоя продуктов реакции, а также обоих этих слоев одновременно.
В зависимости от направления сдвига потенциала электрода при прохождении постоянного тока различает анодную и катодную поляризации. Анодной поляризацией называется сдвиг потенциала в положительную сторону, катодной поляризацией - его перемещение в отрицательную сторону.
На практике всегда стремятся к увеличению поляризации в коррозионном элементе. Благодаря поляризации металлов скорость коррозии уменьшается в сотни, а то и в тысячи раз.
Явление, противодействующее поляризации электрода, принято называть деполяризацией. Деполяризация (анодная и катодная) ускоряет процесс коррозии.
Среди большого количества реакций катодной поляризации в коррозионных процессах наибольшее значение имеют реакции, в которых в роли, деполяризатора выступает кислород (кислородная деполяризация) или ионы водорода: водородная поляризация).
С водородной деполяризацией протекает коррозия всех
металлов, стоящих левее водорода в ряду напряжений, в кислых средах. В нейтральных средах с водородной деполяризацией протекает коррозия активных металлов, а в щелочных средах - амфотерных металлов.
С кислородной деполяризацией протекает коррозия металлов малой и средней активности в нейтральных средах и в любых средах металлов малой активности, т.е. стоящих в ряду
напряжений после водорода. С кислородной деполяризацией протекает атмосферная и почвенная коррозия. Существенное влияние на скорость коррозии оказывает скорость доставки кислорода к металлу путем диффузии или конвекции, а также такие факторы как перемешивание электролита, глубина погружения корродирующего металла, растворимость кислорода в растворе и т.д.
Причины возникновения гальванопар.В процессах электрохимической коррозии можно выделить следующие типы возникновения гальванических пар (т.е. разности потенциалов на поверхности металлов):
1. Практически любой металл содержит примеси других металлов или соединения того же металла. В среде электролита система из основного металла и металла примеси образует большое число гальванопар. Участки с более электроотрицательными потенциалами окажутся анодами (по отношению к внутреннему участку цепи) и будут растворяться, a нa более электроположительных участках (катодах) будут происходить процессы восстановления. Таким образом, одной из причин электрохимической коррозии является возникновение микро - и макрогальваничесхих элементов на поверхности металла.
На рис. 69 представлена схема коррозии железа с включением меди.
Рис.69. Схема коррозии железа с включением меди
Электрохимическая система этой гальванопары в электролите изображается, как и в случае гальванического элемента, схемой
A (-) Fe│h3SO4│Cu (+) K
железо - анод, медь - катод
На аноде: Fe - 2ē = Fe2+
На катоде: 2Н+ + 2ē = Н2
В результате железо разрушается в месте контакта, а на меди выделяется водород.
2. Гальванопары могут возникать и в результате неравномерности аэрации, т.е. неравномерного доступа кислорода к различным участкам поверхности металла. На рис. 70 показана схема коррозии железа при неравномерном доступе кислорода.
Участки поверхности металла, к которым быстрее диффундирует кислород - катодные, к которым затрудняется доступ кислорода – анодные.
На аноде: Fe - 2ē = Fe2+
На катоде: O2 + 2Н2O + 4ē = 4ОН- (в нейтральной среде)
Рис. 70. Схема коррозии железа при неравномерной аэрации
В ходе коррозии химический состав раствора вблизи металлической поверхности подвергается непрерывным изменениям. Результатом этих изменений являются вторичные реакции. Из приведенной выше схемы видно, что вблизи катодного участка происходит подщелачивание и ионы железа могут вступить в реакцию с ионами OН- с образованием гидроокиси железа: Fe2+ + 2OH- → Fe (OH)2
Труднорастворимая гидроокись железа выпадает в осадок. Если процесс протекает в воздушной среде, то гидроокись железа (II) окисляется кислородом воздуха в гидроокись железа (III):
4Fe (OH)2 + O2 + 2h3O → 4Fe (OH)3
Гидроксиды железа неустойчивы и постепенно могут переходить в соответствующие оксиды. Продукты электрохимической коррозии железа, состоящие из гидратированных оксидов, называются ржавчиной.
3. Возникновение разности потенциалов может наблюдаться для одного и того же металла, части которого контактируют с электролитом разной концентрации. В растворе с меньшей концентрацией поверхность металла заряжается отрицательно (анод), а в более концентрированном растворе - положительно (катод).
4. Часто детали изделия, выполненные из одного и того же металла и различающиеся только по температуре эксплуатации могут подвергаться электрохимической коррозии. Такие контакты встречаются в промышленных устройствах, соприкасающихся с нагретыми газами или жидкостями, например, в паровых котлах, змеевиках и т.д.
5. Различный уровень механических напряжений в одной и той же детали приводит к возникновению микрогальванопар. Если согнутая металлическая пластинка погружена в коррозионную среду, то на растянутом слое через некоторое время начнут возникать трещины (анод), внутренний слой останется без изменения (катод).
Факторы, влияющие на коррозию.На скорость коррозии влияют различные факторы: природа металла, его структу-
ра и состояние поверхности, химический состав и свойства среды, температура электролита, природа поверхностных оксидных пленок, условия работы изделия, влажность, пыль и др. Например, состав электролита определяет электропроводность и активную концентрацию ионов, участвующих в процессе.
Ускоряют коррозионные процессы во всех случаях и для всех металлов ионы Н+, Сl-, Br-, I-, понижая потенциал растворения металлов. Для амфотерных металлов такую роль играют ионы ОН-.
Присутствие в электролите ионов или полярных молекул, которые могут выступать как лиганды при комплексообразовании и растворять пассивирующие пленки (Сl -, СN -, Nh4), значительно ускоряет коррозионные процессы.
С увеличением температуры скорость коррозии металлов, как правило, возрастает, причем эта зависимость носит экспоненциальный характер. Скорость коррозии стали в НСl, идущая с выделением водорода, удваивается при увеличении температуры на 10°. Однако часто зависимость скорости коррозии от температуры имеет сложный характер (например, в случае, когда процесс коррозии протекает с кислородной деполяризацией). Такое явление наблюдается при коррозии стали в природных водах.
Похожие статьи:
poznayka.org
