Коррозия металлов

Коррозиейназывают процесс самопроизвольного окисления металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой (ΔG < 0). По механизму протекания различают:

а) химическую коррозию в средах, не проводящих электрический ток (газовая коррозия, коррозия в неэлектролитах);

б) электрохимическую коррозию в средах, имеющих ионную проводимость (коррозия в электролитах, в атмосфере влажного воздуха, в почве).

При электрохимической коррозии разрушение металла происходит в результате работы огромного количества коррозионных микроэлементов. При этом на более активном металле, с меньшим значением потенциала, протекает анодная реакция (окисление), а на участках металла с большим значением потенциала – катодное восстановление окислителя:

A: Me – ne = Me+n

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1 (pH > 7) кислородная деполяризация

O2 + 4H+1 + 4e = 2H2O (pH < 7)

2H2O + 2e = H2 + 2OH-1 (pH > 7) водородная деполяризация

2H+1 + 2e = H2 (pH < 7)

Возможность протекания коррозии может быть определена по знаку ЭДС коррозионного элемента Е = φкатод – φанод или Е = φокисл. – Евосстан.. Коррозия возможна, если Е > 0.

Равновесный потенциал кислородного электрода при 298 К описывается уравнением φ= 1,227 + 0,0147lg P- 0,059 pH, а потенциал водородного электрода определяется уравнением φ= - 0,059pH – 0,0295lg P.

 

Пример 1.Какие из металлов (Au, Sn, Mn) могут быть окислены кислородом при 298 К, рН = 7 и стандартных состояниях всех веществ?

Решение:Окисление металла возможно при условии φокисл. > φвосст., т.е. φ> φ.

Потенциал кислородного электрода при 298 К, P= 1атм и рН = 7 равен 0,814 B. φ= 1,227 + 0,0147 lg 1 – 0,059∙7 = 0,814(B)

Стандартные потенциалы металлов равны φ= - 0,136 B, φ= - 1,18 B и φ= 1,5 B. Отсюда следует, что указанное выше условие соблюдается для олова и марганца, которые могут быть окислены кислородом при рН = 7.

Ответ: олово и марганец могут быть окислены.

 

Пример 2. Рассмотрите коррозию изделия из алюминиевой бронзы: а) в дистиллированной воде; б) в сильнощелочной аэрированной среде (раствор гидроксида натрия). Предложите протектор для защиты изделия из алюминиевой бронзы от коррозии во влажном воздухе. Приведите уравнения протекающих процессов.

Решение: Алюминиевая бронза – сплав меди с алюминием.

Так как φ= 0,34 B > φ= - 1,7 B, то зерна меди будут катодными участками, а алюминия – анодными участками. Последние и будут подвергаться коррозии. Катодные процессы определяются характером коррозионной среды.

а) Протекает коррозия с водородной деполяризацией

А: Al – 3e = Al+3 2

К: 2H2O + 2e = H2 + 2OH-1 3

2Al + 6H2O = 3H2 + 2Al(OH)3,.

б) Протекает коррозия с кислородной деполяризацией

A: Al – 3e = Al+3 4

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1 3

4Al +3O2 + 6H2O = 4 Al(OH)3

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4].

Протектор, согласно принципу его действия, должен иметь потенциал более отрицательный, чем потенциал меди и алюминия, например магний (φ= - 2,37 В). В образующемся гальваническом элементе он будет выступать в качестве анода и разрушаться.

A: Mg – 2e = Mg+2 2

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1 1

2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg(OH)2

Пример 3.К какому типу покрытий относятся олово на меди и на железе? Какие процессы будут протекать при коррозии указанных пар в кислой среде?

Решение: φ= 0,34 B; φ= - 0,44 B; φ= - 0,14 B.

а) Т. к. φ= - 0,14 B < φ= 0,34 B, значит олово является анодным покрытием на меди. При коррозии разрушается металл покрытия:

A: Sn – 2e = Sn+2

K: 2H+1 + 2e = H2

Sn + 2H+1 = Sn+2 + H2

б)Т. к. φ= - 0,14 B > E= - 0,44 B, значит олово является катодным покрытием железа. При нарушении целостности покрытия корродировать будет основной металл – железо.

A: Fe – 2e = Fe+2

K: 2H+1 + 2e = H2

Fe + 2H+1 = Fe+2 + H2

 

Задания для самостоятельного решения:

1. Коррозия – процесс самопроизвольного разрушения металлов вследствие физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Изменение свободной энергии Гиббса в этом случае: а) ΔG > 0; б) ΔG = 0; в) ΔG < 0.

2. Какой из процессов протекает на корродирующем металле:

а) Me+n +ne = Me восстановление;

б) Me – ne = Me+n восстановление;

в) Me – ne = Me+n окисление.

3. Какие процессы возможны при коррозии в кислой среде на катодных участках:

а) O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1; в) H2 + 2OH-1 + 2e = 2H2O;

б) 2H+1 + 2e = H2; г) O2 + 4H+1 +4e = 2H2O.

4. Какие процессы возможны при коррозии в щелочной среде на катодных участках:

а) O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1; в) H2 + 2OH-1 + 2e = 2H2O;

б) 2H+1 + 2e = H2; г) O2 + 4H+1 +4e = 2H2O.

5. Склепаны два металла. Какой из металлов будет подвергаться коррозии:

а) Zn – Fe; ж) Cu – Cd;

б) Pb – Sn; з) Ag – Pb;

в) Zn – Ag; и) Al – Ni;

г) Al – Fe; к) Fe – Sn;

д) Pd – Mn; л) Fe – Cd;

е) Fe – Ni; м) Сr – Ni.

6. Составьте уравнения электродных процессов, происходящих при коррозии вышеуказанных пар металлов:

а) в атмосфере влажного воздуха;

б) в дистиллированной воде;

в) в кислой среде.

7. Приведите примеры катодных и анодных покрытий для

а) меди; ж) железа;

б) никеля; з) свинца;

в) цинка; и) олова;

г) хрома; к) кадмия;

д) серебра; л) алюминия;

е) марганца; м) кобальта.

8. Возможна ли электрохимическая коррозия:

а) Sn в водном растворе при рН = 6 в контакте с воздухом;

б) Zn в дистиллированной воде;

в) Fe в атмосфере влажного воздуха;

г) Cu в деаэрированном растворе при рН = 2;

д) Cd в аэрированном растворе при рН = 10;

е) Fe в нейтральной среде рН = 7;

ж) Ni в водном растворе при рН = 1;

з) Pb в морской воде (рН = 8) в контакте с воздухом;

и) Al в деаэрированном растворе при рН = 3;

Приведите уравнения электродных процессов

 

Список литературы:

1. Основная литература:

1. Глинка, Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка; под ред: А.И. Ермакова – 30-е изд., испр. – М.: Интеграл-Пресс, 2009 – 727 с. – 57 экз.

2. Коровин, Н.В. Общая химия: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования/ Н.В. Коровин. – 13-е изд. перераб и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 496 с. – (Сер. Бакалавриат). ‑ 56 экз.

3.Глинка, Н.Л. Сборник задач и упражнений по общей химии: учеб. пособие для студ. нехимических спец. вузов / Н.Л. Глинка; под ред. В.А Рабиновича, Х.М. Рубининой – М.: Интеграл-Пресс, 2009.- 240 с.– 65 экз.

4. Хаускрофт, К. Современный курс общей химии: в 2 т. / К. Хаускрофт, Э. Констебл; пер. с англ. Я.А. Ребане и др.; под ред. В.П. Зломанова – М: Мир, 2009. Т. 1. – 539с. – 10 экз.

5. Хаускрофт, К. Современный курс общей химии: в 2 т. / К. Хаускрофт, Э. Констебл; пер. с англ.Р.В. Ничипорук, А.А. Молодыка; под ред. В.П. Зломанова – М: Мир, 2009. Т. 2. – 528с. –

10 экз.

 

2. Дополнительная литература:

1. Некрасов, Б.В.Основы общей химии: в 2-х т. / Б.В. Некрасов. – 4‑е изд., стереотип. – СПб. и др. – Т. 1. – 2003-.656 с.

2. Некрасов, Б.В.Основы общей химии: в 2-х т. / Б.В. Некрасов. – 4‑е изд., стереотип. – СПб. и др. – Т. 2. – 2003-.688 с.

3. Угай, Я.А. Общая и неорганическая химия: учеб. для вузов /Я.А. Угай – Изд. 5, стер. – М.: Высша. шк., 2007.-526 с.

4. Коровин, Н.В. Задачи и упражнения по общей химии: учеб. пособие / Под ред. Н.В. Коровина. – 3-е изд., испр. – М.: Высша. шк., 2006. – 255с.

5. Вольхин, В.В. Общая химия. Основной курс: учеб. пособие / В.В. Вольхин. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.; М.; Крастнодар: Лань, 2008. – 464 с.

6. Вольхин, В.В. Общая химия. Избранные главы: учебн. пособие / В.В. Вольхин. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.; М.; Крастнодар: Лань, 2008. – 384 с.

7. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия: учебн. для вузов/ Н.С. Ахметов. – 7-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2009. – 743 с.

8. Задачи и упражнения по общей химии: учебн. пособие для студ. вузов, обуч. по техническ им напр. и спец. / Б.И. Адамсон, О.Н. Гончарук, В.Н. Камышова и др. Под ред. Н.В. Коровина. – 3-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2006. – 254с.

9. Гельфман, М.И. Химия: учебник для студ. вузов, обуч. по техническим спец. и напр. / М.И. Гельфман, В.П. Юстратов. – 4-е изд. стер. – СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2008. – 472 с.

10. Теоретические основы общей химии: учеб. для студ.в вузов, обуч. по напр. подгот. диплом. спец. в обл. техники / А.И. Горбунов, А.А. Гуров, Г.Г. Филиппов, В.Н. Шаповал. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. – 719 с.

11. Романцева, Л.М. Сборник задач и упражнений по общей химии: учеб пособие для нехимических спец. вузов / Л.М. Романцева, З.Л. Лещинская, В.А. Суханова.2-е изд., рераб и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 228 с.

12. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии: учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов. / С.С. Воюцкий. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1976. - 512 с.

13. Жилин, Д.М. Общая химия. Практикум L-микро. Руководство для студентов / Д.М. Жилин. – М.: Изд-во МГИУ, 2006. – 321 с.

14. Жмурко Г.П. Лекции по общей и неорганической химии для студента первого курса биологического факультета (общий поток) [Электронный ресурс]: Химический факультет МГУ. Учебные материалы для нехимических специальностей. / Режим доступа:

http://www.chem.msu.su/rus/teaching/general.html.

16. Хлебников А.И., Аржанова И.Н., Напилкова О.А. Общая химия. Гипертекстовое учебное пособие [Электронный ресурс]:Факультет пищевых и химических производств АлтГТУ. Учебные материалы / Режим доступа: http://www.chem-astu.ru/chair/study/genchem/index.html

3. Справочная литература:

1.. Рябин, В.А. Термодинамические свойства веществ: справочник / В.А. Рябин, М.А. Остроумов, Т.Ф. Свит – Ленинград: Химия, 1977 –

392 с.

2. Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / Ю.Ю. Лурье. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1959. – 447 с.

3. Краткий справочник физико-химических величин / ред., сост. А.А. Равдель, ред., сост А.М. Пономарева, сост. Н.М. Барон, сост. З.Н. Тимофеева – 9-е изд. – СПб.: Специальная литература,1999. – 231 с.

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

(ДВФУ)