- •Содержание курса химии:
- •Основные понятия и законы химии.
- •Для простых веществ:
- •Масса эквивалента соли
- •Закон Авогадро.
- •Строение вещества.
- •Модель атома вещества по Бору.
- •Квантово механическая модель атома.
- •Основной принцип квантовой механики.
- •Квантовые числа.
- •Распределение электронов в атоме по энергетическим состояниям.
- •Принцип Паули.
- •Энергия ионизации, сродство к электрону и Электроотрицательность.
- •Строение молекул. Химическая связь.
- •Природа и свойства ковалентной связи на примере строения молекул (h2, hCl, h2o).
- •Свойства ковалентной связи:
- •Ионная связь.
- •Влияние природы химической связи на свойства веществ.
- •Металлическая связь, сходство и различие между металлической и ковалентной связями.
- •Основные закономерности протекания химических реакций. Энергетические эффекты химических реакций. Внутренняя энергия и энтальпия. Стандартная энтальпия образования вещества.
- •Основные понятия и законы в термодинамике.
- •Стандартное состояние.
- •Термохимические законы и расчёты по ним:
- •Закон Гесса.
- •2. Закон Лавуазье-Лапласа.
- •Направленность химических реакций.
- •Кинетика химических реакций. Основные понятия химической кинетики.
- •Скорость реакции.
- •Смещение равновесий.
- •Особенности кинетики гетерогенных реакций.
- •Дисперсные системы.
- •Растворы.
- •Законы Рауля.
- •Энергетические эффекты при растворении.
- •Электролитическая диссоциация.
- •На практике оказывается, что
- •Электролитическая диссоциация. Степень диссоциации - отношение числа молекул распавшихся на ионы (n) к общему числу растворенных молекул (n).
- •Сильные электролиты.
- •Кислоты, основания, соли с точки зрения теории электрической диссоциации.
- •Слабые электролиты.
- •Ионное произведение воды. Водородный показатель.
- •Гидролиз солей.
- •Окислительно-восстановительные реакции.
- •Электрохимия.
- •Возникновение скачка потенциала на границе электрод-электролит.
- •Гальванические элементы.
- •Химические источники тока.
- •Стаканчиковый
- •Аккумуляторы.
- •Ряд напряжений металлов.
- •Измерение электродных потенциалов. Ряд стандартных электродных потенциалов, водородный электрод.
- •Электролиз расплавов и растворов электролитов.
- •Явление поляризации при электролизе. Природа этого явления.
- •Последовательность разрядки ионов при электролизе на катоде.
- •Электролиз водных растворов электролитов.
- •Законы Фарадея.
- •Коррозия металла.
- •Защита металлов от коррозии.
Законы Фарадея.
Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества прошедшего через раствор.
m(B)=kIt
It=Q
где I – постоянный ток;
t – время пропускания тока;
k – электрохимический эквивалент;
М – молярная масса вещества;
F – постоянная Фарадея;
z – число электронов участвующих в процессе.
Следствие: при прохождении одинакового количества электронов через систему последовательно соединенных электролизеров масса веществ, превращающихся на электродах пропорциональны их эквивалентным массам (соблюдается закон эквивалентов).
В реальных условиях на электролизере, возможно, протекает одновременно несколько реакций, в этих случаях на получение данного продукта затрачивается доля общего количества электричества, которое выражают в процентах и называют выход по току.
Применение электролиза:
-
нанесение покрытий на поверхности твердых тел (металлом или оксидами металла);
-
получение щелочных, щелочноземельных металлов и алюминия;
-
получение самых активных окислителей.
Коррозия металла.
Самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей средой, происходящий с выделением энергии и рассеиванием вещества (рост энтропии), называется коррозией. Коррозионные процессы протекают самопроизвольно и необратимо в соответствии со вторым началом термодинамики.
Химческая сторона коррозии – это всегда окисление металла, которое сопровождается переходом его
Физическая сторона этого процесса связана:
-
диффузия компонентов среды поверхности металла;
-
возникновение электродных потенциалов;
-
если есть превращение одних веществ металла в другие (окислы, соли). Происходит изменение физических свойств в зависимости от условия протекания, а следовательно, среды эксплуатации конструкции различают:
-
газовую (высокотемпературную);
-
атмосферную;
-
почвенную;
-
в водной среде;
-
коррозию в жидких не электролитах (бензине, маслах);
-
в электролитах, при кислотных дождях.
В зависимости от условий коррозии имеет различный механизм, газовая в сокотемпературная и коррозия в не электролитах протекает как химическая коррозия, то есть имеет место непосредственного взаимодействия металла с кислородом или другими окислителями.
Во всех других случаях коррозия протекает как электрохимическая коррозия так как во всех жизненных средах (атмосфера, водоем, почвы) присутствуют кислород и вода, а также пары кислот, соли, то есть среда всегда электролитическая, металл оказывается погруженным в электролит (он всегда является электродом). На его поверхности возникает электродный потенциал (на разных участках возникают разные электродные потенциалы). Участки с разными электродными потенциалами оказываются замкнутыми самим элементом конструкций. То есть на поверхности материала возникают гальванические элементы, участки которых с меньшим потенциалом служат анодом (на них идет окисление компонентов среды), а участки с большим потенциалом - катодом (на них идет восстановление компонентов среды).
Медленное выделение тепловой энергии почти без повышения температуры или электрической энергии с ничтожно малыми разностями потенциалов не даёт возможности использовать выделяющуюся энергию – происходит рассеивание энергии (рост тепловой части энтропии). Продукты коррозии, как правило, рассеиваются в процессе эксплуатации металлических конструкций, что ведёт к росту энтропии (концентрационная часть энтропии).
Электрохимическая коррозия, идущая в электролитной среде под действием внутренних микро- или макро гальванических пар или внешней разности потенциалов.
Оба типа коррозионных процессов определяются термодинамически- изменением свободной энергии Гиббса.
Процессы высокотемпературной химической коррозии определяется константой равновесия обратимых гетерогенных реакций, и для исследования их мы используем первую часть равенства. Кроме термодинамической вероятности процесса необходимо рассматривать кинетику процесса, т. к. она определяет долговечность и надёжность машин и конструкций, работающих в коррозионных средах.
Существенно влияет на коррозионные процессы уровень внешних или внутренних напряжений и их распределение в металле изделия.
Условия возникновения коррозионных гальванических элементов.
Причина: |
Полярность участков. |
Соприкосновение (контакт) металлов |
Металл с меньшим электродным потенциалом – анодный участок |
Неоднородность металлической фазы |
Микро и макро включения примесей – анодный участок Пример: металл, если его потенциал меньше электродного потенциала примеси и наоборот. |
Неоднородность поверхности |
Границы блоков, зерен, выходы дислокации являются анодами |
Неоднородность защитных пленок |
Пары в оксидной, нитридной и солевой пленке являются анодами. |
Неоднородность напряжений |
Более напряженные участки являются анодами |
Неоднородность среды |
Различная концентрация электролитов (анодный, где концентрация меньше) различный доступ окислителя, наличие на поверхности активаторов или пассиваторов коррозии (некоторые соли) |
Неоднородность физических условий |
Различие температур, неравномерное наложение внешних электрических полей. |
Механизм электрохимической коррозии.
Частные с меньшим потенциалом являются анодами:
1 случай: (-) А(Fe) Fe-2eFe2+
(+) K(Fe) O2+H2O+4e4OH-
2Fe+O2+H2O2Fe(OH)2 - атмосферная коррозия.
2 случай: в кислой среде в присутствии кислорода.
(-) А(Fe) Fe-2eFe2+
(+) K(Fe) O2+4H++4e2H2O
2Fe+O2+4H+Fe2++2H2O
3 случай: коррозия в кислых средах.
(-) А(Fe) Fe-2eFe2+
(+) K(Fe) 2H++2eH2
Fe+2H+Fe2++H02
Термодинамические характеристики процесса коррозии.
Кинетические характеристики процесса коррозии.
Коррозия – это сложный процесс, то есть состоит из нескольких стадий, влияющих на скорость коррозии. В целом скорость разрушения материала определяется скоростью самой медленной стадии – лимитирующая. Таким образом, управлять скоростью коррозии можно, замедляя одну из ее стадий:
-
перенос реагирующих веществ на поверхности раздела фаз;
-
собственно гетерогенная реакция на анодных и катодных реакциях;
-
отвод продуктов реакции из реакционной зоны.
(Все три стадии протекают одновременно на поверхности материала и определяют скорость друг друга.)
Из термодинамики и кинематики процесса коррозии следует:
-
коррозия неизбежна;
-
можно управлять скоростью этого процесса;
-
предотвратить его можно путем изоляции поверхности материала от внешней среды. Решая эту задачу необходимо:
-
сохранить однородность материала;
-
само покрытие должно обеспечивать сохранение прочностных характеристик.