3.14 Коррозия металлов
Самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды называется коррозией.
В зависимости от характера внешней среды по механизму протекания коррозия может быть химической или электрохимической.
Химическая коррозия развивается в отсутствие электролитов, т.е. характерна для сред, которые не проводят электрический ток. По условиям протекания различают газовую коррозию и коррозию в жидких агрессивных неэлектролитах. Коррозионные процессы при этом заключаются в окислительно-восстановительных реакциях, при которых электроны непосредственно переходят от металла к окислителю окружающей среды, например:
2Zn0 +
= 2
4
ē
2Fe0 + 3
= 2
.
6 ē
Электрохимическая коррозия развивается в средах, имеющих ионную проводимость (в растворах электролитов, атмосфере влажного газа, почве). Электрохимическая коррозия имеет много аналогий с работой гальванического элемента: окисление восстановителя (анодное окисление металла), восстановление окислителя (катодное восстановление веществ из окружающей среды), движение ионов, переход электронов от анодных участков к катодным. Отличием является отсутствие внешней цепи. Роль анода выполняет более активный металл из нескольких, участвующих в контакте или входящих в состав сплава. Катодом является менее активный металл или различные включения – графит, цемент (Fe3C), шлак, ржавчина и т.д. В последних случаях образуется множество микрогальванических элементов. В общем случае электродные процессы при коррозии могут отражаться следующими уравнениями:
Анодные процессы: Me – nē → Меn+
Катодные процессы: а) 2H2O + O2 + 4ē = 4OH– (во влажной атмосфере);
б) 2H2O + 2ē = H2 + 2OH– (в отсутствие кислорода);
в) 2H+ + 2ē = H2 (в кислой среде).
Например, если во влажной атмосфере в контакте находятся медь и железо, то подвергаться разрушению будет железо как более активный металл:
Анод (Fe): Fe – 2ē = Fe2+ .
Электроны переходят от железа к меди (катоду), на котором происходит восстановление растворенного в воде кислорода:
Катод (Cu): 2H2O + O2 + 4ē = 4OH– .
В результате движения ионов образуется гидроксид железа (II):
Fe2+ + 2OH– = Fe(OH)2 .
В данном конкретном случае из-за склонности Fe(OH)2 к окислению и неустойчивости возможны вторичные процессы:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
В кислой среде для данной контактирующей пары металлов процессы имели бы вид:
Анод (Fe): Fe – 2ē = Fe2+;
Катод (Cu): 2H+ + 2ē = H2↑.
Скорость коррозии возрастает с увеличением температуры, концентрации окислителей и веществ, препятствующих образованию пассивирующей пленки (Cl–, CN–, NH3), разности потенциалов катодных и анодных участков.
Контрольные задания:
131. Почему нельзя соединять алюминиевые листы медными заклепками?
132. Химически чистый цинк почти не реагирует с соляной кислотой. При добавлении к кислоте нитрата свинца происходит энергичное выделение водорода. Объясните это явление.
133. Как будет протекать в кислой среде коррозия железа:
а) покрытого медью;
б) покрытого марганцем в случае нарушения целостности покрытия?
134. Коррозия будет происходить быстрее в случае луженого или оцинкованного железа? Составьте уравнения реакций, приведите схему работы микрогальванопар.
135. Как происходит атмосферная коррозия оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
136. Составьте уравнения процессов, протекающих при атмосферной коррозии луженого железа при нарушении покрытия.
137. Железное изделие частично покрыто никелем. Какое это покрытие – анодное или катодное? Составьте уравнения процессов, протекающих при коррозии этого изделия в атмосфере и в соляной кислоте.
138 . В раствор серной кислоты поместили две цинковых пластинки, одна из которых частично покрыта медью. В каком случае процесс коррозии будет интенсивнее? Почему?
139. Какое покрытие металла называется анодным и какое катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытия никеля. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии никеля, покрытого медью во влажном воздухе и в кислой среде.
140. Цинковое изделие покрыто кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во лажном воздухе и в соляной кислоте. Укажите продукты коррозии.