ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Кафедра материаловедения и физики металлов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по дисциплине

«Коррозия и защита металлов» для студентов направления 140400 «Техническая физика», специальности 150104

«Литейное производство черных и цветных металлов»

очной формы обучения

Воронеж 2012

Составители: д-р техн. наук В.А. Небольсин, канд. техн. наук В.В. Корнеева, канд. техн. наук Т.И. Сушко

УДК 541.1:502

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Коррозия и защита металлов» для студентов направления 140400 «Техническая физика», специальности 150104 «Литейное производство черных и цветных металлов» очной формы обучения / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.А. Небольсин, В.В. Корнеева, Т.И. Сушко. Воронеж, 2012. 42 с.

Методические указания содержат теоретическое введение и экспериментальную часть к лабораторным работам по коррозии и защите металлов. В теоретическом введении представлена теория электрохимической коррозии металлов в объеме, достаточном для правильного осмысливания лабораторного практикума и для устных отчетов по лабораторным работам. В конце каждой лабораторной работы даны контрольные вопросы.

Предназначены для студентов III – IV курсов.

Табл. 7. Ил. 13. Библиогр.: 5 назв.

Рецензент: канд. физ.-мат. наук, доц. А.А. Лукин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. А.Т. Косилов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический

университет», 2012

1. Теоретическая часть

Электрохимической коррозией металлов и сплавов называется их самопроизвольное окисление в результате физико-химического взаимодействия с электролитами.

Примеры:

– ржавление различных металлических изделий и конструкций в атмосфере (металлические станки и оборудование заводов, стальные мосты, каркасы зданий, средства транспорта и др.);

– коррозия наружной металлической обшивки судов в речной и морской воде;

– ржавление стальных трубопроводов в земле;

– разрушение баков и аппаратов растворами кислот, солей и щелочей на химических заводах и т.д.

1.1. Электронные потенциалы

Согласно современным представлениям, кристаллическая решетка металлов построена из ионов. При погружении металла в воду ионы его поверхностного слоя под действием полярных молекул воды переходят в раствор, что приводит к возникновению на поверхности металла избытка свободных электронов. Раствор приобретает положительный заряд, а металл – равный по величине заряд противоположного знака.

Накопление ионов металла в растворе начинает тормозить дальнейшее растворение металла. В результате устанавливается равновесие:

. (1)

Концентрация ионов металла в растворе и соответственно избыток свободных электронов на поверхности металла обусловливаются природой металла: чем активнее металл, тем больше ионов он посылает в раствор.

Аналогичная картина наблюдается и при погружении металла в раствор собственной соли, в котором находятся ионы металла Меⁿ⁺.

Только в этом случае облегчается переход ионов из раствора в металл, и равновесие устанавливается при другом по сравнению с чистой водой соотношении положительных и отрицательных зарядов в растворе и на поверхности металла.

Для неактивных металлов равновесная концентрация ионов металла в растворе очень мала. Если такой металл погрузить в раствор его соли, то катионы металла будут переходить из раствора на поверхность металла. В этом случае металл приобретает положительный заряд, а раствор из-за избытка анионов соли – отрицательный заряд.

Таким образом, при погружении металла в воду или в раствор соли данного металла на поверхности раздела металл-раствор образуется двойной электрический слой, обусловливающий скачок потенциала или разность потенциалов. Эту разность потенциалов принято называть электродным потенциалом Е_Ме. Величина электродного потенциала зависит от природы металла, концентрации ионов металла в растворе и от температуры. Эта зависимость выражается формулой Нернста

, (2)

где Е_Ме – электродный потенциал металла;

– стандартный электродный потенциал, измеренный при активности раствора, содержащего 1 моль ионов металла в 1 л;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/град ∙ моль;

Т – температура по абсолютной шкале;

n – валентность металла;

F – константа фарадея, равная 96494 Кл;

а – активность ионов в растворе.

Для разбавленных растворов активность может быть заменена концентрацией С (моль/л).

Подставив в формулу (2) числовые значения R, Т, F и заменив натуральный логарифм десятичным, получим для 25 °С (298 К):

. (3)

Абсолютное значение электродного потенциала измерить невозможно, поэтому измеряют разность потенциалов между данным электродом и электродом сравнения. В качестве электрода сравнения используют водородный электрод, стандартный потенциал которого условно принимают равным нулю. Располагая металлы в порядке возрастания их стандартных потенциалов, получают электрохимический ряд напряжений металлов.

Ряд напряжений имеет большое значение при изучении процессов электрохимической коррозии. Он позволяет определить, какой металл из двух, находящихся в контакте, будет растворяться, какой не будет. Кроме того, зная положение металла в ряду напряжений, можно правильно сориентироваться при выборе защитных покрытий.

Значения стандартных электродных потенциалов некоторых металлов при 25 °С

Электрод	Электродный процесс	при 25 °С
1 1	2 2	3 3
Na/Na +	Na Na + + е	– 2,71
Al/Al 3+	Al Al 3+ + 3е	– 1,66
Zn/Zn 2+	Zn Zn 2+ + 2е	– 0,76
Fe/Fe 2+	Fe Fe 2+ + 2е	– 0,44
Ni/Ni 2+	Ni Ni 2+ + 2е	– 0,25
Sn/Sn 2+	Sn Sn 2+ + 2е	– 0,14

Продолжение табл.

Pt(H2)/Н +	1/2 H2 Н + + е	0
Cu/Cu 2+	Cu Cu 2+ + 2е	+ 0,34
Au/Au +	Au Au + + е	+ 1,69