9.2 Коррозия металлов

Коррозия - это самопроизвольно протекающий технически нерентабельный процесс разрушения металлов под действием окружающей среды, происходящий с выделением энергии. По механизму коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия - это процесс разрушения металлов под действием окружающей среды, не содержащей влаги. Такая среда не проводит электрический ток. При химической коррозии металл разрушается под действием газов (газовая коррозия), топлива, масел, химических веществ агрессивного характера (Cl₂, H₂S).

Электрохимическая коррозия - разрушение металлов под действием окружающей среды, содержащей влагу, проводящей электрический ток. При этом в среде электролита образуется гальванический элемент, в результате чего протекает окислительно-восстановительный процесс в направлении разрушения более активного металла. Окисляющийся металл в данной паре является анодом, а менее активный металл, на котором протекает процесс восстановления электролита, служит катодом. В процессах коррозии металл на катоде не разрушается.

В кислой среде на катоде выделяется водород: 2H⁺ + 2ē  H₂ (Этот процесс называется водородная деполяризация). В нейтральных и щелочных средах в катодных процессах важную роль играет растворенный кислород - более сильный окислитель, чем ионы водорода. Происходит кислородная деполяризация.

O₂ + 2H₂O + 4ē  4O H^

Электрохимическая коррозия наблюдается и под действием газов, растворенных в воде, которые образуют электролит:

CO₂ + H₂O = H⁺ + HCO₃^ SO₂ + H₂O = H⁺ + HSO₃^

Практически в этих случаях деполяризатором служит ион водорода:

2H⁺ + 2ē  H₂

9.3 Решение задач

Пример 1. Определить ЭДС концентрационного серебряного элемента, электроды которого находятся в растворах AgNO₃ с концентрациями солей 0,1 моль/л и 0,001 моль/л. Составить электронные уравнения процессов, протекающих на электродах при работе гальванического элемента.

Решение. В концентрационном гальваническом элементе катодом (+) является электрод с большей концентрацией катионов металла в растворе. Формула данного элемента:

A (-) Ag  AgNO₃ ║ AgNO₃  Ag К(+)

0,001 моль/л 0,1 моль/л

На катоде: Ag⁺ + ē = Ag⁰ (восстановление)

На аноде: Ag⁺ - ē = Ag⁺ (окисление).

ЭДС элемента вычисляем по формуле ЭДС = Е_(К) – Е_(А)

0,059 0,059

ЭДС = (Е_(К) + ^________ lg [Mе_(K)ⁿ⁺]) - (Е_(A) + ^_________ lg [Mе_(A)ⁿ⁺]) =

n n

0,059 [Mе_(K)ⁿ⁺]

= Е_(К) – Е_(А) + ^________ lg ^___________ ;

n [Mе_(A)ⁿ⁺]

Так как, в концентрационном элементе оба электрода из одного металла, то Е_(К) = Е_(А) 0,059 [0,1]

Поэтому ЭДС = ^________ lg ^________ = 0,059 lg 10² = 0,118 В.

1 [0,01]

Пример 2. Между какими, взятыми попарно, веществами: а) Zn + FeSO₄, б) Ag + ZnSO₄ пойдет реакция. Какой металл обладает большей восстановительной активностью? Вывод обосновать расчетом G.

Решение: а) Zn + FeSO₄  ZnSO₄ + Fe

Электронные уравнения:

Zn - 2ē  Zn²⁺ восстановитель

Fe²⁺ + 2ē  Fe окислитель

Е =  _{окислителя} -  восстановителя = - 0,44 – (- 0,76) = 0,32 В

G = - 2 ^. 96500 ^. 0,32 < О

Вывод: Реакция возможна, равновесие смещено вправо.

б) Ag + ZnSO₄  AgSO₄ + Zn

Электронные уравнения:

Ag - 1ē  Ag⁺ восстановитель

Zn²⁺ + 2ē  Zn окислитель

Е =  _В.Ф. -  _О.Ф. = - 0,76 – (+ 0,799) = - 1,559 В

G = - 2 ^. 96500 ^. (- 1,559)  О

Вывод: G  0, реакция невозможна, равновесие смещено влево. Цинк более активный металл, так как его потенциал меньше чем у серебра: _ZnZn²⁺ (- 0,76 В)  _AgAg⁺ (+ 0,799 В).

Пример 3. Составьте схему процесса коррозия железного листа во влажном воздухе.

Схема гальванического элемента

(-) FeH₂O + O₂Fe (+)

Электродные процессы:

- Анод (Fe) Fe⁰ - 2ē  Fe²⁺ процесс окисления

- Катод (Fe) 2H₂O + O₂ + 4ē  4OH^ процесс восстановления

Суммарная реакция:

Fe²⁺ + 2OH^  Fe(OH)₂

Гидроксид железа (II) в присутствии воды и кислорода воздуха окисляется до гидроксида железа (III)

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂  4Fe(OH)₃

Fe(OH)₃ отщепляет воду, образуется соединение соответствующее по составу бурой ржавчине:

Fe(OH)₃ = FeOOH + H₂O 2FeOOH = Fe₂O₃ ^. H₂O

Как видно на примере, деполяризатором атмосферной коррозии, как правило, является кислород.