Коррозия металлов

Цель работы: изучить процесс коррозии и факторы, влияющие на скорость коррозии, способы защиты.

Коррозией называют разрушение металла в результате химического или электрохимического взаимодействия металла с окружающей средой. Скорость коррозии выражают либо через потерю массы образца в единицу времени на единицу площади поверхности, либо через уменьшение толщины металла в единицу времени.

В результате коррозии металлы становятся менее прочными, изменяются размеры изделий, увеличивается работа трения между деталями машины. Народному хозяйству коррозия причиняет значительный ущерб.

Различают два вида коррозии – химическую и электрохимическую. Если окисление металла происходит как обычная химическая реакция (соединение железа с кислородом при высокой температуре с образованием окалины), то коррозию называют химической. Химическая коррозия характерна для сред, не проводящих электрический ток. В процессе химической коррозии происходит прямое взаимодействие металла с окислителем.

Электрохимическая коррозия металлов наблюдается при соприкосновении металлов с водой, растворами электролитов, атмосферным воздухом или другими влажными газами. В этих случаях процесс коррозии сопровождается перемещением электронов с одних участков металла к другим, т.е. появлением электрического тока. Наиболее распространенными окислителями в коррозионном процессе служат ионы водорода и молекулы кислорода.

В качестве примера электрохимической коррозии рассмотрим действие H₂SO₄ на технический цинк, содержащий примесь железа. На поверхности такого цинка возникает множество микроскопических гальванических элементов

Zn | H₂SO₄ | H₂ | Fe,

в котором цинк служит анодом, а железо – катодом. На цинке протекает анодный процесс

Zn⁰ – 2e → Zn²⁺ (окисление)

а на железе – катодный процесс

2H⁺ + 2e → H₂ (восстановление).

Таким образом, электрохимическая коррозия металлов – это результат деятельности микрогальванических элементов на их поверхности.

При описании коррозионных явлений, так же как и гальванических элементов, окисляющийся металл называют анодом, а процесс окисления – анодным. Металл, на котором электроны переходят к окислителю, называют катодом, а процесс восстановления – катодным.

При контакте двух металлов анодом становится металл, электродный потенциал которого более отрицателен.

Скорость коррозии зависит от различных факторов: от природы металла и вида поверхности, от рН и температуры раствора, с которым реагирует металл.

Большое значение процессов коррозии имеет поляризация электродов, образование пленок на металлах, перенапряжение водорода.

Если бы в коррозионных гальванических элементов не происходило поляризации электродов, то процессы коррозии протекали бы с такой скоростью, что железо и ряд других металлов потеряли бы свое значение в технике.

Механизм коррозии в кислой и нейтральной средах различен. Особенности электрохимической коррозии в кислой среде были рассмотрены выше (на примере технического цинка).

Если среда нейтральная, окислителями являются не ионы водорода, а молекулы кислорода, растворенного в воде, которые на катоде превращаются в ионы ОН^-:

O₂ + 2 H₂O + 4e = 4OH^-.

Примером может служить коррозия технического железа на воздухе, когда оно покрыто влажной пленкой или же находится в растворе электролитов с незначительной концентрацией Н⁺. Таким образом, электрохимическая коррозия в нейтральной среде происходит с поглощением кислорода:

Анод: 2Fe⁰ – 4e → 2Fe²⁺ Fe²⁺ + 2OH^- → Fe(OH)₂

Катод: O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH^- 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃

в растворе

Коррозия с поглощением кислорода возможна, если потенциал кислородного электрода положительнее потенциала металла. В некоторых случаях коррозия лимитируется анодными реакциями. Обычно это наблюдается у металлов, способных к пассивации, таких как алюминий, титан, хром, никель, тантал и другие. Пассивация обычно обусловлена образованием на поверхности металла защитных пленок.

Существуют различные способы уменьшения коррозии металлов: пассивация поверхности металла, изменение потенциала, уменьшение концентрации окислителя, изоляция поверхности металла от окислителя, изменение состава металла.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Коррозия, возникающая при контакте двух различных металлов

В стеклянную трубку, согнутую под углом, налейте 0,01 н раствор серной кислоты. В одно колено трубки введите полоску цинка и наблюдайте медленное выделение водорода. В другое колено введите медную проволоку, не доводя ее до соприкосновения с цинком. Наблюдается ли выделение водорода на меди? Погрузите медную проволоку глубже, так чтобы она контактировала с цинком. Объясните выделение водорода на меди в этом случае. Составьте схему действия образовавшейся гальванической пары. Как повлиял контакт с медью на коррозию цинка?

Опыт 2. Коррозия вследствие образования микрогальванических пар.

1. В две пробирки налейте по 2 - 3 мл 2 н серной кислоты и опустите равные кусочки химически чистого цинка. При этом водород выделяется слабо.

2. В одну из пробирок прибавьте 3 - 4 капли раствора сульфата цинка меди, объясните, почему изменяется скорость выделения водорода, и какие процессы при этом происходят?

Опыт 3. Влияние природы контактирующих металлов на скорость коррозии железа.

В опыте изучается коррозия стали в паре с различными металлами. В первой части опыта железо находится в паре с никелем и медью, во второй части опыта – в паре со свинцом или кадмием. В стеклянную трубку, согнутую под углом (см. опыт 1) налейте половину объема 0,1 М раствора H₂SO₄. Металлические стержни тщательно зачистите наждачной бумагой и промойте проточной водой. В одно колено трубки поместите стальную пластинку, во второе – никелевую (или медную). С помощью милливольтметра определите напряжение элемента.

Повторите опыт с кадмиевым или свинцовым стержнем.

При оформлении результатов опыта запишите: уравнение анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение реакции. Приведите схему коррозионного элемента.

Рассчитайте потенциал катодной реакции и объясните влияние природы использованных металлов на скорость коррозии и напряжение коррозионного элемента.

Опыт 4. Активирующие действия ионов хлора

В две пробирки налейте (1/2 объема) раствор сульфата меди, подкисленный серной кислотой. В одну из пробирок добавьте хлорид натрия. Затем в обе пробирки поместите алюминиевую проволоку. Наблюдайте, в какой из пробирок интенсивнее выделится газ. Запишите уравнение анодного, катодного и суммарного процессов, приведите схему коррозионного элемента. Объясните механизм влияния ионов хлора на скорость реакции.