Примеры решения типовых задач

Пример 1. Описание процесса коррозии металла и составление схемы гальванического элемента.

Задача 1. Опишите процесс коррозии железной пластинки с включениями меди, опущенной в раствор соляной кислоты. Приведите схему образующегося при этом гальванического элемента.

Решение. Исходя из положений металлов в ряду напряжений или по таблице сравнивая величины стандартных электродных потенциалов, видим, что железо является более активным металлом (= –0,44 В) и в образующейся гальванической паре железо будет анодом. Медь является катодом (=+0,337 В). Железный анод растворяется, железо окисляется, а на медном катоде выделяется водород; , следовательно, процесс протекает самопроизвольно.

Схема работающего при коррозии гальванического элемента:

(-) Fe^o /Fe²⁺ || HCl || (Cu) H₂ /2H⁺ (+)

Анодный процесс: Fe^o – 2е Fe²⁺;

Катодный процесс: 2 H⁺ + 2е H_2.

Задача 2. Хром находится в контакте с медью. Какой из металлов будет окисляться при коррозии, если пара металлов находится в кислой среде (в соляной кислоте). Приведите схему образующегося при этом гальванического элемента.

Решение. Исходя из положений металлов в ряду напряжений или по таблице сравнивая величины стандартных электродных потенциалов, видим, что хром является более активным металлом (= –0,744 В), и в образующейся гальванической паре хром будет анодом. Медь является катодом (=+0,337 В). Хромовый анод растворяется, а на медном катоде выделяется водород.

Схема работающего при коррозии гальванического элемента

(-) 2Cr^o /2Cr³⁺ || HCl || (Cu) 3H₂ /6H⁺ (+)

Анодный процесс: Cr^o – 3е Cr³⁺

Катодный процесс: 2 H⁺ + 2е H₂

Следовательно, окисляется хром.

Задача 3. Опишите коррозионное поведения латуни (сплава цинка с медью) в кислой среде.

Решение. На поверхности этого сплава присутствуют атомы меди и атомы цинка. Цинк имеет отрицательное значение потенциала = – 0,763 В), легче окисляется и служит анодом в коррозионном гальваническом элемен­те. Медь имеет положительное значение электродного потен­циала (=+0,337 В), на ее поверхности идет процесс восстановления какого-либо окислителя, содержащегося в коррозионной среде.

Коррозия латуни в кислой среде протекает по схеме:

(-) Zn^o /Zn²⁺ || H₂SO₄|| (Cu) H₂ /2H⁺ (+)

Анодный процесс: Zn – 2e Zn (окисление);

Катодный процесс: 2H+ 2e H₂ (восстановление).

В кислых средах коррозионный процесс протекает с водородной депо­ляризацией, то есть деполяризатором (окислителем), способным сни­мать электроны с катодных участков, служат ионы водорода. Суммарное уравнение процесса коррозии латуни можно представить таким образом:

Zn + H₂SO₄ ZnSO₄ + H₂ (ZnSO₄) - продукт коррозии.

Задача 4. Опишите коррозионное поведение стали (сплав железа с углеродом) во влажной атмосфере воздуха.

Решение. На поверхности этого сплава присутствуют атомы железа и атомы углерода (точнее соединение железа с углеродом Fe₃C)

Железо имеет отрицательное значение потенциала (= –0,44 В), лег­че окисляется и служит анодом в коррозионных гальванических эле­ментах. Углерод имеет положительное значение электродного потенциала, на его поверхности идет процесс восстановления какого-либо окислителя, содержащегося в коррозионной среде (во влажной атмосфере воздуха коррозионный процесс протекает с кислородной деполяризацией):

анод (-) Fe^o /Fe²⁺ || O₂ , H₂O || C (+) катод

Анодный процесс: 2Fe^o – 4е 2Fe²⁺(окисление);

Катодный процесс: O₂ +2H₂O+4e = 4OH^– (восстановление).

Суммарное уравнение: 2Fe + O₂ +2H₂O = 2Fe(OH)₂ – продукт коррозии.

Продукт коррозии Fe(OH)₂ кислородом воздуха окисляется до Fe(OH)₃:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

4 Fe(ОН)₂ + ОН^– +1e Fe(ОН)₃ (окисление);

1 O₂ +2H₂O+4e 4OH^– (восстановление).

На воздухе из пленки гидроксида железа (III) частично испаряется вода и образуется рыхлый слоистый продукт – ржавчина: mFe₂O₃ ^.nH₂О.

Пример 2. Определение катодного и анодного типа защиты металла от коррозии.

Задача. Опишите коррозионное поведение луженого и оцинкованного железа во влажной атмосфере воздуха. Какое железо (луженое или оцинкованное) более надежно защищено от коррозии.

Решение. Железо, олово и цинк имеют следующие значения стандартных электродных потенциалов: –0,44 В, –0,14 В и –0,76 В соответственно. По сравнению с железом олово является менее активным металлом и будет служить катодным покрытием, т.е. надежно защищать металл в случае отсутствия пор или повреждений. При повреждении покрытия железо, являясь анодом, будет окисляться, а на поверхности катода (олова) будет протекать процесс восстановления (кислородная деполяризация):

анод (-)Fe^o /Fe²⁺ || O₂, H₂O || Sn/Sn²⁺ (+) катод

Анодный процесс: 2Fe^o – 4е 2Fe²⁺(окисление);

Катодный процесс: O₂ +2H₂O+4e 4OH^– (восстановление).

Продукт коррозии Fe(OH)₂ кислородом воздуха окисляется до Fe(OH)₃:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

Цинк является металлом анодного покрытия, т.к. имеет меньшее (более отрицательное) значение потенциала, чем потенциал защищаемого металла; железо является в этом случае катодом и не коррозирует:

анод (-) Zn^o /Zn²⁺ || O₂, H₂O || Fe/Fe²⁺ (+) катод

Анодный процесс: 2Zn – 4e  2Zn (окисление);

Катодный процесс: O₂ +2H₂O+4e 4OH^– (восстановление).

Продукт коррозии – Zn (OH)₂ .

Таким образом, катодные покрытия могут защищать металл в отсутствии пор или повреждений, а анодные надежно защищают металл, так как сами окисляются.