2 Электрохимическая коррозия

2.L Возникновение электродного потенциала

Электрохимическая коррозия металлов представляет собой самопроиз- вольное разрушение металла вследствие электрохимического взаимодейст- вия его с электролитом. Это гетерогенная реакция, протекающая на поверх- ности металла. Причиной электрохимической коррозии является термодина- мическая неустойчивость металла в данных коррозионных условиях.

Для понимания механизма электрохимической коррозии необходимо установить, какие процессы наблюдаются на границе металл – раствор. На границе двух соприкасающихся фаз при определенных условиях может воз- никнуть разность потенциалов или, как принято говорить, скачок потенциа- ла, например электродный потенциал – на границе металл – раствор; кон- тактный потенциал – на границе двух различных металлов; контактный по- тенциал второго рода – на границе металл – газ; диффузионный потенциал – на границе двух растворов, имеющих различную концентрацию растворен- ного вещества, и др.

Скачок потенциала между двумя фазами определяется переходом заря- женных частиц из одной фазы в другую или избирательной адсорбцией за- ряженных или полярных частиц одной фазы на поверхности другой с обра- зованием двойного электрического слоя.

Рассмотрим механизм возникновения электродного потенциала. Элек- тродом называется металл, погруженный в раствор электролита. Что же про- исходит на поверхности металла при погружении его в раствор собственных ионов?

В металле и растворе имеются одинаковые ионы – ионы металла. В ме- талле эти ионы находятся в узлах кристаллической решетки и удерживаются в ней благодаря энергии связи ионов решетки. Чтобы вывести ион из кри- сталлической решетки, необходимо затратить работу, равную энергии связи ионов, которую также можно назвать работой выхода иона из металла.

В растворе ионы металла окружены полярными молекулами воды, т. е. находятся в гидратированном состоянии. Чтобы вывести ион металла из рас- твора необходимо совершить работу, равную энергии гидратации, т. е. энер- гии связи иона металла с молекулами воды.

Рис.2.1Схемаизмененияэнергииприиспарениикатионаметаллаввакуум и при переходевраствор: а – момент погружения металлав

растворегосоли; б – момент установленияравновесия

Установление электродного потенциала на металле зависит от соотно- шения энергии кристаллической решетки и энергии гидратации ионов. На- ходящиеся на поверхности металла катионы имеют запас потенциальной энергии, отвечающей значению энергии в точке 1 (нижняя) на рис. 2.1. От- рыв катиона от поверхности металла с переходом в вакуум требует значи- тельной энергии (пунктирная кривая 1-1), соответствующей энергии испаре- нияQ_исп. Полярные молекулы воды (или другого растворителя), ориентиру- ясь вокруг поверхностных катионов металла, облегчают переход катионов в раствор с освобождением энергии гидратации, так как уровень энергии гид- ратированного иона ниже, чем катиона в вакууме, на величинуQ_гидр. По- тенциальная энергия катионов, находящихся в растворе, в пределах двойного электрического слоя отвечает точке 2.

Для перехода в раствор поверхностный катион металла должен преодо- леть лишь энергетический барьерQ_а. Разность уровней потенциальных энер- гий в точках 1 и 2, равная А, соответствует работе процесса перехода ионов металла в раствор. Для перехода из раствора в металл гидратированный ка- тион должен преодолеть энергетический барьерQ_к.

Согласно теории А.Н. Фрумкина, при взаимодействии металла и рас- твора протекают два сопряженных процесса:

1. Переход ионов из металла в раствор с образованием гидратированных ионов (анодныйпроцесс):

Me +mН₂O = Меⁿ⁺·mН₂O +ne.

Скорость этого процесса, измеренная числом ионов, переходящих из одной фазы в другую через единицу поверхности в единицу времени, может быть выражена через плотность токаi.

2. Переход ионов из раствора с выделением их на поверхности металла в виде нейтральных атомов, входящих в состав кристаллической решетки металла (катодныйпроцесс):

Меⁿ⁺·mН₂O +ne= Ме +mН₂O.

Скорость катодного процесса выражается через соответствующую плотность токаi. Какой из этих процессов преобладает, определяется уров- нем потенциальной энергии катионов в узлах кристаллической решетки ме- таллаU_Меи в раствореU_р.

ЕслиU_Ме>U_р, то преобладает анодный процесс, суммарная скорость которогоi_а=i–i. Раствор получает избыточный положительный заряд в виде катионов металла, а поверхность металла приобретает избыточный от- рицательный заряд оставшихся электронов. Переход части катионов в рас- твор сопровождается снижением средней потенциальной энергии поверхно- стных катионов (точка 1 перемещается вниз до точки 1), появлением на ме- таллической поверхности избыточных отрицательных зарядов и повыше- нием энергетического барьераQ_а. Повышение концентрации ионов у по- верхности металла сопровождается ростом потенциальной энергии (точка 2 перемещается вверх до точки 2), приобретением раствором избыточного по- ложительного заряда и снижением энергетического барьераQ_к. По мере уве- личения концентрации катионов у поверхности, с ростом величины заряда раствора и металла, затрудняется протекание прямого процесса и облегчает- ся протекание обратного процесса, т. е. переход ионов металла из раствора в кристаллическуюрешетку.

Когда энергетические уровни ионов на поверхности металла и в раство- ре становятся одинаковыми, т. е.U_Ме=U_р, устанавливается динамическое равновесие. Равновесие характеризуется тем, чтоQ_к=Q_а=Q_ои скорости анодного и катодного процессов также равны:i=i=i_о, гдеi_о— плотность тока обмена.

Рис. 2.2 Двойной электрический слой системы: а – Zn/ZnSO₄; б – Cu/CuSO₄

Вследствие электростатического притяжения катионов и избыточных электронов на поверхности металла ионы металла не могут удалиться вглубь раствора, а находятся у поверхности. Образуется двойной электрический слой (рис.2.2,а). Разность электрических потенциалов, возникающая на гра- нице металл — раствор, вследствие избыточных зарядов, называется элек- тродным потенциалом.

ЕслиU_Ме<U_р, то потенциальная энергия катиона в металле меньше по- тенциальной энергии гидратированного иона. Тогда в начальный момент происходит не растворение, а осаждение металла из раствора, суммарная скорость которогоi_к=i–i. При этом поверхность металла приобретает из- быточный положительный заряд катионов, a оставшийся в приэлектродном пространстве избыток анионов сообщает ему отрицательный заряд. Положи- тельный заряд поверхности металла затрудняет дальнейшее осаждение ка- тионов и облегчает обратный процесс — переход ионов металла из решетки в раствор. В результате в системе устанавливается динамическое равновесие и возникает двойной электрический слой с противоположным распределени- ем зарядов, т. е. поверхность металла заряжается положительно, а в растворе у поверхности металла образуется избыток анионов(рис.2.2,б).

Таким образом, независимо от энергетических соотношений, наступает динамическое равновесие между металлом и раствором его соли, которое характеризуется определенным по величине и знаку равновесным потенциа- лом.