Электрохимическая защита.

Электрохимическая защита эффективна в коррозионных средах с хорошей ионной электрической проводимостью и основана на снижении скорости коррозии торможением анодных или катодных реакций путем поляризации (изменения потенциала) защищаемой конструкции (катода или анода) постоянным током. В зависимости от вида поляризации различают катодную и анодную защиты. В основе катодной защиты лежит катодная поляризация: смещение потенциала металла защищаемой конструкции в отрицательную сторону. Катодную поляризацию, а, следовательно, и катодную защиту осуществляют двумя способами:

1) подключением защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока. Эта разновидность катодной защиты называется защитой внешним (наложенным) потенциалом. Такой вид защиты широко применяется для защиты больших металлоемких объектов энергетического комплекса, таких как подземные и наземные магистральные трубопроводы нефти и газа, тепловые сети, крупные резервуары и т.д.

Рис.1. Схема катодной защиты подземного трубопровода: 1– трубопровод; 2 – железный анод; 3 – генератор постоянного тока; 4 – реостат.

2) присоединением к защищаемой конструкции электрода («жертвенного» анода, или протектора), изготовленного из металла, имеющего меньший электродный потенциал, чем потенциал металла защищаемой конструкции.

Рис.2. Схема протекторной защиты корпуса теплохода: 1 – стальной корпус; 2 – цинковый протектор.

Протекторная защита с “жертвенным анодом” применяется для защиты от коррозии морских судов, причалов, свайных фундаментов в грунте и т.д. Материалами вспомогательного анода могут быть графит, чугун (в виде лома), сталь (в виде старых труб и рельсов) и др. При протекторной защите «жертвенный» анод (массивный протектор) растворяется, после чего его заменяют новым. Материалами протектора чаще всего являются магний и его сплавы, реже — алюминий и цинк.

Экспериментальная часть

Задание 1

Проведение качественных химических, реакций позволяющих обнаружить ионы металла, перешедших при анодном процессе коррозии в раствор.

Приборы и реактивы: растворы, , и , набор пробирок.

Ход работы: Налить в пробирки 1-2 мл раствора солей:

а) и несколько капель ;

б) и несколько капель .

Отметить цвет выпадающих осадков. Написать соответствующие реакции в молекулярном и ионном виде.

Задание 2

Изучение механизма коррозии металла при непосредственном контакте в нейтральной среде. Опыт, проводится в U образной пробирке.

В U-образную трубку налить 5-10 мл водного раствора . В него погружаются пластины металлов, соединенные между собой при помощи зажимов. Пластины металлов должны быть тщательно зачищены наждачной шкуркой, а место контакта пластины и зажима находится вне раствора. При выполнении опыта необходимо отметить изменение окраски раствора у катода и анода.

Написать:

1) анодные и катодные процессы коррозии;

2) соответствующие реакции, при помощи которых был обнаружен ион металла в растворе;

3) схему гальванического элемента.

Опыт 1

Погружаются пластины и . В ту часть пробирки, где находится цинковый электрод, добавить несколько капель , где находится железный электрод - несколько капель фенолфталеина.

Опыт 2

Погружаются пластины и . В ту часть пробирки, где находится железный электрод, добавить несколько капель , где находится медный электрод - несколько капель фенолфталeина.

Сравнить поведение железа в том и другом случае, сделать соответствующие выводы.

Задание 3

Изучение механизма коррозии металлов при их непосредственном контакте в кислой среде.

В фарфоровую чашечку налить 10% раствор . В раствор опустить два метала и , и наблюдать за поведением металлов. У какого металла выделяются пузырьки водорода? Написать соответствующие реакции. Привести эти металлы в контакт друг с другом. На каком металле выделяются пузырьки водорода при контакте металлов? Составить схему гальванического элемента и электродные процессы на его электродах. Написать суммарное уравнение реакции.

Примеры решения задач

Пример 1

Рассмотрим коррозионный процесс при контакте железа со свинцом в растворе HCl

В растворе электролита ( ) эта система представляет гальванический элемент, во внутренней цепи которого является анодом (-0,440 В) < (-0,126 В).

Атомы железа, окисляясь, передают два электрона свинцу и переходят в раствор в виде ионов. Электроны же на свинце восстанавливают ионы водорода, находящиеся в растворе.

Анодный процесс:

Катодный процесс:

Суммарный процесс:

Пример 2

Коррозионный процесс при контакте c в растворе . Так как (-0,440 В) < (-0,126 В), анодом будет . Раствор имеет нейтральную реакцию (соль образована сильным основанием и сильной кислотой). Деполяризатор-растворенный в воде кислород

Анодный процесс: ,

Катодный процесс: O₂ + 4e + 2H₂O = 4OH¯

Суммарный процесс: 2Fe + O₂ + 2H₂O= 2

Хлористый натрий (NaCl) в коррозионных процессах не участвует, он показан в схеме только как вещество, способное увеличить электропроводность раствора электролита.

Пример 3

Почему химически чистое железо является более стойким против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа.

Решение

Процесс коррозии технического железа ускоряется ввиду образования в нем микро и субмикрогальванических элементов. В микрогальванических парах в качестве анода, как правило, служит основной металл, т.е. железо. Катодами являются включения в металл, например, зерна графита, цемента. На анодных участках ионы металла переходят в раствор (окисление).

A:

На катодных участках электроны, перешедшие сюда с анодных участков, связываются либо кислородом воздуха, растворенным в воде, либо ионами водорода. В нейтральных средах происходит, кислородная деполяризация:

В кислых средах (высокая концентрация H⁺ ионов ) вородная деполяризация

Пример 4

Назовите, катодным, или анодным является цинковое покрытие на железном изделии? Какие процессы будут протекать, если целостность покрытия нарушится и изделие будет находиться во влажном воздухе?

Решение

Электродный потенциал цинка (-0,763В) более электроотрицательный, чем электродный потенциал железа (-0,44В), поэтому покрытие является анодным. В случае нарушения целостности слоя цинка образуется коррозионная гальванопара, в которой цинк будет анодом, а железо катодом. Анодный процесс заключается в окислении цинка:

А: Zn - 2e = Zn²⁺

Катодный процесс протекает на железе. Во влажном воздухе происходит преимущественно кислородная деполяризация.

K(Fe): O₂ + 4e + 2H₂O = 4OH¯

Суммарная реакция: 2Zn + O₂ +2H₂O = 2Zn(OH)₂

Пример 5

Кадмиевая и никелевая пластины, будучи погружены в разбавленную серную кислоту, растворяются в ней с выделением водорода. Что изменится, если опустить их обе одновременно в сосуд с кислотой, соединив концы проволокой?

Решение

Если соединить концы кадмиевой( и никелевой ( ) пластин проволокой, образуется кадмий-никелевый гальванический элемент, в котором кадмий, как более активный металл, является анодом. Кадмий будет окисляться:

A: Cd – 2e = Cd²⁺,

Избыточные электроны перейдут на никелевую пластину, где будет происходить процесс восстановления ионов водорода:

K(Ni): 2 H⁺ + 2e =2H⁰ .

Таким образом, растворению подвергаются только кадмий, никель станет только проводником электронов и сам растворяться не будет. Водород будет выделяться только на никелевой пластине.

Пример 6

Как влияет pH среды на скорость коррозии алюминия и никеля?

Решение

Коррозионная стойкость никеля ( =–0.250 В) и алюминия ( ) обусловлена, несмотря на их низкое значение стандартного окислительно-восстановительного потенциала их склонностью к пассивированию – образованию на, их поверхности плотной оксидной плёнки (NiO, ) , обладающей защитным действием.

Оксид никеля при pH<7 растворяется в кислотах:

NiO + 2HCl O

Никель в этих условиях активно окисляется ионами H⁺ (подвергается коррозии). Щелочная среда при низких температурах наоборот способствует увеличению толщины защитной плёнки.

Оксид алюминия обладает амфотерными свойствами, т.е. растворяется и в кислых и в щелочных средах:

­

В нейтральной среде в отсутствии активаторов (например, ионов ) защитная плёнка ( ) предотвращает процесс коррозии.

Таким образом, наименьшая скорость коррозии никеля наблюдается в щелочной среде, алюминия в нейтральной.

4. Контрольные вопросы и задачи

1. Железная пластинка, погруженная в соляную кислоту, очень медленно выделяет водород, но если прикоснуться к ней цинковой проволокой, то она тотчас же покрывается пузырьками водорода. Объясните это явление. Какой металл переходит при этом в раствор?

2. В железном изделии имеются детали, изготовленные из никеля. Как это отразится на коррозии железа? Напишите соответствующие анодные и катодные процессы, если изделие находится во влажной атмосфере.

3. В какой среде скорость разрушения железа больше? Какая среда способствует анодному окислению цинка? Написать соответствующие реакции.

4. Как происходит атмосферная коррозия луженого железа и луженой меди при нарушении цельности покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

5. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако, если к медной пластинке прикоснуться цинковой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения катодного и анодного процессов.

6. В раствор электролита, содержащего растворенный кислород, опустили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Составьте электронные уравнения катодного и анодного процессов.

7. Что может произойти, если изделие, в котором техническое железо находится в контакте с медью, оставить и воздухе при повышенной влажности? Напишите уравнения соответствующих процессов.

8. Алюминий склепан с железом. Какой из металлов будет подвергаться коррозии? Какие процессы будут протекать, если изделие попадет в морскую воду?

9. Почему при контактировании железных изделий с алюминиевыми – железные изделия подвергаются более интенсивной коррозии, хотя алюминий имеет более отрицательный стандартный электродный потенциал?

10. Железные пластинки погружены:

а) в дистиллированную воду

б) в морскую воду

В каком случае процесс коррозии протекает интенсивнее? Ответ мотивируйте.

11. Составьте уравнения процессов, происходящих при коррозии алюминия, погруженного в раствор:

а) кислоты

б) щелочи

12. Почему технический цинк взаимодействует с кислотой более интенсивно, чем химически чистый цинк?

13. В раствор электролита опущена пластинка:

а) меди

б) меди, частично покрытой оловом

В каком случае процесс коррозии протекает интенсивнее? Ответ мотивируйте.

14. Почему при никелировании железных изделий их покрывают сначала медью, а потом никелем?

Составьте электронные уравнения реакций, происходящих в процессах коррозии при повреждении никелевого покрытия.

15. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное?

Ответ мотивируйте. Какой металл будет корродировать при повреждении защитного слоя? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов (среда нейтральная).

16. Какой из металлов:

а) олово; б) кобальт; в) магний

может быть протектором к сплаву на основе железа. Составьте электронные уравнения соответствующих процессов (среда кислая).

17. Какие процессы будут происходить на цинковой и железной пластинах, если погрузить каждую в отдельности в раствор медного купороса? Какие процессы произойдут, если наружные концы, находящиеся в растворе пластинок, соединить проводником? Составьте электронные уравнения

18. Алюминиевая пластина погружена

а) в дистиллированную воду

б) в раствор хлористого натрия

В каком случае процесс коррозии протекает интенсивнее? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии технического алюминия в нейтральной среде.

19. Если гвоздь вбить во влажное дерево, то ржавчиной покрывается та часть, которая находится внутри дерева. Чем это объяснить? Анодом или катодом является эта часть гвоздя?

20. В последнее время кобальтом стали покрывать другие металлы для защиты от коррозии. Анодным или катодным является кобальтовое покрытие стали? Какие процессы протекают во влажном воздухе при нарушении целостности покрытия?