808

25. Какие вещества образуются на катоде при электролизе водного раствора нитрата калия?

1)H2;

2)O2;

3)H2 и КОН;

4)H2O.

Ответы на тест:

КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ

Известно, что металлы обладают ценными свойствами. Однако они имеют крупный недостаток, т.к. подвержены коррозии. Коррозия в переводе с латинского означает разъедание, разрушение.

Коррозия металлов – это нежелательный процесс. Из-за коррозии преждевременно выходят из строя сложные конструкции, станки, транспорт, трубопроводы, различное оборудование. Поэтому предупреждение коррозии – важная задача. Для того чтобы предупредить коррозию, надо знать ее сущность и механизм протекания.

Коррозией называется процесс разрушения металлов при физикохимическом взаимодействии их с окружающей средой.

Коррозия – самопроизвольный процесс, сопровождающийся уменьшением энергии Гиббса (ΔG < 0). По механизму протекания корро-

зионного процесса различают химическую и электрохимическую кор-

розию. При химической коррозии происходит прямое взаимодействие металла с окислителем окружающей среды. Наиболее сильными окислителями являются: кислород, фтор, хлор, диоксид серы и др. Многие металлы легко взаимодействуют с сероводородом, хлористым

61

водородом. Например, в воздухе, содержащем сероводород, на серебряных изделиях образуется сульфидная пленка Ag2S.

Электрохимическая коррозия – разрушение металлов в электролитной среде под действием внутренних микроили макрогальванических пар или внешней разности потенциалов. Чистые металлы почти не подвергаются электрохимической коррозии. В состав любого технического металла, как правило, входят катодные и анодные примеси, что обусловливает возникновение микропар коррозионного элемента.

При погружении такого металла в раствор электролита, в частности в раствор кислоты, на поверхности микрокатодов будет выделяться газообразный водород. Количество выделившегося водорода является в данном случае мерой скорости коррозии и зависит от суммарного тока, возникшего в коррозионной системе. Если предположить, что токи, протекающие через микроэлементы, приблизительно равны между собой, то объем выделившегося водорода будет пропорционален количеству микропар, имеющихся на поверхности металла, т.е. его неоднородности.

Примером электрохимической коррозии может служить коррозия омедненного железа в кислой среде. Анодом является железо

(φ° = - 0,44 В), электролитом – HС1.

На аноде: Fe0 - 2e- → Fе2+.

На катоде: 2Н+ + 2e- → H20.

Суммарная реакция анодного и катодного процессов: Fе0 + 2Н+ → Fе2+ + H20.

Чем больше разность потенциалов между металлом-анодом и ме- таллом-катодом, тем сильнее идет электрохимическая коррозия. Накопление продуктов коррозии ослабляет ее. При накоплении, например, водорода на катоде потенциал катода уменьшается (поляризация катода), что снижает ЭДС микрогальванического элемента. В присутствии же кислорода происходит связывание водорода (деполяризация): 2Н2 + О2 → 2Н2О. Электрохимическая коррозия идет дальше.

В нейтральных и щелочных средах в катодных процессах важную роль играет растворенный кислород – более сильный окислитель, чем

ионы водорода:

О2 + 2Н2О - 4е- → 4ОH-.

Состав электролита влияет на скорость электрохимической коррозии: так, в кислой среде коррозия усиливается с ростом концентрации ионов водорода. Вода, содержащая кислород, опаснее в коррози-

62

онном отношении, чем вода, не содержащая его. Ускоряют коррозию ионы галогенов и различные окислители. Накопление продуктов коррозии – солей, гидроксидов – также влияет на скорость процесса. При образовании плотных оксидных пленок коррозия замедляется

(Ni, Cr, Al, Zn, Ti).

Частным случаем электрохимической коррозии является электрическая коррозия, вызываемая блуждающими токами. Она приводит к разрушению подземных металлических сооружений.

Оба типа коррозионных процессов определяются термодинамическим изменением энергии Гиббса:

ΔG = - RTlnKp = - nEF.

Процессы высокотемпературной химической коррозии определяются константой равновесия обратимых гетерогенных реакций, для их исследования используют первую часть равенства.

ΔG = - RTlnKp.

Для исследования электрохимической коррозии применяют второе выражение (ΔG = -nЕF), содержащее разность потенциалов и величину заряда, перенесенного растворяющимся веществом.

Скорость коррозии измеряется в единицах массы m потерянного металла с единицы площади S в единицу времени t:

W = m/St.

Скорость процесса коррозии выражается в следующих единицах измерений: мг/(м2 год), мг/(м2 ч). Скорость коррозии может измеряться толщиной слоя потерянного металла за единицу времени (мм/ч, мм/год и т.д.).

W = ΔL/t,

где ΔL – толщина слоя потерянного металла; t – время. Существуют разнообразные способы борьбы с коррозией: по-

крытие металлов защитными лакокрасочными и полимерными пленками, покрытие металла другим металлом, более активным (анодное покрытие), менее активным (катодное покрытие), пассивация металлов путем создания на их поверхности оксидных или других непроницаемых пленок, применение ингибиторов, электрозащита, метод протекторов.

63

Лабораторная работа № 5

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ КОРРОЗИИ

Опыт 1. Коррозия натрия на воздухе.

Возьмите пинцетом кусочек натрия и положите на фильтровальную бумагу; придерживая пинцетом, разрежьте кусочек пополам. Обратите внимание на блестящую поверхность среза. Через 20 – 30 с наблюдайте потускнение поверхности натрия на месте разреза. Объясните наблюдаемое явление и напишите уравнения реакции химической коррозии натрия при взаимодействии с кислородом воздуха.

Опыт 2. Электрохимическая коррозия оцинкованного и луженого железа.

В пробирку налейте 4 – 6 капель раствора соли железа (II) FеSO4, добавьте 1– 2 капли раствора K3 [Fe(CN6)] – красная кровяная соль – качественная реакция на ионы Fе2+, наблюдайте появление синего окрашивания вследствие образования турнбулевой сини Fe3[Fe(CN)6]2.

Налейте в чистую пробирку на 3/4 ее объема дистиллированной воды и добавьте по 4 – 5 капель 2 N серной кислоты и K3 [Fe(CN6)]. Раствор перемешайте, отлейте половину во вторую пробирку. В первую пробирку опустите железную пластинку в контакте с оловом, во вторую – железную пластинку в контакте с цинком. В какой пробирке появилась синяя окраска? Почему? Наблюдается выделение газа. Какой это газ? С поверхности какого металла поднимается газ в луженом и оцинкованном железе? Составьте схему электрохимической коррозии. В каком случае будет проходить коррозия железа при нарушении защитного слоя? В каком случае будет разрушаться защитное покрытие?

Опыт 3. Влияние образования микрогальванических элементов на коррозию металлов.

а). В две пробирки вносите по 5 – 6 капель 2 N серной кислоты и бросьте по кусочку цинка. В одну из пробирок добавьте одну каплю раствора сульфата меди. Наблюдайте более интенсивное выделение водорода в пробирке с добавлением CuSO4. Что появилось на поверхности цинка в присутствии CuSO4? Объясните различную интенсивность выделения водорода в двух пробирках, учитывая, что цинк с медью образуют микрогальванический элемент. Укажите анод и ка-

64

тод в образовавшейся гальванической паре. Напишите уравнения соответствующих реакций.

б). В пробирку внесите 5 – 6 капель 2 N серной кислоты и кусочек цинка, опустите туда же медную проволоку так, чтобы она не касалась цинка. Наблюдайте слабое выделение водорода на цинке и отсутствие его на медной проволоке. Приведите медную проволоку в соприкосновение с цинком и наблюдайте интенсивное выделение водорода. Обратите внимание, на каком из металлов выделится водород. Объясните, какова роль медной проволоки, в присутствии которой водород выделяется интенсивнее.

Опыт 4. Активаторы коррозии.

В две пробирки порознь налейте по 7– 8 капель сульфата и хлорида меди (одной концентрации) и внесите в пробирки одинаковые кусочки алюминия. Сравните скорость выделения меди на кусочках алюминия в обеих пробирках. В пробирку с раствором CuSO4 добавьте кристаллик NаС1. Объясните, какой ион ускоряет коррозию алюминия. Напишите уравнения реакций.

Опыт 5. Применение ингибиторов.

В две пробирки внесите по 6 – 8 капель 2 N серной кислоты и по кусочку цинка одинакового размера. Когда водород начнет выделяться равномерно, прибавьте в одну из пробирок немного уротропина. Как изменилась интенсивность выделения водорода? Почему?

Вопросы для самоконтроля

1. Хром находится в контакте с медью. Какой из металлов будет окисляться при коррозии, если эта пара металлов попадает в кислую среду (HCl)? Дайте схему образующегося при этом гальванического элемента.

2. При нарушении целостности поверхностного слоя медного покрытия на алюминии будет коррозия вследствие работы гальванопары (дайте схему образующейся при этом гальванопары). За 45 с работы этой гальванопары на катоде выделилось 0,09 л водорода, измеренного при н.у. Сколько граммов алюминия растворилось за это время и какую силу тока дает эта гальванопара?

65

3. Исходя из величины ∆Go298 определите, какие из приведенных ниже металлов будут корродировать во влажном воздухе по уравнению

Me + H2О + О2 → Ме(ОН)2 (металлы: Mg, Cu, Аu).

4. Какие металлы (Fr, Ag, Ca) будут разрушаться в атмосфере влажного воздуха, насыщенного диоксидом углерода? Ответ дайте на основании вычисления ΔG298 соответствующих процессов.

5. Железо покрыто никелем. Какой из металлов будет корродировать в случае разрушения поверхности покрытия? Коррозия происходит в кислой среде. Составьте схему гальванического элемента, образующегося при этом.

6. Олово спаяно с серебром. Какой из металлов будет окисляться при коррозии, если эта пара металлов попадет в щелочную среду? Ответ дайте на основании вычисления ЭДС и ΔG298 образующегося гальванического элемента.

7. Железо покрыто хромом. Какой из металлов будет корродировать в случае нарушения поверхностного слоя покрытия в атмосфере промышленного района (влажный воздух содержит СО2, H2S, SO2 и др.)? Составьте схему процессов, происходящих на электродах образующегося гальванического элемента.

8. Алюминий склепан с медью. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если эти металлы попадут в кислую среду? Составьте схему гальванического элемента, образующегося при этом. Подсчитайте ЭДС и ΔG298 этого элемента для стандартных условий.

9. В раствор соляной кислоты поместили чистую цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив элементарные уравнения соответствующих процессов.

10. Почему химически чистое железо является более стойким против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в сильнокислой среде.

11. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако если к медной пластинке, опущенной в кислоту, прикоснуться цинковой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнение протекающей химической реакции.

66

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

13. Если гвоздь вбить во влажное дерево, то ржавчиной покрывается та его часть, которая находится внутри дерева. Чем это можно объяснить? Анодом или катодом является эта часть гвоздя? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов.

14. Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

15. Цинковую и железную пластинки опустили в раствор сульфата меди. Составьте электронные и ионные уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут происходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводником?

Тест для подготовки к экзамену

1.Как протекает восстановление на катоде при атмосферной коррозии?

1)2H2O + O2 + 4е- → 4OH-;

2)2H2O + 4е- → O2 + 4H+;

3)O2 + H2 - 4е- → H2O;

4)2H2O - 2е → H2 + 2OH-.

2.Как образуется ржавчина при атмосферной коррозии?

1)4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3;

2)Fe+2 + 2OH- → Fe(OH)2;

3)Fe(OH)3 + O2 + H2O - 2е- → Fe(OH)2;

4)Fe+3 + 3OH- → Fe(OH)3.

3. Анодное или катодное покрытие оловом в луженом железе?

1)анодное;

2)катодное;

3)металлическое;

4)анодное и катодное.

67

4. Как протекает восстановление на катоде при коррозии в электролитах?

1)2H0 - 2е- → 2H+;

2)2H0 + 2е- → 2H+;

3)2H+ + 2е- → 2H0;

4)2H+ - 2е- → 2H0.

5. Железное изделие с медными заклепками поместили в раствор соляной кислоты. Какой металл подвергается коррозии?

1)медь;

2)железо;

3)оба металла;

4)ни один из металлов.

6. В чем суть коррозии металла?

1)в окислении;

2)в восстановлении;

3)в гидратации;

4)в окислении и восстановлении.

7.Алитированное железо поместили в раствор серной кислоты. Какой металл подвергается коррозии?

1)железо;

2)алюминий;

3)оба металла;

4)ни один из металлов.

8. Какой металл подвергается коррозии в атмосфере влажного газа при нарушении оловянного покрытия в луженом железе?

1)олово;

2)железо;

3)оба металла;

4)ни один из металлов.

9. Железо корродирует в атмосфере влажного газа до образования ржавчины. Какая формула ржавчины?

1)Fe(OH)2;

2)Fe(OH)3;

3)FeCl3;

68

4) Cu(OH)2.

10. Какие вещества образуются при коррозии никеля в растворе серной кислоты?

1)Ni(OH)2;

2)Ni Cl2;

3)NiSO4;

4)NiO.

11. Как протекает коррозия железа в контакте с медью в растворе соляной кислоты?

1)Fe0 - 2е- → Fe+2;

2)Fe+2 + 2е- → Fe0;

3)Fe0 + 2е- → Fe+2;

4)Fe+2 - 2е- → Fe0.

12. Какие вещества образуются при коррозии алюминия в растворе соляной кислоты?

1)AlCl3;

2)Al(OH)3;

3)Al2(SO4)3;

4)Al(NO3)3.

13. Стандартные электродные потенциалы цинка, меди и никеля равны соответственно - 0,76 В; + 0,34 В; - 0,23 В. В какой паре контактирующих металлов интенсивнее коррозия?

1)Zn | Cu;

2)Zn | Ni;

3)в трех парах;

4)Ni | Cu.

14. Какие вещества образуются при коррозии железа в атмосфере влажного газа?

1)FeO;

2)Fe(OH)2;

3)Fe(OH)3;

4)Fe2O3.

69

15. Какие вещества образуются при коррозии железа в растворе соляной кислоты?

1)FeCl2;

2)Fe(OH)2;

3)Fe(OH)3;

4)FeCl3.

16. Как записывается процесс коррозии на катоде в растворе кислоты?

1)2H0 - 2е- → 2H+;

2)2H+ + 2е- → 2H0;

3)2H+ - 2е- → 2H0;

4)2H2O + O2 + 4е- → 4OH-.

17.Как записывается процесс коррозии на катоде в атмосфере влаж-

ного газа?

1)2H2O + O2 + 4е- → 4OH-;

2)2H2O + O2 - 4е-→ 4OH-;

3)4 OH- - 4е- → 2H2O + O2;

4)4 OH- + 4е- → 2H2O + O2.

18. Написать продукты коррозии магния в атмосфере влажного газа.

1)MgO;

2)Mg(OH)2;

3)MgCl2;

4)Mg.

19. Стандартные электродные потенциалы алюминия и никеля равны соответственно - 1,66 В; - 0,23 В. Какой металл подвергается коррозии при контакте алюминия с никелем в растворе кислоты?

1)никель;

2)алюминий;

3)оба металла;

4)ни один из металлов.

20. Стандартные электродные потенциалы алюминия, железа, олова и меди равны соответственно - 1,66 В; - 0,44 В; - 0,14 В; + 0,34 В. Алюминий контактирует с железом, оловом и медью. В какой паре интенсивнее коррозия?

1) алюминий с железом;

70