2550

служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором происходит восстановление коррозионной среды, сопровождающееся выделением водорода или поглощением кислорода. Таким образом, катодные покрытия могут защищать металл в отсутствии пор или повреждений.

К электрохимическим методам защиты относятся протекторная, катодная и анодная защита. Протектор – это кусок металла, имеющего более отрицательное значение стандартного электродного потенциала, по сравнению с металлом защищаемого изделия, соединенный с защищаемым изделием. При воздействии агрессивной (коррозионной) среды в первую очередь разрушается протектор.

Для подавления процесса коррозии при катодной или анодной защите изделие подключают к источнику внешнего тока так, чтобы оно стало катодом (процесс коррозии подавляется).

Для изменения свойств агрессивной среды ее обрабатывают. Для этого используют удаление окислителей из среды (деаэрация) или введение ингибиторов.

Примеры решениятиповых задач

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

Решение. Исходя из положений металлов в ряду напряжений или сравнивая величины стандартных электродных потенциалов

φ0(Fe/Fe2+ ) = –0,44 В; φ0(Cu/Cu2+ ) = +0,337 В, определяем, что железо является более активным металлом и в образующейся гальванической паре железо будет анодом, медь является катодом. Железный анод растворяется, железо окисляется, а на медном катоде выделяется водород.

Схема работающего при коррозии гальванического элемента:

(–) Feo |Fe2+ || HCl || 2H+ | H2 (Cu) (+),

или в сокращенной форме

141

(–) Fe|| HCl || Cu (+).

Анодный процесс: Feo – 2ē → Fe2+; Катодный процесс: 2 H+ + 2ē → H2.

Образование продукта коррозии

Fe2+ + 2Cl- → FeCl2.

Пример 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 φ0(Cr/Cr3+) = –0,744 В; φ0(Cu/Cu2+) = +0,337 В,

определяем, что хром является более активным металлом и в образующейся гальванической паре хром будет анодом, медь – катодом. Хромовый анод растворяется, а на медном катоде выделяется водород.

Схема работающего при коррозии гальванического элемента

(–) 2Cr0 | 2Cr3+ || HCl || 6H+ |3H2 (Cu) (+).

в сокращенном виде

Следовательно, окисляется хром.

Пример 3. Опишите коррозионное поведение латуни (сплава цинка с медью) в кислой среде.

Решение. На поверхности этого сплава присутствуют атомы меди и атомы цинка. Цинк имеет отрицательное значение потенциала

142

(φ0(Zn/Zn2+) = –0,763 В), легче окисляется и служит анодом в коррозионном гальваническом элементе. Медь имеет положительное значение электродного потенциала (φ0(Cu/Cu2+) = +0,337 В), на ее поверхности идет процесс восстановления какого-либо окислителя, содержащегося в коррозионной среде.

Коррозия латуни в кислой среде протекает по схеме:

(-) Zno |Zn2+ || H2SO4|| 2H+ | H2 (Cu) (+).

В сокращенном виде

(-) Zno || H2SO4|| Cu (+).

Анодный процесс: Zn0 – 2e → Zn2 (окисление).

Катодный процесс: 2H + 2e → H20 (восстановление).

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

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 .

Пример 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 (φ0(Fe/Fe2+) = –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 (-) Fe0 | Fe2+ || О2, H2O || C (+) катод

143

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

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

Пример 5. 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 (–) Fe0 || O2,H2O || Sn (+) катод

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 электродного потенциала, чем

144

значение потенциала защищаемого металла; железо является в этом случае катодом и не корродирует:

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

Задачи для самостоятельного решения

11-1. Как происходит атмосферная коррозия алитированного и омедненного железа при нарушении цельности покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

11-2. Как протекает атмосферная коррозия хрома, покрытого слоем олова, если покрытие нарушено? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

11-3. Как происходит атмосферная коррозия луженого железа и луженой меди при нарушении цельности покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

11-4. Если пластинку из чистого цинка опустить в разбавленную кислоту, то начинающееся выделение водорода вскоре почти прекращается. Однако при прикосновении к цинку медной палочкой на последней начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнение протекающей химической реакции.

11-5. В чем заключается сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты никеля в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

11-6. Если на стальной предмет нанести каплю воды, то коррозии подвергается средняя, а не внешняя часть смоченного

145

металла. После высыхания капли в ее центре появляется пятно ржавчины. Чем это можно объяснить? Какой участок металла, находящийся под каплей воды, является анодным и какой катодным? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов.

11-7. 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.

11-8. В раствор соляной кислоты поместили алюминиевую пластинку и алюминиевую пластинку, частично покрытую хромом. В каком случае процесс коррозии алюминия происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.

11-9. 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.

11-10. Какое покрытие металла называется анодным и какое катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытия железа. Составьте электронные уравнения анодного и катодном процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью во влажном воздухе и в сильнокислой среде.

11-11. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении цельности покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

11-12. Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении цельности покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

146

11-13. Две железные пластинки, частично покрытые одна оловом, другая медью, находятся во влажном воздухе. На какой из этих пластинок быстрее образуется ржавчина? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этих пластинок. Каков состав продуктов коррозии железа?

11-14. В обычных условиях во влажном воздухе оцинкованное железо при нарушении цельности покрытия не ржавеет, тогда как при температуре выше 70 °С оно покрывается ржавчиной. Чем это можно объяснить? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии оцинкованного железа в первом и во втором случаях.

11-15. Если пластинку из чистого железа опустить в соляную кислоту, то выделение на ней водорода идет медленно и со временем почти прекращается. Однако если цинковой палочкой прикоснуться к железной пластинке, то на последней начинается бурное выделение водорода. Почему? Какой металл при этом растворяется? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

11-16. Цинковую и железную пластинки опустили в раствор сульфата меди. Составьте электронные и ионные уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут проходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводником?

11-17. Как влияет рН среды на скорость атмосферной коррозии железа и цинка? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов атмосферной коррозии этих металлов.

11-18. 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 анодного и катодного процессов.

11-19. Железные бочки применяют для транспортировки концентрированной серной кислоты, но после освобождения от кислоты бочки часто совершенно разрушаются вследствие коррозии. Чем это можно объяснить? Что является анодом и что катодом? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов.

11-20. Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если цельность слоя нарушена? Составьте

147

электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

11-21. Какое покрытие металла называют анодным, катодным? Приведите примеры анодного и катодного покрытий железа. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих в случае нарушения анодного, катодного покрытий.

11-22. В раствор электролита погружены железная пластинка и железная пластинка, скрепленная с цинковой. В каком случае процесс коррозии железа протекает интенсивнее? Составьте электронные уравнения происходящих процессов.

11-23. Железное изделие покрыли никелем. Какое 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.

11-24. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии гальванической пары «магний – никель». Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

11-25. В чем сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Какой металл целесообразней выбрать для протекторной защиты от коррозии свинцовой оболочки кабеля: цинк, магний или хром? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов при атмосферной коррозии. Каков состав продуктов коррозии?

11-26. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии гальванической пары «алюминий – железо». Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

11-27. Две железные пластинки, частично покрытые (одна серебром, другая оловом), находятся во влажном воздухе. На какой из этих пластинок быстрей образуется ржавчина? Ответ мотивируйте.

11-28. Железное изделие при никелировании в некоторых случаях покрывают сначала медью, а потом никелем. Какие процессы происходят в случае повреждения никелевого покрытия на изделии, находящемся в кислой среде (серная кислота)?

11-29. В каком случае скорость коррозии цинка больше: при контакте со свинцом или с никелем? Составьте электронные уравнения коррозии цинка в кислой среде.

148

11-30. Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если покрытие нарушено? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

Тестовые задания

Т11-1. При коррозии, связанной с нарушением цинкового покрытия на железном изделии во влажном воздухе, на аноде будет протекать

реакция, уравнение которой имеет вид а) Zn0 – 2ē = Zn2+;

б) Fe2+ + 2ē = Fe0;

в) 4OH– – 4ē = 2H2O + O2; г) Fe0 – 2ē = Fe2+ .

Т11-2. Роль катодного покрытия на железном изделии может выполнять металл

а) Al;

б) Sn;

в) Zn;

г) Mg.

Т11-3. Железное изделие при нарушении целостности покрытия во влажной атмосфере будет разрушаться быстрее, если металлом покрытия является

а) олово; б) цинк; в) магний;

г) алюминий.

Т11-4. Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие – катодное или анодное и будет ли свинец корродировать первым при разрушении слоя покрытия?

а) катодное покрытие – свинец будет корродировать первым; б) катодное покрытие – сначала будет корродировать железо; в) анодное покрытие – сначала будет корродировать железо; г) анодное покрытие – свинец будет корродировать первым.

Т11-5. Никелевое изделие покрыли медью. Какое это покрытие – катодное или анодное и будет ли медь корродировать первой при разрушении слоя покрытия?

а) анодное покрытие – сначала будет корродировать никель; б) катодное покрытие – медь будет корродировать первой;

149

в) анодное покрытие – медь будет корродировать первой; г) катодное покрытие – сначала будет корродировать никель.

Т11-6. Железное изделие покрыли цинком. Какое это покрытие – катодное или анодное и будет ли цинк корродировать первым при разрушении слоя покрытия?

а) анодное покрытие – цинк будет корродировать первым; б) катодное покрытие – цинк будет корродировать первым; в) анодное покрытие – сначала будет корродировать железо; г) катодное покрытие – сначала будет корродировать железо.

Т11-7. Какой цинк корродирует быстрее, находящийся в контакте с кобальтом или со свинцом?

а) одинаково в обоих случаях; б) в контакте со свинцом; в) в контакте с кобальтом.

Т11-8. Какая реакция отвечает процессу восстановления на катоде

при атмосферной коррозии?

а) 2H2O + O2 + 4ē→ 4OH-;

б) 2H2O + 4ē → O2 + 4H+;

в) O2 + H2 – 4ē → H2O;

г) 2H2O – 2ē → H2 + 2OH-.

Т11-9. Какая реакция отвечает процессу восстановления на катоде

при коррозии в среде кислого электролита?

а) 2H0 – 2ē → 2H+; б) 2H0 + 2ē → 2H+; в) 2H+ + 2ē → 2H0; г) 2H+ – 2ē → 2H0.

Т11-10. Железное изделие с медными заклепками поместили в раствор соляной кислоты. Какой металл подвергается коррозии?

а) медь; б) железо;

в) оба металла; г) металлы не корродируют.