Учебное пособие 800215

71

На более активных участках поверхности металла (анодах) происходит окисление металла: Ме0 – n е → Меn+, на менее активных участках поверхности металла (катодах) происходит восстановление окислителя. Наиболее часто при электрохимической коррозии на катоде происходит восстановление ионов водорода или кислорода, растворенного в воде.

Пример 6.7. Рассмотрим коррозию железа с примесью никеля в воде, содержащей углекислый газ (СО2).

Углекислый газ взаимодействует с водой и образует слабую угольную кислоту:

СО2 + Н2О Н2СО3, которая диссоциирует по уравнению:

Н2СО3 Н+ + НСО3 .

Таким образом, раствор, в котором находится образец, будет проводить электрический ток, и окислителем в нем являются ионы Н+. Запишем схему коррозионного элемента:

На поверхности железа (анода) происходит процесс окисления. Уравнение анодного процесса: (Fe0) : Fe0 − 2 е → Fe2+.

Железо в виде ионов Fe2+ переходит в раствор, а электроны перетекают на никель. Поверхность никеля заряжается отрицательно, к ней из раствора подходят катионы водорода, принимают электроны и восстанавливаются.

Уравнение катодного процесса: (Ni): 2Н+ + 2е → Н2.

Пример 6.8. Рассмотрим коррозию такого же образца (железо с примесью никеля), находящегося во влажной атмосфере, то есть в воде с растворенным в ней кислородом.

Коррозионный элемент в данном примере можно записать следующим образом:

Fe │ О2, Н2О │ Ni .

анод катод

72

Уравнения электродных процессов:

анодный (Fe): Fe0 − 2 е → Fe2+ − окисление;

катодный (Ni): О2 + 2Н2О + 4е → 4ОН − восстановление.

Упражнение 6.7. Рассмотрите коррозию железа с примесью цинка в атмосфере влажного воздуха.

На скорость коррозии влияют как внутренние факторы (неоднородность металла по химическому и фазовому составам, дефекты кристаллической решетки, наличие примесей и др.), так и внешние (реакция среды, наличие ионов– активаторов коррозии, агрессивных газов и др.).

Домашние задания

Задание 6.3. Железо или медь будет корродировать с бó льшей скоростью в атмосфере кислорода при высокой температуре? Напишите уравнения реакций в молекулярном виде, уравнения окисления и восстановления. Ответ объясните.

Задание 6.4. Напишите уравнения электродных процессов, которые происходят при коррозии никеля с примесью кобальта. Образец находится в растворе соляной кислоты.

Защита металлов от коррозии

Многочисленные методы защиты металлов от коррозии в зависимости от механизма их действия условно делятся на следующие группы:

а) легирование металлов; б) защитные покрытия; в) электрохимическая защита; г) изменение свойств окружающей среды.

Легирование металлов – это введение в состав металла или сплава компонентов, которые придают им определенные физико-химические и механические свойства. Например, для повышения коррозионной стойкости сталей применяют хром (Cr), вольфрам (W), никель (Ni), молибден (Mo), кремний (Si) и др. Легирование – метод эффективный, но дорогой. Широко используется для защиты от газовой коррозии.

Защитные покрытия. Суть действия любого покрытия заключается в изоляции поверхности металла от агрессивной окружающей среды. Покрытия делятся на органические и неорганические (неметаллические и металлические). Металлические покрытия делятся на анодные и катодные. В основу этого деления положено то, какую функцию выполняет металл покрытия при его разрушении и коррозии.

Катодные покрытия – это покрытие защищаемого металла менее активным металлом (электродный потенциал металла покрытия больше электродного потенциала защищаемого металла). В качестве катодного покрытия для железа (стали) используют покрытия из олова, меди, серебра.

Пример 6.9. Рассмотрите коррозию образца из железа, покрытого оловом (луженое железо). Образец находится в растворе соляной кислоты.

73

Решение. При нарушении покрытия в кислом растворе электролита возникает коррозионный элемент: Fe | H+ | Sn, в котором анодом является железо

Схема коррозии железа в кислой среде при нарушении покрытия представлена на рис. 17.

Уравнения электродных процессов:

Рис. 17. Схема коррозии железа в кислой среде при нарушении катодного покрытия

При нарушении катодного покрытия корродирует защищаемый металл. Таким образом, катодное покрытие будет защищать металл от коррозии только при отсутствии повреждений.

Упражнение 6.8. Железо, покрытое никелем, находится в атмосфере влажного воздуха. Какой из двух металлов будет корродировать при нарушении покрытия? Составьте схему коррозионного элемента и уравнения электродных процессов.

Анодное покрытие – это покрытие защищаемого металла более активным металлом (электродный потенциал металла покрытия меньше электродного потенциала защищаемого металла). Примером анодного покрытия для железа (стали) являются покрытия из цинка (Zn) и хрома (Cr).

Пример 6.10. Рассмотрите коррозию образца из железа, покрытого цинком (оцинкованное железо), который находится во влажном воздухе.

Решение. При нарушении покрытия возникает коррозионный элемент:

Zn | Н2О, О2 | Fe,

где анодом является металл покрытия цинк (Zn), как более активный металл, катодом – защищаемый металл железо (Fe).

Схема коррозии оцинкованного железа во влажном воздухе при нарушении покрытия представлена на рис. 18.

Уравнения электродных процессов:

анод (Zn): Zn0 – 2e → Zn2+ (процесс окисления);

катод (Fe): 2Н2O + О2 + 4е → 4ОН (процесс восстановления).

74

Рис. 18. Схема коррозии железа во влажном воздухе

при нарушении анодного покрытия

Таким образом, при нарушении анодного покрытия корродирует металл покрытия, защищаемый металл не разрушается. Анодное покрытие защищает металл от коррозии как при отсутствии повреждений, так и при их наличии.

Упражнение 6.9. Железо, покрытое хромом, находится в кислой среде. Какой из двух металлов будет корродировать при нарушении покрытия? Составьте схему коррозионного элемента и напишите уравнения электродных процессов.

Электрохимические методы защиты. Эти методы основаны на торможении скорости анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Применяются только в средах, которые хорошо проводят электрический ток. Примером электрохимических методов защиты является катодная и протекторная защита.

Катодная защита: защищаемую деталь присоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного электрического тока, делая её катодом. На некотором расстоянии располагают вспомогательный электрод, который подключают к положительному полюсу источника тока, делая его анодом.

Протекторная защита: защищаемую деталь также делают катодом, но достигается это тем, что её соединяют с металлом-протектором, потенциал которого более отрицателен. Протектор, являясь анодом, разрушается, на защищаемой конструкции происходит процесс восстановления окислителя окружающей среды.

Пример 6.11. Можно ли защитить конструкцию из железа от коррозии в морской воде, если к нему приварить магниевую пластину?

Решение. Морская вода хорошо проводит электрический ток, окислителем будет растворенный в воде кислород. В данном случае возникает коррозионный элемент:

Mg │H2О, О2│Fe.

тодом (рис. 19). Уравнения электродных процессов: Анод (Mg – протектор): Mg0 – 2e → Mg2+, окисление.

Катод (Fe – защищаемая конструкция): 2H2O + O2 – 4e → 4OH , восстановление.

75

Внешняя среда: Н2О, О2

Рис. 19. Схема протекторной защиты железа

Конструкцию из железа можно защитить, если использовать в качестве протектора магний. Железо в этой паре будет катодом, и на нем будет восстанавливаться растворенный в воде окислитель.

Упражнение 6.10. Можно ли использовать в качестве протектора цинк для защиты стальных конструкций, находящихся во влажной почве, имеющей кислую реакцию среды?

Запишите величины стандартных электродных потенциалов цинка и железа. Составьте схемы коррозионного элемента и протекторной защиты, напишите уравнения электродных процессов.

Изменение свойств окружающей среды. Суть метода состоит в уменьше-

нии концентрации окислителя в окружающей среде, что приводит к снижению скорости коррозии. Достичь этого можно различными способами: а) кипячением воды (при повышении температуры растворимость кислорода уменьшается и, следовательно, уменьшается его концентрация в воде); б) продуванием инертного газа через раствор, в результате чего понижается концентрация кислорода в воде; в) применением восстановителей; д) уменьшением кислотности растворов; г) использованием ингибиторов.

Домашние задания

Задание 6.5. Можно ли использовать магний в качестве протектора для защиты алюминиевых конструкций от коррозии в морской воде. Ответ поясните.

Задание 6.6. Изделие из железа покрыто медью. Какой из металлов будет разрушаться при нарушении целостности покрытия? Напишите уравнения происходящих электродных процессов, если изделие находится в растворе кислоты.

6.4. ЭЛЕКТРОЛИЗ Прочитайте и запомните слова и словосочетания, приведённые в табл. 6.4.

76

Электролизом называют совокупность процессов, происходящих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита. Электролиз проводится в электролизёре (рис. 20).

Электрод, который подключён к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного электрического тока, называется катодом. К катоду перемещаются положительно заряженные ионы (катионы) и на нём идёт процесс восстановления. Электрод, который подключён к положительному полюсу внешнего источника постоянного электрического тока, называется анодом. К аноду перемещаются отрицательно заряженные ионы (анионы) и на нём идёт процесс окисления.

77

Внешний источник тока

Раствор или расплав электролита

Катион (+) Анион (−)

Рис. 20. Схема установки для проведения электролиза

Катодные процессы

Если в расплаве или растворе присутствуют несколько катионов, то пер-

вым на катоде будет восстанавливаться наиболее сильный окислитель, т.е.

тот катион, потенциал которого будет наиболее положительным (т.е. менее отрицательным). При электролизе водных растворов, необходимо учитывать, что молекулы воды также могут участвовать в процессе электрохимического восстановления и окисления. В зависимости от величины электродного потенциала все окислители можно разделить на три группы:

I – ионы металлов, потенциал которых существенно более отрицателен потенциала водородного электрода;

II – окислители, потенциал которых мало отличается от потенциала водородного электрода;

III – ионы, потенциал которых положительнее потенциала водородного электрода.

Процессы, протекающие на катоде при электролизе водных растворов электролитов, различны (табл. 6.5).

Пример 6.12. Укажите последовательность анодных процессов, протекающих при электролизе водного раствора, содержащего ионы S2 , SO42 . Ответ объясните.

Решение. В растворе присутствуют анионы S2– , SO42– и молекулы H2O. На аноде первым будет окисляться наиболее сильный восстановитель − S2– , затем окисляется H2О, а ион SO42– , как и другие кислородсодержащие анионы, из водных растворов электролитов не окисляются (табл. 6.6).

Пример 6.13. Составьте уравнения реакций, протекающих на электродах, при электролизе водного раствора хлорида натрия в случае: 1) инертного анода и 2) анода из меди.

Решение. 1) анод инертный:

Хлорид натрия диссоциирует на ионы: NaCl → Na+ + Cl− , в растворе также присутствуют молекулы воды. Инертный анод не окисляется, является только переносчиком электронов. На основании данных табл. 6.5 и табл. 6.6 процессы на электродах в данном случае представлены в табл. 6.7.

Таблица 6.7

Процессы на электродах при электролизе водного раствора хлорида натрия с нерастворимым анодом

2) анод активный (медный анод):

Анод из меди – активный анод, он может окисляться при электролизе, поэтому процесс на аноде будет заключаться в окислении меди (табл. 6.8).

Таблица 6.8

Процессы на электродах при электролизе водного раствора хлорида натрия с растворимым анодом

Упражнение 6.12. Составьте уравнения электродных процессов, протекающих на электродах при электролизе водного раствора хлорида олова SnCI2 в случае инертного анода и анода из олова.

80