3. Коррозия и защита металлических конструкций Содержание материала для самостоятельного изучения

Основные виды коррозии. Классификация коррозионных процессов. Химическая и электрохимическая коррозия. Факторы, влияющие на скорость коррозии. Методы защиты металлов от коррозии.

Литература: [1 – гл. 10, §§ 10.1…10.4]; [2 – гл.9, §§ 9.2…9.4 ]; [3 – гл. ХVІ, § 196].

Основные теоретические положения

Коррозия – это самопроизвольное разрушение металла в результате химического или электрохимического взаимодействия его с окружающей средой.

Коррозия представляет собой окислительно-восстановительный гетерогенный процесс, происходящий на поверхности раздела фаз. По

механизму протекания процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия характерна для сред не проводящих электрический ток: атмосфера сухих газов, растворы неэлектролитов. Сущность химической коррозии сводится к непосредственному взаимодействию металла с окислителем окружающей среды без возникновения в системе электрического тока. Процесс окисления и восстановления при этом происходит на одних и тех же участках поверхности металла.

Коррозия по электрохимическому механизму происходит в электропроводящих средах: во влажной атмосфере и почве, в растворах электролитов. Сущность электрохимической коррозии сводится к возникновению и работе коррозионных (короткозамкнутых гальванических) элементов. На более активных участках поверхности металла – анодах идет окисление металла

Ме⁰ - nе→ Меⁿ⁺,

на менее активных участках поверхности металла - катодах идет восстановление окислителя. В нейтральных и щелочных средах катодный процесс сводится, как правило, к восстановлению растворенного в воде кислорода:

О₂ + 2Н₂О + 4е → 4ОН^-.

В кислых средах на катоде восстанавливаются ионы водорода:

2Н⁺ + 2е → Н⁰₂ .

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.).

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.

Решение типовых задач

Задача 1. Возможно ли защитить изделие из железа от коррозии, если к нему приварить магниевую пластину? Изделие находится в разбавленном растворе кислоты. Ответ обоснуйте.

Решение. В данном случае коррозия будет протекать по электрохимическому механизму. Схематично возникший коррозионный элемент можно представить так: Mg / H⁺/ Fe. Стандартные электродные потенциалы металлов (см. табл. 5.1.1)

E⁰_Fe²⁺_{/ Fe}⁰ = -0,44 B; E⁰_Mg²⁺_/Mg⁰ = -2,36 B.

В данной паре железо является катодом, магний – анодом. На электродах в растворе кислоты будут протекать следующие электродные процессы:

катод (Fe): 2Н⁺ + 2е → Н⁰₂ (процесс восстановления);

анод (Mg): Мg⁰ - 2е →Мg²⁺ (процесс окисления).

Как видно, железо не разрушается. Следовательно, изделие из железа можно защитить, приварив к нему пластину из магния.

Задача 2. Железо, покрытое никелем, находится в атмосфере влажного воздуха. Какой из двух металлов будет корродировать при нарушении покрытия?

Решение. При нарушении покрытия будет происходить коррозия по электрохимическому механизму, окислителем в данном случае будет растворенный в воде кислород. Возникший при этом коррозионный элемент можно схематично записать Fe / H₂O,O₂/ Ni

E⁰_Ni²⁺_/Ni⁰ = - 0,25 B ; E⁰_Fe²⁺_/Fe⁰ = - 0,44 B.

Исходя из величин стандартных электродных потенциалов, заключаем, что железо – анод, никель – катод. Электродные процессы, протекающие на металлах следующие:

катод(Ni): О₂ + 2Н₂О + 4е → 4ОН^- (процесс восстановления);

анод (Fe): Fe⁰ – 2e → Fe²⁺ (процесс окисления).

Железо в данном случае разрушается.

Задачи для самостоятельного решения

261. Железная пластина наполовину погружена в водный раствор, наполовину находится на воздухе. Какая часть пластины будет разрушаться и почему? Напишите уравнения электродных процессов.

262. В чем заключается сущность электрохимической коррозии? Напишите уравнения электродных процессов, происходящих при разрушении технического железа, находящегося во влажном воздухе.

263. По какому механизму протекает коррозия металлических деталей строительных сооружений, находящихся во влажном грунте? Почему? Ответ поясните.

264. Всегда ли химически чистое железо является более стойким против коррозии, чем техническое? Приведите примеры и поясните, написав уравнения электродных процессов при коррозии технического железа в растворе соляной кислоты.

265. Можно ли проводить клепку стальных листов медью? Дайте ответ, приведя уравнения электродных процессов, происходящих при нахождении данного образца во влажном воздухе (электродный потенциал стали считайте равным стандартному электродному потенциалу железа).

266. В чем сущность коррозии, протекающей по химическому механизму? Какой из металлов - кобальт или медь - будет разрушаться быстрее при взаимодействии с кислородом при повышенной температуре? Ответ поясните.

267. Изделие из железобетона находится во влажном воздухе. Какая часть стальной арматуры будет разрушаться - находящаяся в бетоне или непосредственно контактирующая со средой? По какому механизму будет протекать коррозионный процесс?

268. В раствор кислоты поместили луженое железо (железо, покрытое оловом). Какой из двух металлов будет разрушаться, если покрытие нарушено? Напишите уравнения электродных процессов, происходящих при этом.

269. Во влажном воздухе находится луженое (покрытое оловом) и оцинкованное (покрытое цинком) железо. Какое из двух покрытий дольше при одинаковых условиях (покрытия не нарушены, одинаковые толщина покрытия и внешняя среда) будет защищать железо от коррозии? Объясните почему?

270. Луженое железо (железо, покрытое оловом) находится во влажном воздухе. Какой из металлов будет разрушаться, если покрытие нарушено? Почему? Напишите уравнения электродных процессов, происходящих при этом.

271. Две железные пластины, частично покрытые одна оловом, другая хромом, находятся в растворе кислоты. В каком случае образуется ржавчина? Почему? Напишите уравнения происходящих при этом электродных процессов.

272. В чем заключается сущность протекторного метода зашиты металлов от коррозии? Приведите пример протектора для защиты железа от коррозии в водном растворе электролита, содержащем растворенный кислород. Напишите уравнения электродных процессов.

273. Почему медная пластина не может быть использована в качестве протектора для защиты железа от электрохимической коррозии? Ответ мотивируйте, приведя уравнения электродных процессов.

274. Железо, покрытое хромом, находится в водном растворе электролита, содержащем кислород. Будет ли хром защищать железо от коррозии, если покрытие нарушено? Ответ подтвердите уравнениями электродных процессов.

275. В чем заключается сущность катодной защиты металлов от коррозии? Какие процессы протекают на катоде, что используется в качестве анода? Приведите уравнения этих процессов.

276. Присутствие каких примесей в металле усиливает его коррозионное разрушение? Разберите коррозию цинка, содержащего примеси меди. Напишите уравнения электродных процессов для образца, находящегося во влажном воздухе.

277. Химически чистую медь и медь, частично покрытую серебром, поместили в раствор соляной кислоты. В каком случае имеет место реакция? Ответ подтвердите уравнениями.

278. Почему коррозия кобальта с примесью олова в атмосфере влажного воздуха идет более интенсивно, чем химически чистого кобальта? Ответ обоснуйте.

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

280. Изделие из железа покрыто висмутом. Какой из металлов будет разрушаться при нарушении целостности покрытия? Напишите уравнения происходящих электродных процессов, если изделие контактирует с влажной атмосферой.