Взаимодействие металлов с раствором щелочи

Амфотерные металлы (Be, Zn, Al, Cr, Sn, Pb) взаимодействуют с растворами щелочей в две стадии. По первой стадии происходит восстановление водорода из воды и образуется нерастворимый в воде амфотерный гидроксид, например:

Be + 2H₂O = Be (OH)₂ + H₂ ↑.

Во второй стадии получившийся амфотерный гидроксид взаимодействует с щелочью:

Be (OH)₂ + 2KOH = K₂[Be (OH)₄],

при этом образуется комплексная соль – тетрагидроксобериллат калия. Суммарный процесс описывается уравнением

Be + 2H₂O + 2KOH = K₂ [Be (OH)₄] + Н_2.

Взаимодействие металлов с растворами солей

Металлы, обладающие более низким потенциалом, вытесняют менее активный металл из растворов их солей.

Например:

Zn + CuSO₄ = Cu +ZnSO₄ – взаимодействие возможно, так как e°_Zn/Zn²⁺ = – 0,74В< e°_Cu/Cu²⁺ = + 0,34В

Глава 8. Коррозия металлов. Методы защиты металлов от коррозии

8.1. Виды коррозионных процессов

Коррозия – гетерогенный самопроизвольный процесс разрушения металлов, протекающий под воздействием окружающей среды.

В зависимости от характера разрушения металлов различают сплошную и местную коррозию. Сплошная охватывает всю поверхность металлов, а местная протекает на определенных участках.

По механизму протекания различают химическую и электрохимическую коррозии.

Химическая коррозия – это разрушение металла без возникновения электрического тока. Этот процесс идет при отсутствии электролита. К ней относятся:

• газовая коррозия, которая протекает в газах и парах (Cl₂, H₂S, SO₂ и т.д.) без конденсации влаги на поверхности металлов при высоких температурах. Такая коррозия наблюдается при сварке металлов, в соплах реактивных двигателей;

• коррозия в органических жидкостях. Например, коррозия нефтепроводов, коррозия двигателей внутреннего сгорания под действием жидкого топлива.

Металлы, подвергаясь химической коррозии, покрываются оксидной пленкой, от свойств которых зависит, будет ли дальше корродировать металл. Рыхлая оксидная пленка не обладает защитными свойствами и не предохраняет металл от дальнейшей коррозии. У некоторых металлов (например Al, Zn, Cr, Ti,…) на поверхности образуется плотная защитная пленка, которая замедляет и предотвращает дальнейшую коррозию.

Электрохимическая коррозия – это разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока.

Большинство металлов и сплавов неоднородны по химическому и фазовому составу, поэтому на металле возникают катодные и анодные участки. А в качестве электролита может быть атмосфера влажного воздуха; морская вода; влага в почве с растворенными примесями, газами; водные растворы солей; кислоты и основания. Различающиеся по своим свойствам и составу участки поверхности образуют множество гальванопар, работа которых похожа на работу гальванических элементов. Анодом является участок более активного металла, который разрушается:

Me – nē = Meⁿ⁺.

На катодном участке идет присоединение электронов каким-либо восстановителем, который называется деполяризатором. Возникновение микрогальванического элемента при электрохимической коррозии может быть:

• при контакте двух металлов;

• при коррозии металла с токопроводящими неметаллическими примесями (выполняют роль катода);

• при неодинаковом доступе воздуха к различным частям металла;

• при неодинаковой механической обработке металла;

• при неодинаковой концентрации электролита;

• при неодинаковых механических напряжений в одной и той же детали.

В зависимости от характера (рН) среды различают:

• коррозию в кислой среде,

• атмосферную коррозию,

• коррозию в нейтральной среде.

Рассмотрим, как проходит коррозия Fe, находящегося в контакте с медью в разных средах электролита. Так как значение стандартного электродного потенциала железа e°_Fe/Fe²⁺ = – 0,44В(см. приложение, табл.4) меньше значения стандартного электродного потенциала меди e°_Cu/Cu²⁺ = + 0,34В, то в образующейся гальванопаре Fe будет анодом, а Cu – катодом.

В кислой среде (рН <7) схема коррозионного гальванического элемента имеет вид

(–) А Fe / HCl / Cu K(+).

Работа запишется электронными уравнениями анодного и катодного процессов:

-на аноде идет окисление железа:

(-)А Fe – 2ē = Fe²⁺;

-на катоде восстанавливаются катионы водорода:

(+)К 2H⁺ + 2ē = H₂;

Продуктами коррозии являются соль и Н₂:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂ – суммарный коррозионный процесс.

Процесс 2H⁺ + 2ē = H₂ называется водородной деполяризацией.

В атмосфере влажного воздуха продукты коррозии будут другими. Запишем схему гальванического элемента и составим электронные уравнения:

(–) А Fe / H₂O + O₂ / Cu K((+)

2 А: Fe – 2ē = Fe²⁺

1 К: 2H₂O + O₂ + 4ē = 4OH^¯

2Fe + 2H₂O + O₂ = 2Fe (OH)_2.

Процесс 2H₂O + O₂ + 4ē = 4OH^¯ называется кислородной деполяризацией.

Образующийся гидроксид железа (II) подвергается дальнейшему окислению по схеме (характерно только для железа):

Fe (OH)₂ + O₂ + H₂O → Fe (OH)₃ → nFe₂O₃ • mH₂O

4 Fe (OH)₂ + H₂O – 1ē → Fe (OH)₃ + H⁺

1O₂ + 2H₂O + 4ē → 4OH^¯

4Fe (OH)₂ + O₂ + 6H₂O = 4Fe (OH)₃ + 4H⁺ + 4OH^¯

4Fe (OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe (OH)₃

Продуктом коррозии является «ржавчина» – рыжий рыхлый порошок.

В нейтральной среде окислителем является вода. Схема гальванического элемента имеет вид

(–) А Fe / H₂O / Cu K(+).

На аноде окисляется железо, на катоде идет восстановление водорода из воды:

1 А: Fe – 2ē = Fe²⁺

1 К: 2H₂O +2ē =H₂ +2OH^-

Fe + 2H₂O = H₂ + Fe (OH)_2.