Наука о коррозии металлов имеет огромное прикладное значение в металлургической промышленности, позволяя разрабатывать и внедрять новые методы противокоррозионной защиты металла, а также увеличивать коррозионную стойкость сплава путем варьирования его химического состава и металлографической структуры. Именно поэтому целью любого научного исследования в области коррозии является выявление закономерностей процесса разрушения металла в различных условиях для создания теоретических основ и практической реализации методов защиты. Таким образом, наука о коррозии - коррозиология - занимает промежуточное положение между естественными и прикладными науками, а научной базой курса «Коррозия и защита металлов» являются физическая химия, металловедение и материаловедение, позволяющие связывать закономерности физико-химических превращений металлов и сплавов с их металлографическими, механическими и другими характеристиками. Поэтому в практику коррозионных исследований широко вошли такие физико-химические методы анализа, как хронопотенцио-, вольтамперо- и гравиметрия.

Для будущих специалистов металлургического профиля хорошее усвоение курса «Коррозия и защита металлов» невозможно без ознакомления с этими методами на лабораторных занятиях, конечной целью которых является, во-первых, овладение основами методов коррозионных исследований, и, во-вторых, умение интерпретировать полученные результаты и в должной мере распространять их на иные условия эксплуатации металлоизделия.

Результаты каждой лабораторной работы должны быть оформлены и представлены в виде отчета в соответствии с требованиями, изложенными ниже.

Требования к оформлению отчета

Отчет по лабораторной работе должен включать:

• название работы;

• цель работы;

• теоретическую часть, содержащую основные теоретические сведения об изучаемом в работе явлении или процессе;

• практическую часть, содержащую схемы лабораторных установок, таблицы полученных величин и параметров, необходимые их графические представления;

• вывод, кратко отражающий результаты лабораторной работы.

Лабораторная работа №1 электродные потенциалы металлов

Цель работы: определение значений и природы электродных потенциалов железа и меди в растворах электролитов.

Процесс электрохимической коррозии металла в электролите представляет собой совокупность двух сопряженно протекающих электрохимических реакций – анодной (1.1) и катодной (1.2):

Ме→Меⁿ⁺+ne, (1.1)

D+ne→[Dne]. (1.2)

Веществом D (деполяризатором) могут являться как ионы металла Meⁿ⁺, так и Н⁺-ионы, О^2--молекулы и другие частицы, способные к восстановлению. Возможность протекания электрохимической коррозии определяется величиной разности электродных потенциалов анодной (Е⁰_а) и катодной (Е⁰_к) реакций, значения которых могут быть рассчитаны из уравнения Нернста:

, (1.3)

, (1.4)

где и- стандартные значения электродных потенциалов,и- активности частиц Меⁿ⁺ и D в растворе.

Если металл (Ме) погружен в раствор, содержащий одноименные с ним Меⁿ⁺-ионы, то в катодной реакции (1.2) под веществом D понимаются Меⁿ⁺-ионы, и процесс сводится к их разряду на поверхности металла и вхождению в его решетку. В этом случае коррозионное разрушение металла не происходит, и значение потенциала, формирующегося на металле в таком растворе, называется обратимым ().

В реальных условиях в катодной реакции (1.2) принимают участие, как правило, иные частицы, поэтому ионы, перешедшие из решетки металла в раствор по реакции (1.1), обратно в решетку не возвращаются, и развивается электрохимическая коррозия. Потенциал металла называют необратимым и его значение не подчиняется уравнению Нернста (1.3). Примерами такой катодной реакции, называемой деполяризацией, могут служить процессы восстановления водорода и кислорода:

, (1.5)

. (1.6)

Уравнение Нернста в этом случае имеет вид

, (1.7)

где - стандартный электродный потенциал, равный +0,401 В при 25⁰С с изотермическим коэффициентом мВ/град,- парциальное давление кислорода (для воздуха=0,21 атм),- активность ОН^—ионов в растворе.

Для выявления природы электродного потенциала металла в растворе следует сопоставить измеренное значение (Е_х) и рассчитанное теоретически по уравнению (1.3), для чего необходимо знать величину активности Меⁿ⁺-ионов в электролите. В нейтральных электролитах коррозия металла сопровождается образованием труднорастворимого соединения состава Me_mA_n (например, Fe(OH)₂) на поверхности металла. При этом активность Meⁿ⁺-ионов рассчитывают из значения произведения растворимости () соединения:

, (1.8)

откуда следует, что активность равна

. (1.9)

Выявление природы электродного потенциала металла имеет большое значение при изучении кинетики электрохимической коррозии для установления контролирующего фактора, то есть наиболее замедленной ступени коррозионного процесса. Такими ступенями являются реакции: ионизации металла (1.1), восстановления деполяризатора (1.2). Количественно величина контролирующего фактора оценивается степенью анодного (С_а) и катодного (С_к) контроля:

, (1.10)

, (1.11)

где Е_к⁰ и Е_а⁰ – обратимые электродные потенциалы анодной и катодной реакций, ∆Е_а = Е_Ме - Е_а⁰, ∆Е_к = Е_Ме - Е_к⁰, Е_Ме – измеренное по водородной шкале значение электродного потенциала металла.

Сравнивая значения С_а и С_к, можно установить, какой из процессов – анодный или катодный – определяет скорость электрохимической коррозии металла.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Лабораторная работа состоит из следующих заданий:

1. Измерить электродный потенциал меди в растворах, содержащих Cu²⁺-ионы.

2. Измерить электродный потенциал железа в растворах, содержащих Fe²⁺-ионы.

3. Измерить электродный потенциал железа в растворе хлорида натрия.

Ход работы

Измерение значений электродных потенциалов проводят на установке, схема которой представлена на рис. 1.1. Поверхность образца исследуемого металла зачищают абразивным материалом, обезжиривают органическим растворителем и закрепляют клеммой в тексталитовой пластине.

Установку собирают в такой последовательности:

1. Заполняют солевые мостики и хлорсеребряный электрод сравнения раствором хлорида калия;

2. Устанавливают солевые мостики и электрод сравнения в установку;

3. Подключают электрические контакты.

После этого стакан с рабочим электродом заполняют исследуемым раствором, фиксируют время начала эксперимента, снимают показания вольтметра (Е_х) и записывают результаты в таблицу (1.1) отдельно для каждого металла и раствора. Опыт продолжают в течение 15 мин, измеряя и фиксируя значения электродного потенциала металла через каждую минуту.

Перед измерением электродного потенциала металла в новом растворе образец промывают водой и вновь осуществляют обработку его поверхности.

Таблица 1.1

Исследуемый металл:

Рабочий электролит:

Температура:

Время, мин	Ех , В	ЕМе, В			Етеор, В	Примечание

Измеренные значения электродного потенциала (Е_х) пересчитывают на нормальный водородный электрод (нвэ) по формуле

Е_Ме = Е_х + 0,22, (1.12)

и полученные значения заносят в таблицу.

Обработка экспериментальных данных по заданию №1,2

Величину активности ионов металла в растворе рассчитывают на основании значения концентрации раствора по формуле

, (1.13)

где m – моляльная концентрация электролита (указана на склянке с раствором), - средний коэффициент активности, зависящий от ионной силы раствора; значенияприведены в приложении 1.

На основании активности ионов металла в растворе по уравнению (1.3) рассчитывают теоретическое значение электродного потенциала (Е_теор). Необходимые значения стандартных потенциалов иприведены в приложении 2.

На миллиметровой бумаге строят графики зависимости измеренного значения потенциала, пересчитанного на водородную шкалу (Е_Ме) и рассчитанного по уравнению (1.3) от величины , сравнивают полученные кривые и делают вывод об обратимости или необратимости электродного потенциала металла в данном растворе.

Обработка экспериментальных данных по заданию №3

Считая, что при коррозии железа в растворе хлорида натрия катодная реакция осуществляется молекулами О₂ в соответствии с уравнением (1.6), значение электродного потенциала катодного процесса (Е_к) рассчитывают по уравнению (1.7). При этом необходимую величину определяют из условия нейтральности раствора (рН=7), принимая ее равной 10^-7 моль/л. Активность ионов металла в растворе рассчитывают по формуле (1.9), считая, что продуктом коррозии (Me_mA_n) является малорастворимое вещество Fe(OH)₂ и используя величину произведения растворимости L=1,65^.10^-15. После этого по формулам (1.10) и (1.11) рассчитывают степень анодного и катодного контроля и для установившегося значения электродного потенциала делают вывод о природе электродного потенциала железа в растворе соли.

На основании полученных результатов делают выводы о природе электродных потенциалов (обратимые или необратимые) исследованных металлов в разных электролитах, указывают контролирующий фактор и степень контроля при протекании коррозионного процесса.