8.1.2 Коррозия металлов

Это самопроизвольный процесс разрушения металлов и металлических изделий в результате окисления веществами окружающей среды

В зависимости от механизма протекания коррозия подразделяется на химическую и электрохимическую. Возможна также биологическая коррозия в результате воздействия микроорганизмов.

Химическая коррозия характерна для сред, не проводящих электрический ток. По условиям протекания подразделяется на газовую коррозию и коррозию в неэлектролитах.

Электрохимическая коррозия возникает при взаимодействии металлов с растворами и расплавами электролитов, электропроводящими органическими жидкостями. Именно этот вид коррозии наносит наибольший урон.

Поверхность металла практически всегда структурно и термодинамически неоднородна: примеси других металлов и соединений, неоднородность внутренних напряжений, искажения решетки металла, выход на поверхность ребер и граней кристаллов, обладающих избыточной энергией и др. Если энергетически неоднородные участки поверхности металла покрыты электролитом, то они приобретают различные потенциалы и образуют микрогальванические пары. В этом случае электрохимическая коррозия будет протекать по механизму действия гальванического элемента. Отличие состоит лишь в том, что отсутствует внешняя цепь, а электроны движутся внутри самого металла.

В качестве примера рассмотрим атмосферную коррозию железа, если в нем имеются примеси меди – менее активного металла, обладающего более высоким значением стандартного электродного потенциала по сравнению с железом.

При повышенной влажности поверхность металла покрыта тонкой пленкой воды, в которой растворены соли, атмосферный кислород, углекислый газ, оксиды серы, азота и другие атмосферные примеси. Такая пленка представляет собой раствор электролита. В подобной среде на железе, содержащем примеси меди, образуются микрогальванические пары. Через толщу металла электроны будут переходить от железа, потенциал которого меньше, к меди, потенциал которой больше. На меди возникнет избыток электронов, за счет этого на ней будут протекать процессы восстановления. Медь выполняет функции катода. Анодом будет являться железо, на нем будут идти процессы окисления.

Анодный процесс на железе: Fe⁰ – 2e ^- =Fe²⁺

Железо окисляется. Железное изделие разрушается.

Катодные процессы на меди:

Наиболее часто наблюдается восстановление растворенного в воде кислорода и катионов водорода, сама медь не подвергается изменениям:

а) О₂ + 2Н₂О + 4е ^- = 4ОН ^– - в нейтральной или щелочной среде;

б) О₂ + 4 Н⁺ + 4е ^- =2Н₂О - в кислой среде;

в) 2Н⁺ + 2е ^- =Н₂ - в кислой или нейтральной среде.

Первые два уравнения отвечают коррозии с кислородной деполяризацией, третье – коррозии с водородной деполяризацией.

В результате коррозии железа образуется ржавчина – гидратированные формы оксида железа с переменным содержанием воды:Fe_xO_y n H₂O.

Коррозия с водородной деполяризацией, если она термодинамически возможна, протекает в кислых растворах с большей скоростью, чем коррозия с кислородной деполяризацией.

В общем случае с увеличением концентрации водородных ионов скорость коррозии с водородной деполяризацией увеличивается, так как в соответствии с уравнением Нернста, увеличивается потенциал системы 2Н⁺ + 2е ^- =Н₂. Однако концентрированная кислота может пассивировать металл. Пассивация, в основном, вызывается образованием на поверхности металла оксидных или иных защитных слоев, предохраняющих металл от дальнейшей коррозии. Так веду себя Al; Cr; Ni; Fe и некоторые другие металлы в концентрированных серной и азотной кислотах.

На основе понимания механизма электрохимической коррозии разработаны разнообразные способы борьбы с ней. Перечислим их.

• Легирование – введение в состав сплава компонентов, повышающих устойчивость металлов к коррозии. Например, в качестве легирующих добавок к железу применяют никель и хром (нержавеющая сталь).

• Защита поверхности металла покрытиями, которые бывают нескольких видов:

а) неметаллические (лаки, краски, эмали);

б) покрытия, образующиеся в результате химической обработки поверхности металла (например, воронение стали);

в) металлические покрытия, которые подразделяются на анодные (покрытие более активным металлом, образующим устойчивые к коррозии оксидные пленки) и катодные (покрытие менее активным металлом).

При повреждении анодного покрытия будет анодно растворяться само покрытие, а не основной металл. При повреждении катодного покрытия растворяется основной металл, а не металл покрытия.

• Введение в коррозионную среду ингибиторов (замедлителей) коррозии.

• Электрохимическая защита, которая применяется в средах с хорошей ионной проводимостью, например, морская вода, почва. К электрохимической защите относится протекторная, катодная и анодная защита.

Протекторная защита – это присоединение к защищаемому изделию большого листа из более активного металла, который выступает в качестве анода и окисляется, материал изделия выступает в роли катода, он защищен от коррозии.

При катодной защите защищаемая деталь присоединяется к отрицательному полюсу внешнего источника тока и становится катодом. В качестве анода используются куски железа, которые присоединяются к положительному полюсу источника тока, при этом подвергаясь анодному окислению.

При анодной защите защищаемое изделие подключается к положительному полюсу внешнего источника тока, при этом происходит пассивация защищаемого металла.

8.2 Методика проведения опытов

8.2.1 Взаимодействие металлов с соляной кислотой

В четыре пробирки налить по 2 – 3 мл соляной кислоты и поместить в них по кусочку алюминия, цинка, железа и меди порознь. Какие из взятых металлов вытесняют водород из кислоты? Написать уравнения реакций.

8.2.2 Взаимодействие металлов с серной кислотой

В пробирку опустить кусочек железа и добавить 1 мл 2н. серной кислоты. Что наблюдается? Повторить опыт с кусочком меди. Протекает ли реакция?

Проверить действие концентрированной серной кислоты на железо и медь. Объяснить наблюдения. Написать все уравнения реакций.

8.2.3 Взаимодействие меди с азотной кислотой

Положить в две пробирки по кусочку меди. В одну из них налить 2 мл разбавленной азотной кислоты, во вторую – концентрированной. При необходимости содержимое пробирок подогреть на спиртовке. Какой газ образуется в первой пробирке, а какой во второй? Записать уравнения реакций.

8.2.4 Взаимодействие металлов с солями

Налить в пробирку 2 – 3 мл раствора сульфата меди (II) и опустить кусочек железной проволоки. Что происходит? Повторить опыт, заменив железную проволоку кусочком цинка. Написать уравнения реакций.

Налить в пробирку 2 мл раствора ацетата или нитрата свинца (II) и опустить кусочек цинка. Что происходит? Написать уравнение реакции. Указать окислитель и восстановитель. Будет ли протекать реакция, если цинк заменить медью? Дать объяснение.

8.2.5 Пассивация алюминия

В пробирку поместить кусочек алюминия и прилить 2 – 3 мл концентрированной азотной кислоты. Через 3 – 4 минуты кислоту слить, промыть металл водой и подействовать на него 2н. раствором соляной кислоты. Почему теперь алюминий не растворяется в соляной кислоте?

8.2.6 Коррозия железа при контакте с цинком и оловом

В железную скрепку для бумаги вставить кусочек цинка, в другую скрепку – такой же кусочек олова. В две пробирки прилить по 2 – 3 мл воды, по 2 – 3 капли разбавленной серной кислоты и раствора гексацианоферрата(III) калия K₃Fe(CN)₆ (красной кровяной соли), разбавленного до слабой желтоватой окраски. Раствор красной кровяной соли является реактивом на катионы Fe²⁺, при этом образуется соединение синего цвета. Скрепки поместить в приготовленные растворы.

Какую окраску приобретает жидкость в пробирке, в которой находится скрепка с оловом? Какие ионы появились в растворе? На что это указывает? Наблюдается ли окрашивание раствора в другой пробирке?

Разобрать протекающие процессы, исходя из величин стандартных электродных потенциалов железа, цинка и олова. Записать схемы коррозии оцинкованного и луженого железа, указав катодные и анодные процессы. Выводы оформить в виде таблицы 8.3.

Таблица 8.3 – Выводы из опыта 8.2.6

	Что является катодом	Что является анодом	Электронные уравнения катодных процессов	Электронные уравнения анодных процессов
Оцинкованное железо
Луженое железо