Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Балаковский инженерно-технологический институт

Коррозия металлов

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсам «Химия»

для студентов технических направлений и специальностей

«Общая и неорганическая химия», для студентов направления «Химическая технология»

всех форм обучения

Балаково 2014

Цель работы: изучить коррозионные процессы, протекающие под влиянием различных сред.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Коррозия - это самопроизвольно протекающий гетерогенный процесс разрушения металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия их с окружаю­щей средой. Вред, наносимый коррозией, велик: около 20% еже­годной выплавки металлов расходуется на коррозию. Причиной кор­розии является химическая неустойчивость большинства металлов на воз­духе. Например, ржавление железа на воз­духе, образование окалины при высокой температуре, растворение метал­лов в кислотах и т.д.

В зависимости от характера разрушения поверхности металлов различают следующие виды коррозии: общая (равномерная, по всей поверхности металла); местная ( сосредоточена на отдельных участках: точечная или питтинговая, пятнистая, межкристаллическая). Наиболее опасна местная коррозия.

Коррозию, по механизму и условиям, при которых она происхо­дит, делят на два вида: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия обусловливается взаимодействием металлов с сухими газами или жидкостями, не проводящими электрического тока.

Химическая коррозия в атмосфере кислорода:

хMe+ y/2О₂ Mе_хО_у

Образующиеся на металлах оксидные пленки часто препятствуют их окислению и повышают устойчивость, но, чтобы такая пленка защищала металл, она должна быть сплошной > 1.

Коэффициент сплошности:

К этому виду коррозии относят образование окалины на железе при высокой температуре и коррозию других металлов под действием агрессивных га­зов (газовая коррозия). Механизм газовой коррозии железа состоит в обра­зовании оксидных пленок различного химического состава с изменением температуры. Так, на железе, уже при 250-300°С появляется видимая плен­ка оксидов (ZnO), при 600°С и выше поверхность металла покрывается слоем окалены, состоящей из смеси оксидов (Fe₂O₃ и Fe₃O₄). Окалина, в отличие от первоначального оксидного слоя (FeO) не защищает железо от коррозии, т.е. сплошность слоя нарушена, появляются трещины, которые уже не могут препятствовать проникновению кислорода к металлу.

Для щелочных и щелочно-земельных металлов это условие не со­блюдается, у них < 1, такие пленки не защищают металл.

Сплошные и устойчивые оксидные слои образуются на пассиви­рующихся металлах, например, алюминии, олове и др., а также элементах d- семейства: Fe, Ni и др. Толщина образующихся оксидных пленок, прямо зависит от времени образования и температуры.

Электрохимическая коррозия - разрушение металла при соприкосно­вении с электролитом и возникновение в системе электрического тока.

В атмосферных условиях роль электролита играет водная пленка на металлической поверхности. Электродами являются сам металл и содер­жащиеся в нем примеси. Сочетание электролита и микрогальванопар (ме­талл + примеси) напоминает работу гальванического элемента, поэтому электрохимическую коррозию называют иногда «гальванической».

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно про­текают два процесса:

анодный— окисление металла: Me⁰ – nе^- Meⁿ⁺;

и катодный — в зависимости от рН среды, восстановление на катоде ионов или молекул, называемых деполяризаторами.

Деполяризация - это процесс нейтрализации электронов различными деполяризаторами из окружающей среды; она бывает водородная, кисло­родная и окислительная.

Водородная деполяризация происходит в кислых средах за счет ней­трализации электронов катионами водорода:

2Н⁺ + 2е^- Н₂, при рН < 7

Кислородная деполяризация происходит, например, при атмосферной коррозии в нейтральной среде:

O₂+2Н₂O + 4е^- 4OН^- рН = 7

В качестве примера можно рассмотреть коррозию железа в контакте с медью в растворе серной кислоты. При этом возникает гальванический элемент:

(-) Fe |H₂SO₄| Cu (+)

Более активный металл - железо окисляется, посылая электроны атомам меди, и переходит в раствор в виде ионов Fe²⁺, а ионы водорода разряжаются (восстанавливаются) на меди

Fe° - 2е Fe²⁺

2Н⁺ + 2е H₂

Коррозии с кислородной деполяризацией может служить коррозия технического железа:

2Fe - 4е → 2Fe²⁺ (на аноде)

О₂ + 2Н₂О + 4е → 4OH^- (на катоде)

В растворе образуется Fe²⁺ + 2OН^- → Fe(OH)₂ под влиянием кислорода воздуха окисление Fe(OH)₂ продолжается:

4 Fe(ОН)₂ + О₂ + 2Н₂О → 4Fe(OH)₃

Отщепляя частично воду, Fe(OH)₃ образует соединение, примерно отвечающее составу ржавчины:

Fe(OH)₃ = Fe - OH + H₂O

Интенсивность коррозии зависит от разности потенциалов анодных и катодных участков: чем эта разность выше, тем активнее протекает про­цесс. Однако, не всегда можно определить, какой металл сплава будет раз­рушаться в процессе коррозии, исходя только из величин электродных по­тенциалов, т.к. на процесс оказывает большое влияние состав электролита и рН (водородный показатель) среды. Так, стандартные электродные по­тенциалы А1 и Zn соответствуют , , а в растворе NaCl они принимают значения (-0,53В) и (0,77В), т.е. потенциал Al в растворе NaCl оказывается больше, чем у цинка в отличие от стан­дартных потенциалов.

Коррозией называется процесс самопроизвольного разрушения ме­таллов под влиянием внешней среды. Например, ржавление железа на воз­духе, образование окалины при высокой температуре, растворение метал­лов в кислотах и т.д. Вред, наносимый коррозией, велик: около 20% еже­годной выплавки металлов расходуется на коррозию. Первопричиной кор­розии является химическая неустойчивость большинства металлов на воз­духе, т.е. энергия, затраченная при получении металлов из руд, в процессе коррозии выделяется в связи с получением устойчивых оксидов с мень­шим запасом энергии.

Коррозию, учитывая механизм и условия, при которых она происхо­дит, делят на два вида: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия обусловливается взаимодействием металлов с сухими газами или жидкостями, не проводящими электрического тока. К этому виду коррозии относят образование окалины на железе при высокой температуре и коррозию других металлов под действием агрессивных га­зов (газовая коррозия). Механизм газовой коррозии железа состоит в обра­зовании оксидных пленок различного химического состава с изменением температуры. Так, на железе, уже при 250-300°С появляется видимая плен­ка оксидов (ZnO), при 600°С и выше поверхность металла покрывается слоем окалины, состоящей из смеси оксидов (Fe2O₃ и Fe₂O₄). Окалина, в отличие от первоначального оксидного слоя (FeO) не защищает железо от коррозии, т.е. сплошность слоя нарушена, появляются трещины, которые уже не могут препятствовать проникновению кислорода к металлу. Образующиеся на металлах оксидные пленки часто препятствуют их окислению и повышают устойчивость, но, чтобы такая пленка защищала металл, она должна быть сплошной и отношение молекул оного объема оксида к одному объе­му металла > 1.

Для щелочных и щелочно-земельных металлов это условие не со­блюдается, у них - V оксида /V металла < 1, такие пленки не защищают металл.

Сплошные и устойчивые оксидные слои образуются на пассиви­рующихся металлах, например, алюминии, олове и др., а также - d элементах d- семейства: Fe, Ni и др. Толщина образующихся оксидных пленок,прямо зависит от времени образования и температуры.

Электрохимическая коррозия - разрушение металла при соприкосно­вении с электролитом и возникновение в системе электрического тока.

В атмосферных условиях роль электролита играет водная пленка на металлической поверхности. Электродами являются сам металл и содер­жащиеся в нем примеси. Сочетание электролита и микрогальванопар (ме­талл + примеси) напоминает работу гальванического элемента, поэтому электрохимическую коррозию называют иногда «гальванической».

В качестве примера можно рассмотреть коррозию железа в контакте с медью в растворе соляной кислоты.

При этом возникает гальванический элемент:

(-) Fe |HC1| Cu (+)

Более активный металл - железо окисляется, посылая электроны атома меди, и переходит в раствор в виде ионов Fe²⁺, а ионы водорода разряжаются (восстанавливаются) на меди

Fe° - 2е - Fe²

Н⁺ + 2е ->

При коррозии следует различать анодный процесс и катодную

деполяризацию.

Деполяризация - это процесс нейтрализации электронов различными деполяризаторами из окружающей среды; она бывает водородная, кисло­родная и окислительная.

Водородная деполяризация происходит в кислых средах за счет ней­трализации электронов катионами водорода:

2Н⁺ + 2е → Н₂

Кислородная деполяризация происходит, например, при атмосфер- ной коррозии в нейтральной среде за счет ионизации кислорода:

О₂ + 4е + 2Н₂О → 4OН^-

Примером коррозии с кислородной деполяризацией может служить коррозия технического железа:

2Fe - 4е → 2Fe²⁺ (на аноде)

О₂ + 2Н₂О + 4е → 4OH^- (на катоде)

В растворе образуется Fe²⁺ + 2 OН^- → Fe(OH)₂ под влиянием кислорода воздуха окисление Fe(OH)₂ продолжается:

4 Fe(ОН)₂ + О₂ + 2Н₂О → Fe(OH)₃

Отщепляя частично воду, Fe(OH)₃ образует соединение, примерно отвечающее составу ржавчины:

Fe(OH)₃ = Fe - OH + H₂O

Интенсивность коррозии зависит от разности потенциалов анодных и катодных участков: чем эта разность выше, тем активнее протекает про­цесс. Однако, не всегда можно определить, какой металл сплава будет раз­рушаться в процессе коррозии, исходя только из величин электродных по­тенциалов, т.к. на процесс оказывает большое влияние состав электролита и рН (водородный показатель) среды. Так, стандартные электродные по­тенциалы А1 и Zn соответствуют , , а в растворе NaCl они принимают значения (-0,53В) и (0,77В), т.е. потенциал Al в растворе NaCl оказывается больше, чем у цинка в отличие от стан­дартных потенциалов.

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

Большое разнообразие методов защиты металлов от коррозии можно разделить на 3 основных: защитные покрытия (металлические и неметал­лические), электрохимическая защита и ингибиторная защита.