Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
химия.doc
Скачиваний:
6
Добавлен:
04.08.2019
Размер:
587.26 Кб
Скачать

46. Электрохимическая защита металлов: электро- и протекторная защита. Антикоррозионное легирование металлов.

Ответ:

Защита металлов от коррозии. Антикоррозионное легирование. Антикоррозионная обработка поверхности. Электрохимическая и протекторная защита

Коррозию поверхности металла можно затормозить изменением потенциала металла, пассивацией поверхности, снижением концентрации окислителя в окружающей агрессивной среде, изоляцией поверхности металла от окислителя, изменением состава металлического изделия (созданием сплава) и другими способами.

Выбор способа защиты металла от коррозии определяется его эффективностью, а также экономической целесообразностью.

Все методы защиты металлов от коррозии условно делятся на следующие группы:

1) метод легирования металлов – заключается во введении в состав металлического сплава компонентов, вызывающих пассивацию основного металла (легирующими добавками являются: хром Cr, молибден Мo, никель Ni, вольфрам W, титан Ti и другие благородные металлы, а также кремний Si). При соприкосновении легированных сталей с агрессивной средой на их поверхности образуются плотные оксидные пленки, предохраняющие от дальнейшей коррозии. Благодаря добавкам (присадкам) сплавы приобретают свойства жаропрочности (высокие температуры плавления) и жаростойкости (устойчивость к коррозии при высоких температурах);

2) метод нанесения на основной металл защитного покрытия – слоя оксидной пленки, искусственно создаваемой на поверхности базового металла или сплава изделия или сооружения для предохранения их от коррозии. Если защитные покрытия имеют при этом и красивый цвет, то их называют защитно-декоративными;

3) метод нанесения на основной металл металлического покрытия другого состава. Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (цинк Zn, кадмий Cd, алюминий Al, никель Ni, медь Cu, хром Cr, серебро Ag и другие), так и их сплавы (бронза, латунь и т. п.). По характеру поведения металлических покрытий при коррозии с основным металлом их можно разделить на катодные и анодные.

К катодным относятся покрытия, потенциалы металлов которых в данной среде имеют более положительные значения, чем потенциал основного металла.

Например, на поверхности стали - катодным покрытием будет служить покрытие из меди Cu, никеля Ni, серебра Ag. При повреждении такого покрытия (или в порах его поверхности) возникает коррозионный микроэлемент, в котором основной материал служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на нем выделяется водород Н2 или поглощается кислород О2.

Следовательно, катодные покрытия могут защищать металл от коррозии лишь при отсутствии в них микропор и повреждений.

Анодные покрытия формируют металлы, обладающие более отрицательным потенциалом, чем основной металл изделия. Например, анодным покрытием будет являться слой цинка Zn на стали (Fе). В этом случае при нарушении покрытия основной металл – железо служит катодом, на нем будет происходить процесс восстановления металла с одновременной кислородной или водородной деполяризацией. А а нодному растворению подвергается металл из покрытия.

На рис.78 представлены схемы коррозии основной поверхности металлов при нанесении на них металлических защитных покрытий.

Потенциалы металлов защитного покрытия зависят, в том числе, и от состава раствора, поэтому при его изменении меняется и состав покрытия. Так, покрытие стали оловом в растворе серной кислоты H2SO4 – выполняет роль катодного, а в растворе органических кислот – анодного покрытия.

Для получения металлических защитных покрытий применяются различные способы:

а) электрохимический способ нанесения пленки защитного металла (таким путем получают гальванические покрытия);

б) окунание металлического изделия в расплав защитного металла, температура плавления которого должна быть значительно ниже температуры плавления t0плав. самого изделия (так получают оцинкованное железо – метод горячего цинкования; и луженое железо – метод горячего лужения);

в) металлизация – способ нанесения металлических защитных покрытий на различные сооружения (мосты, детали судов, большие ёмкости и т. п.). При этом способе расплавленный металл с помощью струи сжатого воздуха наносится на защищаемую поверхность. Так можно получить хорошо сцепленные с основой слои различной толщины;

г) термодиффузия – изделие помещают в смесь, содержащую порошок металлического покрытия. При повышении температуры (больше 10000 С) происходит диффузия – проникновение атомов наносимого металла в основной металл. Этот способ ещё называют поверхностным легированием с помощью вакуумного или плазменного напыления, с последующей термообработкой: алитирование (нанесение слоя алюминия на железо , Al на Fe); хромирование (Cr), силицирование (Si) металлов;

д) химический способ – заключается в восстановлении соединений металла защитного слоя с помощью гипофосфата, водорода, гидразина и других восстановителей. Медное покрытие на стали, например, получают восстановлением ионов меди формальдегидом:

Cu2+ + 2CH2O + 4OH¯ = Cu+2HCOO¯ + H2 + 2H2O.

4) Метод нанесения неметаллического защитного покрытия (оно может быть неорганическим или органическим). Защитное действие сводится к изоляции поверхности металла от окружающей среды. Неорганические покрытия представляют собой краски, эмали, состоящие из оксидов неметаллов, включающих соединения хрома, фосфора и пр.

К органическим покрытиям относятся лакокрасочные покрытия, содержащие смолы, пластмассы, полимерные пленки, резину.

Приведем примеры неметаллических защитных покрытий.

Эмалирование – нанесение силикатных покрытий - осуществляют для защиты изделий из черных и цветных металлов, используемых при производстве пищевого и фармацевтического оборудования. Но эмаль боится механических повреждений, поэтому изделия с эмалированными покрытиями требуют бережного обращения.

Оксидирование – образование на поверхности металлов оксидных защитных пленок методом анодного травления (анодирование). Для изделий из железа этот метод называется воронением (т.к. оксидные пленки FexOy имеют черный цвет). Можно оксидировать чугун или сталь в горячих концентрированных растворах щелочей, содержащих персульфаты, нитраты или хлораты железа (III).

Защитные свойства оксидных пленок повышаются пропиткой их минеральными маслами.

Фосфатирование – нанесение на защищаемый металл его нерастворимой фосфатной пленки из растворов ортофосфорной кислоты и ортофосфатов марганца Mn2+ или цинка Zn2+ (например, ZnHPO4 в смеси с H3PO4). При этом будет происходить реакция обмена на поверхности металла:

Me2++HPO42- = MeHPO4 , или 3Me2+ + 2PO43- = Me3(PO4)2.

Пористый кристаллический фосфат металла образует поверхностную пленку, хорошо сцепленную с основой. Сами пленки не обеспечивают полной защиты, но служат очень хорошей подложкой для последующего нанесения лаков и красок.

Лакокрасочные покрытия – наиболее распространены и незаменимы. Такое покрытие должно быть сплошным и непористым, газо- и водонепроницаемым, химически стойким, эластичным, обладать высоким сцеплением с материалом, механической прочностью и твердостью. К некоторым покрытиям предъявляются специальные требования: стойкость при повышенных температурах, стойкость против кислот, щелочей, бензина.

Лакокрасочные покрытия делятся на две большие группы: лаки и краски (эмали).

Краски (эмали) представляют собой смесь нерастворимых частиц пигмента (красителя), взвешенных в однородном органическом связующем. Пигменты состоят из оксидов металлов (оксид цинка ZnO, оксид титана TiO2, оксид хрома Cr2O3) или солей металлов (сульфат бария BaSO4, сульфат свинца PbSO4, хромат цинка ZnCrO4). Связующие – это растительные масла: древесное, ореховое, конопляное, соевое, льняное.

Лаки обычно состоят из смеси смолы или высыхающего масла с летучим растворителем. В процессе сушки происходит полимеризация смолы или масла и испарение растворителя. В лаках используются, как правило, синтетические смолы.

5. Метод прямой электрохимической защиты металла основан на торможении анодных и катодных процессов коррозии. Осуществляется присоединением к защищаемой конструкции протектора, т. е. металла с более отрицательным значением электродного потенциала, или путем катодной (катодная защита) или анодной (анодная защита) поляризации за счет извне приложенного тока.

При протекторной защите (рис. 79) к изделию присоединяют металл или сплав, потенциал которого φMe значительно отрицательнее потенциала защищаемого металла, например, железа или стали φFe ( материалом протектора часто служат металлические болванки из алюминия Al, магния Mg, цинка Zn).

В коррозионной среде металлический протектор растворяется, например, Al - 3ē = Al3+ или Zn - 2ē = Zn2+, а на защищаемом изделии выделяется водород: 2H2O + 2ē = H2 + 2OH-.

К атодная защита используется для защиты от коррозии подземных трубопроводов, кабелей. Катодную защиту применяют также к шлюзовым воротам, подводным лодкам, водным резервуарам, буровым платформам, морским трубопроводам и оборудованию химических заводов. Сущность метода заключается в том, что защищаемое изделие подключается к отрицательному полюсу внешнего источника тока (постоянного), т.е. оно становится катодом, а анодом служит вспомогательный, обычно стальной электрод.

Рис.79. Схема протекторной защиты трубопровода магнием в морской воде: 1-Mg протектор, 2-соединительный привод, 3-трубопровод, 4-морская вода.

Протектор (анод): Mg-2ē=Mg2+ Труба (катод): 2H2O+2ē=H2+2OH-

Вспомогательный электрод растворяется по схеме Me – nē → Men+, а на защищаемом сооружении (катоде) идет водородная поляризация:

2H2O + 2ē = H2 + 2OH-.

Анодная защита обеспечивает при подаче на защищаемую поверхность анодного тока образование пассивной пленки.

Например: 2Cr + 2H2O - 6ē = Cr2O3 + 6H+.

Этот метод применим лишь к металлам и сплавам, способным легко пассивироваться, что обеспечивает смещение потенциала металла в положительную сторону (Ni, Cr, Ti, Zr и др.). Например, анодную защиту применяют для пассивации поверхности стальных баллонов, используемых для перевозки H2SO4.

Примерные варианты экзаменационных заданий.

Химический эквивалент. Закон Эквивалентов.

  1. Вычислить эквивалентную массу металла, если 0,1 г его вытесняет из кислоты 124,4 мл (н.у.) водорода.

2. При нагревании 20,06 г металла было получено 21,66 г оксида.

Определите молярную массу эквивалента металла.

3. у какого из соединений молярная масса эквивалента наибольшая:

в)Cd(OH)2 г)NaCl

Химическая связь

  1. Определите тип химической связи в следующих соединениях, изобразите электронное строение молекул:

5. Определите тип гибридизации и геометрическую форму молекулы, по­кажите схему образования этой молекулы BF3

Виды концентраций растворов.

  1. Вычислите массовый процент раствора КОН ,полученного раство­рением 60 г в 400 г воды.

а)H3PO4 б)NiSO4

КВr ; HBr ; Br2

  1. .РассчитаЙте, сколько граммов CoS04 необходимо взять для приго­товления 0,2 л 0,1 м раствора.

  2. Определите молярность раствора, содержащего 84 г КОН в двух литрах раствора

Основы термодинамики

9. Укажите знак изменения энтропии в реакции:

ВаСОз(т) → ВаО(т)+СО2(г) и подтвердите расчетом.

10.Вычислите

эндо-термическая эта реакция.

11.Возможна ли данная реакция при стандартных условиях:

СО(г)+2Н2(г)=СНзОН(ж)

Рассчитайте ∆G° х.р.

Электролиз

12.Записать схему электролиза расплава и раствора хлорида натрия.

13.Записать схему электролиза раствора нитрата олова(lI) с оловянным и графитовым анодами.

14.Записать схему электролиза раствора нитрата серебра а) анод серебряный, б) анод угольный.