Лабораторна робота № 3 Корозія металів

Ціль : з’ясувати умови корозії, закріпити вміння написання рівнянь хімічних реакцій на катодній ділянці в залежності від середовища при корозії, написання якісної реакції на іон заліза(+2), закріпити теоретичні знання про комплексні сполуки.

Обладнання та реактиви : 5 пробірок, 5 гвіздків, наждачний папір, фарфорова чашка, по одному зразку оцинкованого і лудженого заліза, універсальний індикаторний папір, розчини: - хлорид натрію, їдкого натрію, сульфатної кислоти, червоної кровяної солі, дистильована вода, водопровідна вода.

Прилади : секундомір.

Техніка безпеки : правила роботи з кислотоми та лугами, наливання реактивів, робота зі склом.

Сомодовільне руйнування металів та сплавів (G  0 ) внаслідок хімічної або електрохімічної дії оточуючого середовища, при якому вони витрачають притаманні їм властивості, називається корозією.

Механічне руйнування металічних матеріалів ( стирання, вивітрювання, кришення, і т.п. ) називається ерозією.

Процеси корозії по механізму їх дії поділяються на два типи : хімічні та електрохімічні.

При хімічній корозії відбувається гетерогенна взаємодія металічної поверхні з окислювачем оточуючого середовища. Іноді її називають газовою або високотемперетурною. Уточнюючи тим самим фазовий стан окислювача або температурні умови, про яких йде процес.

В результаті хімічної корозії метал ( сплав ) покривається шаром продуктів свого окислення – частіше всього плівкою оксиду або гідроксиду, яка перешкоджає дифузії окислювача до чистого металу і тим самим уповільнює або припиняє подальшу корозію металу.

Швидкість окислення визначається суцільністю та захисними властивостями поверхневої плівки і залежить від наявності в ній тріщин, утворення яких визначається умовами розтягування або стиснення в процесі росту плівки. Це в свою чергу залежит від співвідношення між об’ємами продуктів корозії V_oк і V_Me металу з якого вони утворилися:

V _ок / V _Ме =    _Ме / n   _ок (3.1)

де   мольна маса оксиду;

 _Ме і  _ок  густина оксиду і металу відповідно;

n  число атомів металу в молекулі оксиду;

V _ок і V_Ме  об’єм оксиду та металу відповідно.

Якщо V _ок  V_Ме  1, то плівка, яка утворюється, не може бути суцільною і захищати метал від корозії ( Na, Ba, Ca). Для металів у яких V _ок  V _Ме  1, процес корозії буде гальмуватися дифузією реагентів через плівку

( Fe,Co,Mn ).

Для ряду металів (Zn,Al,Cr) характерні плівки, які мають високі захисні властивості, високий коефіцієнт суцільності.

Причиною електрохімічної корозії є контакт двох металів і наявність середовища електроліту, в першу чергу води, яка огортає тонкою плівкою, поверхню твердих тіл. При

рН  7 електродний потенціал іонів Н^ ( Н₃О^ ) становить – 0,41 В. Таким чином, вода спроможна окислювати метали, у яких Е⁰ менше цієї величини:

2 Н₂О + 2е  Н₂ + 2 ОН^-

Ме⁰ - n е  Ме ^{n +}

Взагалі при контакті двох металів в присутності електролітичного середовища виникає гальванічний елемент, в якому більш активний метал (анодна ділянка ) окислюється, а менш активний метал ( катодна ділянка ) є сполучною ланкою між анодом та середовищем, на якій відновлюються іони середовища. Основною відміною процесів електрохімічної корозії від процесів в гальванічному елементі є відсутність зовнішнього ланцюга, тобто корозійний елемент представляє собою короткозамкнений елемент. Виникаючий електричний струм тим більшої сили, чим далі стоять один від одного метали в ряду напруги. При цьому потік електронів йде від більш активного металу до менш активного; більш активний метал в цьому випадку руйнується.

Найбільш часто при корозії спостерігається іонізація кисню і відношення іонів водню.

Корозія за участю кисню ( атмосферна ) називається корозія з поглинанням кисню або корозією з кисневою деполяризацією :

Анодний процес Ме⁰ - n е  Меⁿ⁺

Катодний процес О₂ + 2Н₂О + 4е  4 ОН^-

Корозія за участю іонів водню звичайно в кислому середовищі (рН 7) називається корозією зх поглинанням водню або корозією з водневою деполяризацією.

Анодний процес Ме⁰ - n е Меⁿ⁺

Катодний процес 2Н⁺ +2е  2Н₂

Енергія Гіббсу (G) реакції безпосередньо звязана з ЕРС елементу співвідношенням:

G = - n_e F EPC, (3.2)

де n_e- число електронів прицмаючих участь в реакції,

F – число Фарадея.

Корозія метала можлива лише в тому випадку, якщо ЕРС  0, тобто при умові, що потенціал окислювача більш позитивний чим потенціал металу, який є анодом.

При наявності в воді розчиненого кисню потенціал такої системи

( О₂ + 2Н₂О ) може досягати +0,815 В. Корозію метала можна загальмувати зміною потенціалу метала, зниженням концентрації окислювача, ізоляцією поверхні металу та інше. Всі методи захисту умовно поділяються на групи:

- легування металів;

- захисти покриття ( металічні, неметалічні );

- електрохімічний захист;

- зміна властивостей корозійного середовища

ДОСЛІД 1. Корозія заліза в різних середовищах.

Взяти п’ять пробірок і в кожну налити по ¼ її об’єму таких розчинів: в першу – розчин хлорида натрію (рН = 7), в другу – розчин хлориду натрію та дві краплі розчину їдкого натрію (рН = 13), в третю – дистильованої води і дві краплі розчину сульфатної кислоти (рН = 2), в четверту – дистильованої води (рН=5) і в п’яту налити водопровідної води з-під крана (рН=8). У всі пробірки добавити по дві краплі розчину червоної кровяної солі( реактив на іон двохвалентного заліза - K₃[Fe(CN)₆]. Вміст кожної пробірки збовтати і у всі п’ять пробірок занурити по гвіздку, заздалегідь зачищеному наждачним папером. Спостерігати через 2-5 хвилин, в яких пробірках сталося посиніння розчину біля гвіздка і в якій не сталося.

Пояснити, які іони являються інгібіторами (сповільнювачами) і які активаторами корозії заліза. Гвіздки після досліду промити і скласти в фарфорову чашку. Написати рівняння реакції виявлення іону Fe²⁺.

Звіт про роботу оформити у вигляді таблиці.

Номер пробірки	Середовище	рН	Хімічна реакція на катодній ділянці	Спостерігаємі явища
1	Розчин Na Cl	7
2	Р-н NaCl + KOH	11
3	H 2O дист + H 2SO4	2
4	H 2O дист	5-7
5	H 2O водопроводна	8

ДОСЛІД 2. Корозія оцинкованого та лудженого заліза

В дві пробірки налити по 3-4 мл дистильованої води в кожну добавити по 2 краплі розчину K₃[Fe( CN )₆ ] і опустити зразки оцинкованого і лудженого заліза, в яких заздалегідь пошкоджений шар покриття. Спостерігати, які зміни стануться в кожній пробірці через 5 – 10 хвилин

Враховуючи, що швидкість корозії збільшується в кислому середовищі, проробити цей же дослід, заздалегідь підкислив дистильовану воду однією краплею сульфатної кислоти.

На підставі спостережень зробіть висновок про те, яке з покрить(анодне чи катодне) є більш ефективним для захисту заліза від корозії. Напишіть рівняння реакцій на анодній та катодній ділянках для рН  7.

Контрольні запитання :

1. Що розуміють під корозією, ерозією?

2. Які види корозії існують? Поясніть.

3. Що відбувається при хімічної корозії металу?

4. У чому полягає причина електрохімічної корозії?

5. При яких умовах можлива корозія металів?