Электрохимические методы защиты поверхности металла
Электрохимические методы защиты применяются в тех случаях, когда защищаемая конструкция находится в среде электролита (грунтовые, подземные воды, морская вода и т.д.).
Защитное действие заключается в том, что создаются условия, когда в образовавшемся микрогальваническом элементе защищаемая металлическая конструкция в условиях эксплуатации становится катодом, на котором протекает процесс восстановления.
Протекторная защита заключается в том, что защищаемую конструкцию соединяют с протектором – более активным металлом, чем металл защищаемой конструкции. В качестве протектора при защите стальных конструкций обычно используют магний, алюминий, цинк и их сплавы. По мере разрушения протектора его заменяют новым.
Fe
Mg
Электрохимическая схема возникшего микрогальванического элемента в нейтральной среде в присутствии растворенного кислорода
( А ) Mg / O2+H2O / Fe ( К )
А 2 Mg – 2e = Mg2+ окисление
К 1 O2 + 2H2O + 4e = 4OH- восстановление
2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg2+ + 4OH-
или в молекулярном виде
2Mg + O 2 + 2H2O = 2Mg(OH)2.
Электрозащита (катодная защита) заключается в том, что защищаемую конструкцию подключают к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, а вспомогательный (стальной) электрод, расположенный рядом с защищаемой конструкцией, подключают к положительному полюсу.
(-)
(+)
Катод Fe Fe Анод
Защищаемая Вспомогательный
конструкция электрод
Электрохимическая схема возникшего гальванического элемента в воде
( А ) Fe / H2O / Fe ( К )
А 1 Fe – 2e = Fe 2+ окисление
К 1 2H2O + 2e = H2 +2OH- восстановление
Fe + 2H2O = Fe2+ + H2 +2OH-
или в молекулярном виде
Fe + 2H2O = Fe (OH)2 + H2
.
В этом случае вспомогательный электрод разрушается и его периодически заменяют, а восстановление идет на защищаемой конструкции.
V. Примеры выполнения заданий
Пример 1. Хром находится в контакте с медью. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если металлы попадут в кислую среду. Написать уравнение процесса. Составить схему образующегося гальванического элемента.
Решение. При электрохимической коррозии конструкции, содержащей хром – медь, в кислой среде образуется микрогальванический гальванический элемент
e0Cr/Cr3+ = –0,74В, e0Cu/Cu2+ = +0,34В.
( А ) Cr / H+ / Cu ( К )
Хром, как более активный металл (более низкое значение электродного потенциала окисления), в образовавшемся микрогальваническом элементе окисляется (анод). Электроны переходят на менее активный металл – медь (катод), где происходит водородная деполяризация.
А 2 Cr – 3e = Cr3+ окисление
К 3 2H+ + 2e = H2 восстановление
2Cr + 6H+ = 2Cr3+ + 3H2.
В данной конструкции будет подвергаться коррозии хром.
Пример 2. Подобрать металл для анодной защиты поверхности металла железа в среде «влажный воздух». Написать уравнение электрохимической коррозии при нарушении целостности защитного покрытия.
Решение. К анодным защитным металлическим покрытиям относят металлы, которые являются более активными металлами, чем защищаемый металл. Такие металлы имеют более низкое значение электродного потенциала окисления, чем защищаемый металл. Для железа анодными покрытиями могут быть металлы – цинк, алюминий, магний, титан.
Как правило, выбираются металлы, которые подвергаются процессу пассивации. Выбираем металл магний.
e0Mg/Mg2+ = –2,37В, e0Fe/Fe2+ = –0,44В.
При нарушении защитного покрытия в среде «влажный воздух» возникает микрогальванический элемент, в котором магний является анодом, а железо – катодом.
Электрохимическая схема возникшего гальванического элемента
( А ) Mg / O2+H2O / Fe ( К )
А 2 Mg – 2e = Mg 2+ окисление
К 1 O2 + 2H2O + 4e = 4OH- восстановление
2 Mg + O2 + 2H2O = 2 Mg 2+ + 4OH-
или в молекулярном виде
2 Mg + O 2 + 2H2O = 2 Mg (OH)2 .
При нарушении анодного защитного покрытия защищаемая железная конструкция не разрушается в результате электрохимической коррозии. Коррозия протекает защитного покрытия.
Пример 3. Подобрать металл для катодной защиты поверхности металла железа в нейтральной среде. Написать уравнение электрохимической коррозии при нарушении целостности защитного покрытия.
Решение. К катодным защитным металлическим покрытиям относят металлы, которые являются менее активными металлами, чем защищаемый металл. Такие металлы имеют более высокое значение электродного потенциала окисления, чем защищаемый металл. Для железа катодными покрытиями могут быть металлы – медь, серебро, олово, никель.
Выбираем металл никель.
e0Ni/Ni2+ = –0,25В, e0Fe/Fe2+ = –0,44В.
При нарушении защитного покрытия в нейтральной среде в которой растворен кислород возникает микрогальванический элемент, в котором железо является анодом, а никель – катодом.
Электрохимическая схема возникшего гальванического элемента
( А ) Fe / O2+H2O / Ni ( К )
А 2 Fe – 2e = Fe2+ окисление
К 1 O2 + 2H2O + 4e = 4ОН- восстановление
2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe2+ + 4OH-
или в молекулярном виде:
2Fe + O 2 + 2H2O = 2Fe(OH)2 .
При нарушении катодного защитного покрытия защищаемая конструкция разрушается значительно быстрее в результате электрохимической коррозии.
Таблица
Стандартные электродные потенциалы металлов
-
Электрод
е0В
Электрод
е0В
Li / Li+
-3,045
Fe / Fe 2+
-0,440
Rb / Rb+
-2,925
H2 / H2О
-0,410
K / K+
-2,924
Cd / Cd 2+
-0,403
Cs / Cs+
-2,923
Co / Co 2+
-0,277
Ba / Ba 2+
-2,900
Ni / Ni 2+
-0,250
Ca / Ca 2+
-2,870
Sn / Sn 2+
-0,136
Na / Na+
-2,714
Pb / Pb 2+
-0,127
Mg / Mg 2+
-2,370
H2 / 2H+
0,00
Be / Be 2+
-1,850
Bi / Bi 3+
+0,215
AI / AI 3+
-1,660
Cu / Cu2+
+0,340
Ti / Ti 2+
-1,603
Ag / Ag+
+0,80
Mn / Mn 2+
-1,180
Hg / Hg 2+
+0,85
Zn / Zn 2+
-0,763
Pt / Pt 2+
+1,19
Cr / Cr 3+
-0,740
Au / Au 3+
+1,50
Методические указания по дисциплине «Химия» к лабораторным занятиям по теме « Металлы. Коррозия металлов. Раздел Электрохимическая коррозия металлов» для студентов специальностей 130503 «Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазопроводов и нефтегазохранилищ» (НТХ/СТХ), 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» дневной формы обучения
Составитель: канд. хим. наук, доцент Обухов В.М.
Подписано к печати Бумага писч. № 1
Заказ № Уч. изд. л.
Формат 60/90/ 1/16. Усл. печ. л.
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 100 экз.
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственное образовательное учреждение профессионального высшего образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»