Коррозия металла
Последствия электрохимической коррозии.
Название процессов, вызывающих разрушение материалов, произошло от слова (лат. «поедание»). В сегодняшнем выпуске речь пойдет о коррозии металлов и о том, как предотвратить это неблагоприятное явление. Процесс вызывается различными факторами, но наибольший экономический ущерб приносит его электрохимическая разновидность, разрушающая сплавы железа. По этой причине обсуждение процессов коррозии является неотъемлемой частью каждого учебника по электрохимии? эта тема не может не присутствовать в нашей серии встреч.
Механизм электрохимической коррозии
Чистое железо, которое относительно медленно подвергается коррозии, не используется в качестве строительного материала. А сплавы железа? разные марки стали и чугуна? они содержат добавку углерода в виде графита, без которого у них не было бы многих полезных свойств. Кристаллы графита и Fe цементита3Однако C и железо образуют ячейки с закороченными электродами. При наличии электролита (воды с растворенными газами и солями), замыкающего цепь, начинают протекать неблагоприятные процессы. Анодом в полученной системе является железо, которое окисляется до двух положительных катионов:
(-)Фе0 ? Fe2+ + 2e—
На графитовом катоде происходит восстановление растворенного в воде кислорода:
(+) O2 + 2H2О + 4е— ? 4ОН—
Сложив уравнения обоих процессов по сторонам (анод умножаем на два, чтобы сбалансировать количество электронов), получим уравнение электрохимической реакции коррозии сплавов железа (вспоминая, что катионы Fe2+ вместе с анионами ОН? образуют осадок гидроксида железа (II) ? труднорастворимое соединение в воде):
2Fe + О2 + 2H2О? 2Fe(ОН)2
Уравнение реакции такое же, как и при химической коррозии. Изменения, происходящие в клетках, идентичны тем, которые происходят в пробирке? отличие заключается в пространственном разделении реакций окисления и восстановления при электрохимических процессах. Следующие этапы разрушения стальной конструкции носят чисто химический характер и приводят к образованию ржавчины? коричневая смесь гидратированных оксидов, гидроксидов и карбонатов железа.
Скорость электрохимической коррозии
Подготовим шесть пробирок, шесть обычных стальных гвоздей, медную проволоку и кусок цинковой пластины (металлические поверхности тщательно очистим и обезжирим). В пробирки положить гвозди и затем залить (так, чтобы часть гвоздя выступала над поверхностью жидкости):
Пробирка 1? дистиллированная вода (можно растопить иней из морозилки).
Пробирка 2? примерно 3% раствор хлорида натрия NaCl (поваренная соль; хлориды являются сильными коррозионными агентами).
Пробирка 3? примерно 3% раствор гидроксида натрия NaOH (можно использовать очиститель типа «Крот»).
Пробирка 4? около 3% раствор уксусной кислоты CH3СООН (разбавленный пищевой уксус).
Пробирка 5? около 3% раствором хлорида натрия NaCl, гвоздь соединен с цинковой пластиной.
Пробирка 6? примерно 3% раствор поваренной соли NaCl, гвоздь, оплетенный медной проволокой.
Пробирки следует поместить в штатив и запастись терпением. Через 24-48 часов мы можем подвести итог нашим наблюдениям:
Пробирка 1? светло-желтая окраска раствора, небольшой осадок на дне пробирки.
Пробирка 2? желто-коричневый раствор, коричневый осадок на дне.
Пробирка 3? никаких признаков коррозии.
Пробирка 4? ноготь явно «обкусан», раствор почти бесцветный, осадка нет.
Пробирка 5? следов коррозии ногтей нет, на дне какой-то белый осадок.
Пробирка 6? желто-коричневый раствор, на дне большое количество коричневого осадка.
Как объяснить эти явления?
Пробирка 1? В дистиллированной воде мало ионов, несущих заряд, поэтому реакция идет медленно.
Пробирка 2? большое количество ионов, образующихся при диссоциации хлорида натрия, увеличивает электропроводность раствора и ускоряет реакцию. Поэтому не стоит удивляться плачевному состоянию кузовов автомобилей после зимы?
Пробирка 3? довольно высокая концентрация ионов ОН? тормозит реакцию, протекающую на катоде, в результате чего деструкция железа не происходит в заметной степени.
Пробирка 4? ионы H+ действуют наоборот, ускоряя катодную реакцию за счет связывания ионов ОН? (образуются молекулы воды). Образовавшийся ацетат железа (II) хорошо растворим в воде и практически не окрашивает раствор.
Пробирка 5? цинк в соединении с железом образует гальванический элемент, в котором (как металл более активный, чем железо) является анодом, а железо? катод. Такое расположение электродов ячейки предотвращает коррозию стали. Белый осадок представляет собой гидроксид цинка Zn(OH).2.
Пробирка 6? также медь в сочетании с железом образует гальванический элемент. Однако (как металл более благородный, чем железо) он берет на себя роль катода, а железо? аноды. Такое расположение электродов значительно ускоряет коррозию стали.
Предотвращение коррозии
Защита от коррозии является серьезной экономической проблемой. Знание механизма электрохимической коррозии и факторов, влияющих на скорость этого процесса, позволяет применять профилактические меры. Помимо использования коррозионно-стойких материалов (пластик, нержавеющая сталь, труднокоррозионные металлы)? где это оправдано по технологическим и экономическим причинам? методы, представленные ниже, используются наиболее часто.
1. Изоляция стальных поверхностей от факторов внешней среды неметаллическими защитными покрытиями? краски, лаки, эмали. Защита эффективна при сохранении герметичности покрытия. При повреждении быстро возникает подлаковая коррозия, проявляющаяся образованием пузырей на поверхности краски.
2. Металлические защитные покрытия, наносимые электролитическим способом или погружением в жидкий металл. Защитные покрытия металлов, стоящих в ряду напряжений, от железа (цинка, хрома) эффективны даже при повреждении? действовать как анод в компактной ячейке. Вот они и уничтожаются, защищая стальной объект. С другой стороны, слои металлов, менее активных, чем железо (медь, никель, олово), выполняют свою функцию только в неповрежденном виде? в противном случае они сильно ускоряют коррозию стали.
Различные металлы, соединенные друг с другом, образуют ячейки с компактными электродами. Более активный всегда является анодом и он разрушается в агрессивной среде, защищая менее активный? катод. Это и.а. причина, по которой медные трубы системы отопления не подключаются напрямую к алюминиевому корпусу радиатора. Также оправдано использование стальных оцинкованных листов для кровли или изготовления водосточных желобов и подоконников. Не нужно заботиться о том, чтобы не повредить металлические листы? их можно резать, оставляя оголенной поверхность стали (цинк покрыт труднорастворимыми продуктами коррозии и его разрушение идет медленно). С другой стороны, поцарапанная поверхность пищевой банки, покрытой оловом, за короткое время проржавеет через отверстие. Стальные листы, подверженные воздействию влаги, также соединяют оцинкованными шурупами, поскольку никелированные или омедненные крепежные детали быстро сами выпадут из проржавевшего отверстия.
3. Когда нет возможности покрыть металлическим покрытием всю поверхность конструкции, применяют протекторную защиту. К детали, подвергающейся разрушению (например, к корпусу корабля), прикрепляют блок металла более активного, чем железо (обычно сплав Al-Mg-Zn), составляющий анод компактной ячейки. Конечно, защитные элементы подвержены износу и должны время от времени заменяться (их называют «жертвенными анодами»).
4. И в случае цинкового покрытия, и в случае жертвенной защиты железо является катодом, к которому доставляются электроны. Таким образом, была создана идея катодной защиты, заключающаяся в подключении к стальной конструкции отрицательного полюса источника напряжения величиной 1-2 В. Положительный полюс источника чаще всего соединяется с графитовой пластиной, расположенной вблизи защищаемый элемент. Этот метод защищает большие конструкции, заглубленные в землю, например, трубопроводы.
5. В проведенном эксперименте течение коррозии тормозили щелочным раствором. В случае закрытых конструкций, заполненных водой (паровые котлы, отопительно-охлаждающие установки), применяют вещества, замедляющие процессы износа (ингибиторы коррозии). Проведем эксперимент, который подтвердит их действие. Наполните три пробирки водопроводной водой. К одному из них добавляем несколько кристаллов нитрата натрия (III) NaNO2до двух? хромат калия (VI) K2CrO4а третью оставляем без изменений. Вставляем в пробирки стальные гвозди и ждем результата (эксперименты требуют терпения!). Признаки коррозии можно обнаружить только в пробирке без добавления соли.
В статье представлены?Темные? стороны гальванических элементов. Коррозия вызывает огромные потери в мировом масштабе? по оценкам, ежегодно уничтожается 20-30% производимой стали. Что еще хуже, причины электрохимической коррозии не могут быть устранены? причинами являются низкое значение стандартного потенциала железа и состав стали. Однако знание механизма процесса и факторов, влияющих на него, позволяет противодействовать этому явлению. Надеюсь, что благодаря проведенным экспериментам проблемы защиты от коррозии будут знакомы Читателям. В следующем месяце давайте отвлечемся от клеток и займемся электролизом.
Химическая коррозия происходит под влиянием химических веществ (на практике чаще всего атмосферных факторов). Текущие реакции не сопровождаются протеканием тока. В случае железа первой стадией разрушения является реакция с водой и кислородом:
2Fe + О2 + 2H2О? 2Fe(ОН)2
Гидроксид железа (II) легко окисляется до гидроксида железа (III):
2Fe (ОН)2 + О2 ? 2Fe (ОН)3
В последующих реакциях образуется смесь гидроксидов, гидратированных оксидов и карбонатов этого металла, т.е. ржавчина.
Однако не только сплавы железа подвержены химической коррозии. Практически все металлы покрыты покрытиями из оксидов и других соединений. Примеры:
— зеленоватый патина (гидратированные оксиды и карбонаты) на поверхности меди и ее сплавов, часто производимых в декоративных целях;
— темный сульфид серебра Ag2S на поверхности предметов из этого металла;
— плотные оксидные покрытия на поверхности алюминия и хрома (иногда специально изготавливаемые), предохраняющие более глубокие слои от дальнейшего повреждения (ржавчина на сплавах железа расслаивается и не защищает покрытый предмет); явление образования химически стойких оксидных покрытий пассивация.
Электрохимическая коррозия происходит с участием гальванических элементов, образующихся на поверхности металла. Однако реакции такие же, как и при химической коррозии. В отличие от медленной химической коррозии электрохимическая коррозия протекает быстро.
электронное приложение
Коррозия представляет собой серьезную экономическую проблему. Подсчитано, что ежегодно уничтожается до трети производимой в мире стали. В случае сплавов железа коррозия в основном протекает по электрохимическому механизму. Сталь и чугун содержат необходимую добавку углерода (в виде графита), определяющую механическую прочность сплавов. Кристаллы графита и Fe цементита3C и железо образуют гальванические элементы. Неблагоприятные коррозионные процессы начинают протекать в присутствии раствора электролита (например, воды с растворенными газами и солями). Анодом в полученной системе является железо, которое окисляется следующим образом:
(—) Анода: Fe0 ? Fe2+ + 2e—
На графитовом катоде происходит восстановление растворенного в воде кислорода:
(+) Катода: О2 + 2H2О + 4е— ? 4ОН—
После балансировки и сложения уравнений электродных процессов сторонами получаем запись протекания электрохимической коррозии сплавов железа (катионы Fe2+ образуют с анионами ОН— осадок труднорастворимого гидроксида железа (II):
2Fe + О2 + 2H2O ? 2Fe (ОН)2
Полученное соединение затем окисляется до связей железа (III) с коричневой окраской, т.е. ржавчиной.
Электрохимическая коррозия
Шесть пробирок, шесть стальных гвоздей, медная проволока и кусок цинковой пластины понадобятся для проведения эксперимента, который позволит исследовать влияние различных факторов на скорость электрохимической коррозии. Перед экспериментом тщательно очищаем и обезжириваем металлическую поверхность (фото 1). Разлить по пробиркам:
Пробирка 1? дистиллированная вода.
Пробирки 2, 5 и 6? примерно 3% раствор хлорида натрия NaCl.
Пробирка 3? примерно 3% раствор гидроксида натрия NaOH.
Пробирка 4? около 3% раствор уксусной кислоты CH3COOH.
Затем вставляем гвозди так, чтобы часть выступала над поверхностью жидкости. В случае пробирок 5 и 6 гвозди дополнительно соединяют цинковой пластиной или медной проволокой (фото 2). Через 24 (фото 3) и 48 часов (фото 4) отчетливо видны изменения, происходящие в отдельных пробирках:
Пробирка 1 (фото 5)? желтоватый цвет раствора, небольшой осадок на дне пробирки. Коррозия в чистой воде происходит медленно из-за небольшого количества ионов, несущих заряд.
Пробирка 2 (фото 6)? желто-коричневый раствор, на дне более бурый осадок. Ионы, образующиеся при диссоциации хлорида натрия, повышают электропроводность раствора и значительно ускоряют течение коррозии.
Пробирка 3 (фото 7)? никаких признаков коррозии. Ионы гидроксила, возникающие при диссоциации NaOH, тормозят катодную реакцию, в результате чего растворения железа в заметной степени не происходит.
Пробирка 4 (фото 8)? над поверхностью раствора гвоздь явно изъеденный, при этом раствор почти бесцветный. Нет осадка. Ионы водорода действуют противоположно гидроксид-ионам, ускоряя катодную реакцию. Образовавшийся ацетат железа (II) хорошо растворим в воде и не окрашивает раствор.
Пробирка 5 (фото 9)? следов коррозии ногтей нет, на дне небольшое количество белого осадка. В соединении с железом цинк образует гальванический элемент, в котором (как более активный металл) является анодом, а железо? катод. Такое расположение электродов предотвращает коррозию стали. Белый осадок представляет собой гидроксид цинка Zn(OH).2.
Пробирка 6 (фото 10)? желто-коричневый раствор, на дне большое количество коричневого и зеленого осадка. Медь в сочетании с железом также образует гальванический элемент. Как металл менее активный, чем железо, является ли он катодом, а железо? анод. Полученная система электродов значительно ускоряет коррозию стали.
Ингибиторы коррозии
Для защиты стальных конструкций от коррозии применяют различные виды защиты. В закрытых конструкциях, заполненных водой (например, в отопительных установках), используются ли вещества для замедления процессов износа? ингибиторы коррозии. В следующем эксперименте мы подтвердим их эффективность.
Ингибиторы электрохимической коррозии
Вам понадобятся три пробирки, наполненные водой. Первым из них станет так называемый контрольный образец, во второй добавить немного нитрата натрия (III) NaNO2а к третьему? хромат калия (VI) K2CrO4 (растворы должны иметь концентрацию около 1%). Также подготавливаем три стальных гвоздя, тщательно очистив их поверхность от налета и обезжирив, погрузив в ацетон или другой органический растворитель (фото 11). Ставим гвозди в пробирки (фото 12) и терпеливо ждем результата эксперимента. Наблюдения, сделанные через 24 (фото 13) и 48 часов (фото 14), показывают, что коррозия возникает только в первой пробирке, заполненной водой без добавления используемых солей. Таким образом, мы подтвердили защитный эффект растворов нитрата натрия (III) с NaNO.2 и хромат калия (VI) К.2CrO4 на стальных предметах, подверженных воздействию агрессивных факторов.
На фото 15, 16 и 17 показано содержимое отдельных пробирок.
