Разрушитель, часть 2

Предыдущий эпизод закончился экспериментом, в котором вы исследовали факторы, влияющие на скорость электрохимической коррозии. Результаты эксперимента пришлось объяснить как «домашнее задание». Вы уже знаете …

… Что влияет на скорость коррозии?

В пробирки вкладывали гвозди и наливали в них: воду дистиллированную (пробирка №1), 3%-ные солевые растворы (2), едкий натр (3) и уксусную кислоту (4). Последние две пробирки также содержали 3%-й физиологический раствор, но гвозди были прикреплены к цинковой пластине (5) или к медной проволоке (6) [1]. Интерпретация результатов эксперимента ниже.

1. W дистиллированная вода отсутствуют ионы-носители заряда, препятствующие протеканию реакции, отсюда лишь небольшое количество осадка соединений железа.
2. Большое количество ионов в результате диссоциации хлорид натрия увеличивает проводимость раствора и ускоряет реакции (хлориды являются сильными коррозионными агентами). Поэтому уже не стоит удивляться плачевному состоянию кузовов автомобилей после зимы.
3. Джони О.Х.^—По правилу от противного они тормозят катодные реакции (см. предыдущий раздел), в результате чего замедляется износ стали.
4. Джони Х.⁺ они действуют наоборот и ускоряют катодные реакции, связывая гидроксид-ионы (образуются молекулы воды). Образовавшийся ацетат железа (II) хорошо растворим в воде и не окрашивает раствор. Осаждение осадка Fe(OH)₂ подтвердил присутствие ионов Fe²⁺.
5. Цинк в соединении с железом образует гальванический элемент, в котором (как более активный металл) он является анодом, а железо — катодом, на котором восстанавливаются вода и кислород. Такое расположение предотвращает коррозию стали. Белый осадок на дне представляет собой гидроксид цинка Zn(OH).₂.
6. Медь в сочетании с железом также образует гальванический элемент. Однако (как более благородный металл) он берет на себя роль катода, а железо — анода, что значительно ускоряет коррозию стали.

Вероятно, вы пришли к аналогичным выводам. Эксперимент, хотя и очень простой, «дает пищу для размышлений». Как же можно предотвратить коррозию по результатам проведенных испытаний?

1. Результат опыта из предыдущего эпизода

Химия наносит ответный удар

Металлическая защита против коррозии является серьезной экономической проблемой. Помимо применения коррозионно-стойких материалов (пластмассы, нержавеющая сталь, труднокоррозионные металлы), там, где это возможно по технологическим и экономическим соображениям, применяют множество профилактических методов.

Самый простой и старый способ покраска поверхности стали, т.е. изоляция от воздействий окружающей среды. Однако такая защита эффективна до тех пор, пока покрытие остается воздухонепроницаемым и нанесено на правильно подготовленную подложку. Неосторожность приводит к быстрой коррозии грунтовки, проявляющейся образованием пузырей на поверхности краски. [2] Доступны краски, которые связывают продукты ржавчины в прочное, хорошо прилипающее покрытие. В их случае достаточно удалить отслоившиеся продукты коррозии, отмыть поверхность и можно красить.

2. Вздутия в верхней части колесной арки указывают на прогрессирующую коррозию подповерхностного покрытия, ржавчина, видимая ниже, является следствием разбрызгивания соли на дороги.

Более новый (XNUMX век) метод — нанесение покрытий из других металлов — электролитически или погружением в расплавленный металл. Защитные покрытия из более активных, чем железо, металлов (цинка, хрома) эффективны даже в случае повреждения: они выполняют роль анода в коррозионной ячейке и сами уничтожаются (испытание в сосуде № 5). Большим преимуществом цинковых и хромовых покрытий является то, что они покрывают себя плотными оксидными слоями, что значительно продлевает срок службы защищаемого стального объекта. Металлы, менее активные, чем железо, например, медь, никель или олово, обладают другими свойствами. Их покрытия выполняют поставленную задачу до тех пор, пока не будут механически повреждены. В этом случае они значительно ускоряют коррозию железа, которое становится анодом электролизера (сравните результат испытания в сосуде № 6).

3. Ингибиторы коррозии (описание в тексте)

Помните, что различные металлы, соединенные вместе, всегда образуют гальванический элемент. Более активный из них становится анодом и разрушается. Это и.а. причина, по которой медные трубы системы центрального отопления не подключены напрямую к алюминиевый корпус радиатора. Оцинкованные стальные листы можно резать «безнаказанно», оставляя поверхность стали открытой, в то время как поцарапанная луженая поверхность луженой жести может за короткое время подвергнуться коррозии насквозь. Для стальных листов, подвергающихся воздействию влаги, применяют оцинкованные саморезы, так как никелированные или омедненные крепежные детали быстро сами выпадут из проржавевших отверстий.

По опыту прошлого месяца щелочной раствор тормозил течение коррозии (судно №3). В случае закрытых конструкций, заполненных водой (паровые котлы, отопительные установки), применяют вещества, замедляющие процессы разрушения, т. е. ингибиторы коррозии. Это как неорганические (например, фосфаты), так и органические соединения (например, уротропин). Наполните три пробирки водопроводной водой. Первый образец является контрольным. Ко второму добавить несколько кристаллов нитрата натрия (III) NaNO₂, к третьему — калия хромат (VI) К.₂CrO₄. Вставьте гвоздь в каждую пробирку и оставьте на 48 часов. По истечении этого времени вы заметите признаки коррозии только в первом сосуде [3]. Вещества в остальных пробирках являются окислителями, и их действие заключается в создании плотного оксидного покрытия на поверхности стали — это магнетит Fe.₃O₄что не отсоединяется.

Проблемы большого размера

Что делать с крупногабаритными конструкциями? это трудно покрыть металлическое покрытие например, корпус корабля. В этом случае применяется жертвенная защита. К элементу, подвергающемуся разрушению, прикрепляют блок из металла более активного, чем железо (сплавы алюминия, магния и цинка), который выполняет роль анода коррозионной ячейки. Протекторы (так называемые расходуемые аноды) изнашиваются и должны время от времени заменяться новыми, но их состав подобран таким образом, чтобы они подвергались коррозии как можно медленнее.

Еще один способ защиты крупных объектов — сочетание стальной конструкции с отрицательный полюс источника постоянного тока (достаточно 1-2В). Положительный полюс источника чаще всего соединяют с графитовой пластиной, расположенной рядом с защищаемым элементом. Таким образом, защищаются большие конструкции, заглубленные в землю, например, трубопроводы.

Последние два метода проверьте экспериментально. В горшок с грунтом вставьте гвоздь (в нем может даже расти растение, попытка сделать это ему не повредит), а на расстоянии — гвоздь, соединенный проволокой с цинковой пластиной. Места подключения кабеля должны находиться над поверхностью [4]. Во второй горшок положите гвоздь и такой же гвоздь подключите к отрицательному полюсу батарейки 1,5В. Подсоедините положительный полюс к графитовому стержню, извлеченному из использованной ячейки Лекланша. (графит также помещен в землю, соединения проводов выступают над его поверхностью) [5]. Полейте почву в горшках и подождите несколько дней. После снятия вы увидите эффективность обоих видов защиты: коррозия вгрызлась в «одинокие» гвозди, а сталь, приклеенная к цинку или отрицательному полюсу аккумулятора, осталась нетронутой.

4. Жертвенная защита — стальной гвоздь, соединенный с цинковой пластиной.

5. Стальной гвоздь, подключенный к минусу источника напряжения, защищен от коррозии

Во втором случае обратное соединение («плюс» с гвоздем) приведет к плачевным последствиям — коррозия стали будет проходить ускоренными темпами. Поэтому будьте осторожны при подключении аккумуляторных проводов к установке автомобиля. Один из полюсов должен быть «массовым», то есть соединенным с кузовом автомобиля. Объединив его с «минусом» аккумулятора, вы в некоторой степени уменьшите коррозию стальных листов.

Цвета коррозии

Ржавчина на стали коричнево-красная, но при использовании специальной смеси вы будете наблюдать эффекты коррозии и в других цветах, просто сделайте ферроксильный реагент. Для его приготовления вам понадобится:

1. раствор гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe (CN)₆] (феррицианид калия, образует красные кристаллы) в концентрации 1%. В присутствии ионов Fe²⁺ получается темно-синий цвет, называемый тернбулловской (прусской) лазурью.
2. спиртовой раствор фенолфталеина в концентрации 1%. В щелочной среде индикатор окрашивается от розового до малинового.
3. 3% раствор хлорида натрия, создающий агрессивную среду.

Перед началом теста смешайте по 1 см³ растворов 1 и 2, а затем долить раствором 3 до объема 100 см³. Непосредственно перед выполнением опыта добавляют 5 г пищевого желатина, а затем, помешивая, нагревают раствор до 50-70°С. После растворения желатина вы выливаете смесь в чашку Петри (или блюдце большего размера). Когда начинается гелеобразование, вы погружаете тестовый объект в раствор.

Оберните первый гвоздь медной проволокой, а второй гвоздь соедините с цинковой пластиной. Погрузите оба набора в реагент фероксида. Признаки коррозии проявляются в виде цветных пятен. В случае гвоздя, соединенного с медной проволокой, возле меди появится розовый цвет (катод элемента, в его окружении раствор подщелачивается), а в остальных — синий (ионы железа из поврежденной стали реагируют с феррицианидом). [6].

Во второй серии вдали от цинковой пластины появляются розовые пятна, а вокруг нее раствор мутнеет (выпадает осадок соли цинка). Желатин уменьшает миграцию ионов, благодаря чему легче наблюдать, в каких областях происходят отдельные процессы. Эксперимент подтвердил результаты эксперимента прошлого месяца: стальной гвоздь, соединенный с медью, интенсивно корродирует, а цинк защищает его от повреждений.

6. Стальные гвозди, связанные медью и цинком в ферроксильном реагенте.

7. Ускоренная коррозия происходит в местах механической обработки (изгиб лезвия и гвоздя)

Для следующей попытки используйте обработанный гвоздь: поцарапанный или согнутый, затем выпрямленный. На этот раз в зонах обработки видны окрашенные в синий цвет анодные области (области, где происходит коррозия) [7]. Такое поведение стали приводит к тому, что изгибы и соединения должны быть особенно тщательно защищены от коррозии. Вас также не удивит ускоренная коррозия «скрученных» частей кузова автомобиля.

Нанесите большую пластину на очищенную и обезжиренную поверхность стальной пластины. капля ферроксильного реагента (на этот раз без добавления желатина). Через некоторое время наружные части капель станут розовыми, а средние — сине-зелеными [8].

8. Коррозия в капле (начало процесса вверху, внизу — вид через несколько дней)

Катодные области располагаются там, где легко доступен кислород (периферия капли). С другой стороны, анодные области, где мало кислорода. Это кажущийся парадокс, но когда вы посмотрите на уравнение К1 из прошлого месяца, вы заметите, что субстратом в нем является кислород, и его избыток ускорит этот процесс. Результат теста также объясняет «злокачественность» коррозии, которая особенно легко поражает труднодоступные места, где может скапливаться влага. Это включает в себя Причина заедания резьбы.

К защите стали мы вернемся осенью, а на летних каникулах вы познаете тайны периодической таблицы элементов.

Смотрите также: