Мазитов Э.Г._Лабораторная работа №3. Коррозия металлов
 Скачать 47.57 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вятский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ВятГУ») ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ Лабораторная работа № 3 Тема: Коррозия металлов
Киров, 2021 Тема: Определение показателей газовой (атмосферной) коррозии Вопросы: 1. Дайте определение «химической» коррозии металлов. Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Химическая коррозия - это вид коррозионного разрушения металла, связанный с взаимодействием металла и коррозионной среды, при котором одновременно окисляется металл и происходит восстановление коррозионной среды. К химической коррозии относятся: - газовая коррозия - коррозионное разрушение под воздействием газов при высоких температурах; - коррозия в жидкостях - неэлектролитах. 2. Какие факторы влияют на скорость газовой коррозии? Скорость развития газовой коррозии обуславливается рядом показателей, в числе которых: - температура окружающей среды (атмосферы); - компоненты, входящие в металл или состав сплава; - параметры газовой среды; - продолжительность контакта с газовой средой; - свойства коррозионных продуктов. На коррозионный процесс большое влияние оказывают свойства и параметры оксидной пленки, появившейся на металлической поверхности. 3. Какими свойствами обусловлены состояния металлов при повышенных температурах? Повышение температуры в металле приводит к ослаблению межатомных связей, благодаря чему облегчается его пластическое деформирование за счет снижения предела прочности и повышения пластичности, а следовательно, и снижения предела текучести. Металлические материалы, работающие длительное время при высоких температурах, могут деформироваться (например, растягиваться) при постоянной нагрузке и напряжениях, значительно меньших, чем предел текучести материала при комнатной температуре. В этих условиях возникают и развиваются явления ползучести и тепловой хрупкости. Во избежание этого необходимо, чтобы к деталям, работающим в условиях высоких температур, прикладывалась нагрузка, не способная вызвать явлений ползучести и тепловой хрупкости, или, в крайнем случае, нагрузка, при которой деформация детали будет идти с небольшой скоростью. Ползучесть – это медленное нарастание во времени пластической деформации материала при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Ползучесть сопровождается релаксацией напряжений, т. е. постепенным изменением напряжений в теле при постоянной его деформации. 4. Какими двумя свойствами описываются особенности состояния металлов при повышенных температурах? Особенности состояния металлов при повышенных температурах обуславливаются двумя их свойствами — жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочность — это степень устойчивости механических свойств металла при сверхвысоких температурах.Под устойчивостью механических свойств понимается сохранение прочности в течение продолжительного времени и сопротивляемость ползучести. Жаростойкость — это устойчивость металла к коррозионной активности газов в условиях повышенных температур. 5. Запишите уравнение реакции окисления металлов. Металлы в химических реакциях являются восстановителями и способны взаимодействовать с различными веществами – окислителями. Окисление – это реакции, в которых атомы теряют электроны и образуются различные соединения, например оксиды, хлориды, сульфиды и пр. При химическом воздействии газов на металлы и сплавы (при высоких температурах) происходит их окисление. Важнейшими агентами, вызывающими окисление, являются кислород О2, СО, СО2, SО2, Н2S, иногда N2 и другие газы. В результате химического взаимодействия металла с этими газами на его поверхности образуется пленка оксидов. 5.1. Окисление газами (кислородом): 4Al + 3O2 = 2Al2O3 5.2. Окисление водой: Металлы высокой химической активности могут разлагать воду с вытеснением водорода при комнатных температурах: 2K + 2H2O = 2KOH + H2 ↑ 5.3. Окисление кислотами: С кислотами металлы реагируют различно в зависимости от активности самого металла и окислительных свойств кислоты (разбавленная кислота или концентрированная): В разбавленной серной кислоте и в растворах галогеноводородов окислителем является H+, поэтому в них растворяются металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода: Cd + H2SO4 (разб.) = CdSO4 + H2 ↑ Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 ↑ Концентрированная серная кислота является окислителем за счет иона SO42- и может при нагревании окислять металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода. Продукты ее восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла. При взаимодействии с малоактивными металлами кислота восстанавливается до SO2. Hg + 2H2SO4 (конц.) = HgSO4 + SO2 ↑ + 2H2O При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как SO2, так и свободная сера и сероводород. 4Mg + 5H2SO4(конц.) = 4MgSO4 + H2S + 4H2O В этих реакциях часть молекул серной кислоты выполняет роль среды. Азотная кислота является сильнейшим окислителем за счет иона NO3-. Продукты восстановления различны и зависят от концентрации кислоты и активности металла. HNO3 → NO2 → NO → N2O → N2 → NH4NO3 При реакциях с концентрированной азотной кислотой чаще всего выделяется NO2. При взаимодействии разбавленной азотной кислоты с малоактивными металлами выделяется NО. В случае более активных металлов выделяется N2О. Сильно разбавленная азотная кислота взаимодействует с активными металлами с образованием иона аммония, дающего с кислотой нитрат аммония. Ag + 2HNO3 = AgNO3 + NO2 + H2O 5.4. Окисление щелочами: Со щелочами реагируют металлы, дающие амфотерные гидроксиды, а также металлы, обладающие высокими степенями окисления в присутствии сильных окислителей: 2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4]↓ + 3H2 ↑ Be + 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4]↓ + H2 ↑ 2Mo + 4KOH + 3O2 = 2K2MoO4 + 2H2O 6. Какие пути протекания этой реакции возможны (с учетом парциальных давлений кислорода и диссоциации оксида)? Направление химической реакции окисления металлов определяется парциальным давлением кислорода в газовой смеси (р О2) и давлением диссоциации оксида при данной температуре (р МеО). Возможны следующие пути протекания этой химической реакции: А) р О2 = р МеО - реакция находится в равновессии; Б) р О2 > р МеО - реакция сдвинута в сторону образования оксидов; В) р О2 < р МеО – реакция протекает в обратном направлении оксид будет диссоциировать на чистый металл и кислород. Давление диссоциации возрастает с повышением температуры, поэтому, несмотря на то, что повышение температуры ускоряет химические реакции окисления металлов, термодинамическая вероятность этих процессов снижается. 7. Следствием каких процессов является образование защитной пленки на металле? При окислении металлов продукты газовой коррозии в большинстве случаев образуются на поверхности металлов в виде пленки, состоящей преимущественно из оксидов металлов. Пленки, образующиеся при взаимодействии с коррозионной средой, и затрудняющие протекание процесса коррозии называются оксидными (окисными) защитными пленками. Их образование приводит к замедлению процесса окисления и проникновение реагентов металла и окислителя. Образование подобной пленки является следствием: - адсорбции молекул кислорода поверхностью металла, соприкасающейся с атмосферой; - химического взаимодействия металла и газа с образованием химического соединения. В результате такого взаимодействия образуется сначала мономолекулярный, а затем полимолекулярный слой оксидов. 8. Каким требованиям должна удовлетворять защитная пленка на металле? Защитная пленка на металле должна отвечать следующим требованиям: не иметь пор, быть сплошной, хорошо сцепляться с поверхностью, быть химически инертной по отношении к окружающей ее среде, иметь высокую твердость, быть износостойкой. Если пленка рыхлая и пористая, кроме того имеет еще плохое сцепление с поверхностью - она не будет обладать защитными свойствами. Существует условие сплошности, которое формулируется так: молекулярный объем оксидной пленки должен быть больше атомного объема металла. Сплошность - способность окисла покрывать сплошным слоем всю поверхность металла. Если это условие соблюдается, то пленка сплошная и, соответственно, защитная. Но есть металлы, для которых условие сплошности не является показателем. К ним относятся все щелочные, щелочно-земельные (кроме бериллия), даже магний, который важен в техническом плане. Защитную способность пленки могут определять во время ее формирования, по скорости окисления металла и характеру изменения скорости во времени. Если окисел уже сформировался, целесообразно исследовать толщину и защитные его свойства, нанося на поверхность какой-нибудь подходящий для этого случая реагент (например, раствор Cu(NO3)2, который применяется для железа). По времени проникновения реагента к поверхности можно определить толщину пленки. Даже уже образовавшаяся сплошная пленка не прекращает своего взаимодействия с металлом и окислительной средой. 9. От каких факторов зависит скорость процесса газовой коррозии? Скорость развития газовой коррозии обуславливается рядом показателей, в числе которых: - температура окружающей среды (атмосферы); - компонентов, входящих в металл или состав сплава; - параметры газовой среды; - продолжительность контакта с газовой средой; - свойства коррозионных продуктов. На скорость химической коррозии очень сильное влияние оказывает температура. При ее повышении процессы окисления идут намного быстрее. При этом уменьшение термодинамической возможности протекания реакции не имеет никакого значения. Особенно сильно влияет переменный нагрев и охлаждение. В защитной пленке вследствие появления термических напряжений образуются трещины. Сквозь трещины окислительный компонент среды имеет непосредственный доступ к поверхности. Формируется новая оксидная пленка, а старая - постепенно отслаивается. 10. Какими свойствами характеризуются процессы газовой коррозии? Процессы газовой коррозии характеризуются многостадийностью и гетерогенностью (разнородностью), так как процессы, протекают на границе раздела фаз металл - газовая среда. 11. Перечислите стадии образования пористой оксидной пленки. При взаимодействии металла с газообразными веществами, которое сопровождается образованием пористой оксидной пленки на поверхности металла, можно выделить следующие последовательно протекающие стадии: а) транспортировка газов к поверхности раздела фаз; б) адсорбция газа на поверхности металла; в) химическое взаимодействие; г) отвод (десорбция, возгонка) продуктов коррозии. 12. Перечислите стадии процесса газовой коррозии металла Стадии процесса газовой коррозии металла: а) переход металла в форме ионов и электронов из металлической фазы в оксид Метв«Меn ++ne- б) перемещение ионов металла и электронов в слое оксида; в) транспортировка кислорода к поверхности раздела оксидная пленка-газ; г) адсорбция кислорода на поверхности оксидной пленки; д) ионизация адсорбированного кислорода: Оадс - 2е- ® ±О2- е) перемещение ионов кислорода в слое оксида; ж) химическое взаимодействие с образованием оксида. Тема: Коррозия металлов в жидкостях – неэлектролитах Вопросы: 1. Какие вещества интенсифицируют процессы коррозии в органических растворителях, например, в нефти? Коррозионная активность нефти определяется в основном содержанием в ней меркаптанов, сероводорода и элементарной серы. Они ускоряют коррозионные процессы. Меркантаны (R - SH) вызывают коррозию Co, Ni, Ag, Pb, Sn, Cd с образованием меркаптидов типа Me (RS)2. 2. Какие соединения образуются в результате коррозии металлов в этом случае? Взаимодействие меркаптанов с металлом приводит к образованию меркаптидов: 2R – SH +Me à Me(RS)2 +H2 Cсодержащийся в нефти сероводород взаимодействует с железом, медью, свинцом, серебром, с образованием сульфидов: 4Ag + 2H2S + O2 = 2Ag2S + 2H2O 2Fe + 2Н2S + O 2 = 2FeS + 2H2O. Элементарная сера вызывает коррозию меди серебра с образованием сульфидов: Cu + S = CuS; 2Ag + S = Ag2S. 3. Как влияет температура, влага, кислород на процесс коррозии в органических растворителях? Повышение температуры среды, наличие растворенного в жидкости кислорода приводит к усилению процесса коррозии. Присутствие в жидких неэлектролитах влаги обеспечивает интенсивное протекание процесса коррозии по электрохимическому механизму. 4. Запишите уравнения реакций, по которым протекает коррозия металлов в тетрахлориде углерода в присутствии воды. При содержании в тетрахлориде углерода следов воды скорость коррозии стали резко возрастает: ССl4 + Н2О ® CСlзОН + НCl или ССl4 +Н2О + kat ® СО2 + 4НСl Это связано с образованием агрессивных продуктов (электролитов) при гидролизе. |