лабораторная работа. Лабораторная работа 3.1. Лабораторная работа Коррозия металлов. Теоретическая часть

• Название: Лабораторная работа Коррозия металлов. Теоретическая часть
• Анкор: лабораторная работа
• Дата: 10.01.2022
• Размер: 479.67 Kb.
• Имя файла: Лабораторная работа 3.1.pdf
• Тип: Лабораторная работа; #327407

1
Лабораторная работа № 2.4.
Коррозия металлов.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Коррозия – самопроизвольный, окислительно-восстановительный процесс взаимодействия металлического материала с компонентами среды, который сопровождается ухудшением эксплуатационных свойств металла, среды и системы, частями которой они являются.
Суть коррозии в том, что металл комплексно взаимодействует с различными факторами среды, что приводит к его разрушению. В широком смысле понятие коррозия относится к разрушению любых материалов под действием факторов среды. Так, говорят о коррозии бетона или коррозии полимеров, однако, традиционно это понятие ассоциируется именно с разрушением металлов.
Существуют несколько способов классификации процессов коррозии.
1) По характеру разрушения поверхности.
Этот подход к классификации отражает схема 1.
Местная
Коррозия металлов
Сплошная
Избирательная
( общая )
( локальная )
коррозией охвачена вся поверхность металла разрушаются отдельные участки поверхности металла происходит преимущественная коррозия одного или нескольких компонентов сплава неравномерная питтинговая
( точечная )
коррозия пятнами коррозия язвами подповерхностная коррозия межкристаллитная коррозия
Схема 1.
Виды коррозии по характеру изменения поверхности металла.
равномерная
Если коррозией охвачена вся поверхность металла, то ее называют общей, или сплошной коррозией. Сплошная коррозия бывает двух видов: равномерная и неравномерная, в зависимости от глубины разрушения.
При местной, локальной, коррозии разрушаются отдельные участки поверхности металла. Выделяют пять основных типов местной коррозии. При коррозии пятнами происходит разрушение отдельных участков поверхности металла на сравнительно небольшую глубину. Коррозия язвами отличается большей глубиной проникновения в слой металла. Точечная коррозия проявляется в образовании точечных очагов разрушения металла. Она обусловлена различием скорости разрушения металла на разных участках поверхности. Подповерхностная коррозия возникает в тех случаях, когда происходит разрушение защитных покрытий на некоторых участках поверхности. Металл разрушается преимущественно под поверхностью, и продукты коррозии оказываются сосредоточенными внутри металла. Межкристаллитная коррозия характерна для сплавов.
Она распространяется по границам зерен металла (кристаллитам), не разрушая их, однако нарушая структуру сплава.
Коррозию могут ускорять или провоцировать внешние воздействия на металл или сплав. Коррозию, возникающую в зоне действии механических напряжений, называют коррозионным растрескиванием. Если на металл кроме коррозионной среды действуют силы трения, то такое разрушение называют эрозионной коррозией. Разрушение металла при ударном воздействии коррозионной среды называют кавитационной коррозией
(коррозия лопастей гребных винтов).

2 2) По механизму взаимодействия металла со средой.
Выделяют химическую и электрохимическую коррозию.
Химическая коррозия протекает в неэлектропроводящей среде – в среде неэлектролитов и в атмосфере сухих газов. Чаще всего этот процесс идет при повышенных температурах (отжиг, сварка, закалка, металлургические процессы).
Электрохимическая коррозия протекает в электропроводящей среде – в среде электролитов и в атмосфере влажных газов. Наиболее распространенными видами электрохимической коррозии являются атмосферная коррозия, почвенная, морская. При атмосферной коррозии на поверхности металла конденсируется вода, в которой растворяются содержащиеся в воздухе газы (
2 2
2
,
,
O CO SO
и др.), образуя электропроводящие растворы. Особенно интенсивны процессы коррозии в морской воде, что обусловлено наличием в ней растворимых солей (электролитов), которые увеличивают электрическую проводимость среды, ускоряя процесс коррозии.
Т.к. электрохимическая коррозия является преимущественным процессом разрушения металлов в условиях Земли, рассмотрим механизм этого процесса подробнее.
Электрохимическая коррозия заключается в работе микрогальванических элементов на поверхности металла. Они возникают на поверхности металла при неоднородности поверхности металла, неоднородности его состава, при контакте разнородных металлов, под действием механических напряжений.
Как и в обычном гальваническом элементе в коррозионном элементе различают анод и катод. На аноде протекает процесс окисления металла, то есть коррозия. В общем виде анодный процесс можно представить схемой
0
n
Me
ne
Me



Катодный процесс может иметь несколько вариантов в зависимости от рН среды и доступа кислорода. В зависимости от сочетания этих факторов можно выделить 4 вида катодного процесса.
Тип катодного процесса
Условия
Процесс и уравнение Нернста
К
ис лород на я де поляри за ци я
7
pH

, хороший доступ кислорода
(аэрированные условия)
0 2
2 2
4 4
O
H O
e
OH




,2 2
2 4
1,23 0,059
O
H O
OH
pH




4 7
pH


, хороший доступ кислорода (аэрированные условия)
0 2
2 4
4 2
O
H
e
H O




,4 2
2 2
1, 23 0,059
O
H
H O
pH




В
од ород на я де поляри за ци я
4 7
pH


, ограниченный доступ кислорода (деаэрированные условия),
4
pH

при любом доступе кислорода
0 2
2 2
H
e
H



2 2
0,059
H
H
pH


 
7
pH

, ограниченный доступ кислорода (деаэрированные условия)
0 2
2 2
2 2
H O
e
H
OH




2 2
,2 2
0,059
H O
H
OH
pH


 
Пример 1. Коррозионный гальванический элемент, возникающий при атмосферной коррозии железа.
Атмосферная коррозия железа протекает в хорошо аэрированных условиях. pH среды может быть разной, что определяется составом атмосферного воздуха, обычно вода имеет нейтральную или слабокислую реакцию среды из-за растворения диоксида углерода.

3
Исходя из этого, анодный процесс представляет собой окисление железа, а катодный процесс восстановление кислорода в нейтральной среде:
2 2
2 2
2 2
2 2
2
( )
2 2 2
4
( )
4 1 2
4 4
2 2
2 4
2 2
2
(
)
A
Fe Fe
e
Fe
K
Fe O
H O
e
OH
Fe
O
H O
Fe
OH
Fe
O
H O
Fe OH


















Гидроксид железа(II) является активным восстановителем и в момент своего образования окисляется с образованием оксогидроксида железа(III) (
FeOOH
), который является основным компонентом ржавчины:
2 3
2 2
2 4
(
)
4 2
Fe OH
O
FeOOH
H O





Условная схема этого коррозионного элемента имеет вид:
2 2
2
( )
7 4
, 2
(
)( )
A
Fe Fe
pH
OH O
H O Fe
K
анодный среда
катодный
материал
процесс
процесс
катода





Материал, из которого изготовлен катод, указывают в круглых скобках, это означает, что в ходе коррозионного процесса этот металл (участок поверхности) не изменяется.
Пример 2. Коррозия латуни в растворе соляной кислоты.
Латунь – сплав меди с цинком. Возникновение коррозионного гальванического элемента связано с контактом двух металлов, которые имеют разный электродный потенциал. Более активным в паре
Zn Cu

является цинк, поэтому на аноде будет происходить его окисление. В растворе соляной кислоты
4
pH

(сильно кислая среда). В этом случае доступ кислорода решающего значения не имеет, окислителем являются катионы водорода, которые восстанавливаются на медном катоде:
2 2
2 2
2 2
( )
2 1 2
2
( )
2 1 2
2 2
2 2
2
A
Zn Zn
e
Zn
K
Cu H
e
H
Zn
H
Zn
H
Cl
Cl
Zn
HCl
ZnCl
H


















Условная схема этого коррозионного элемента имеет вид:
2 2
( )
2
(
)( )
A
Zn Zn
HCl H
H
Cu
K




Направление коррозионного процесса.
Направление коррозионных процессов, как и направление любого процесса, определяется знаком изменения энергии Гиббса системы. Изменение Энергии Гиббса электрохимической реакции непосредственно связана с ЭДС электродной системы:
G
nFE
  
, где,
n

наименьшее общее кратное числа электронов, участвующих в анодной и катодной реакции;
F

постоянная фарадея;
E

ЭДС.
Из этого уравнения следует, что условию самопроизвольного протекания процесса (
0
G
 
) соответствует положительное значение ЭДС (
0
E

).

4
Пример 3. Определите термодинамическую возможность электрохимической коррозии меди при стандартных условиях в нейтральной среде.
Решение.
В соответствии с условием электродные реакции коррозионного гальванического элемента можно описать уравнениями:
2 2
2 2
2 2
2 2
2
( )
2 2 2
4
( )
4 1 2
4 4
2 2
2 4
2 2
2
(
)
A
Cu Cu
e
Cu
K
Cu O
H O
e
OH
Cu
O
H O
Cu
OH
Cu
O
H O
Cu OH


















Стандартные потенциалы анода:
2+
0
Cu
Cu
0,34 B


Потенциал катода находится по уравнению
,2 2
2 4
1,23 0,059 1,23 0,059 7 0,817
O
H O
OH
pH
B






 
Тогда ЭДС равна
2+
2 2
0
к а
О ,2Н О 4ОН
Сu
Cu
0,817 0,34 0, 477
E
B

     
 



Так как
0,
E

то коррозия меди в указанных условиях термодинамически возможна.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ПРИБОРЫ И РЕАКТИВЫ
Приборы:
Пробирки в штативе, спиртовка, держатель для пробирок.
Реактивы:
Растворы: хлорид натрия (10%), хлорид магния (10%), гидроксид натрия (10%), серная кислота
(1М), азотная кислота (конц.), уротропин, хлорная вода, красная кровяная соль (1%), фенолфталеин, сульфат меди (1М). Гранулированный цинк, медь - стружка, алюминий - стружка, стальные скрепки.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
ОПЫТ 1. КОРРОЗИЯ ЖЕЛЕЗА В РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТАХ
1. Налейте в пять пробирок до 1/4 объема: в первую - дистиллированную воду, во вторую -
10%-ный раствор
NaCl,
в третью - 10%-ный раствор
2
MgCl ,
в четвертую 10%-ный раствор
NaOH,
в пятую - хлорной воды. В каждую пробирку опустите одновременно по металлической скрепке. Добавьте несколько капель раствора красной кровяной соли. Спустя 30 мин определите, в каких растворах присутствуют ионы железа.
2. Объясните происходящие явления как результат работы микрогальванопар на поверхности металла. В какой среде и почему выше скорость коррозии?
Наблюдаемые явления:
Пробирка
1 2
3 4
5
Описание изменений нет
На поверхности скрепки синий налет
На поверхности скрепки синий налет, частично отделяется в раствор в виде хлопьев
Нет
Скрепка и раствор быстро окрашиваются в синий цвет

5
Синяя окраска является свидетельством (качественная реакция) протекания на анодных участках поверхности окисления железа. Выделяющиеся в раствор ионы
2
Fe

с красной кровяной солью образую интенсивно окрашенное в синий цвет комплексное соединение – турнбулеву синь:
2 3
6 6
[
(
) ]
[
(
) ] 2
красная кровяная соль
турнбулева синь
Fe
K Fe CN
KFe Fe CN
K





ОПЫТ 2. ОБНАРУЖЕНИЕ КАТОДНЫХ УЧАСТКОВ
1. В хорошо очищенной скрепке (зачистить напильником, промыть проточной водой) закрепить гранулу цинка. Погрузить скрепку в 10%-ный раствор
NaCl,
в который предварительно добавлены 5-6 капель раствора фенолфталеина.
2. Опишите свои наблюдения. Дайте объяснения происходящему. Запишите уравнения катодного и анодного процессов.
Наблюдаемые явления: вокруг скрепки (
Fe
) появляется розовая окраска.
ОПЫТ 3. ОБНАРУЖЕНИЕ АНОДНЫХ УЧАСТКОВ
1. К 10%-ному раствору
NaCl добавляют несколько капель 0,001%-ного раствора красной кровяной соли
 
3 6
K
Fe CN




В этот раствор погружают хорошо очищенную стальную скрепку со вставленной в нее медной проволокой. Через 2-3 мин наблюдают результаты опыта.
2. Опишите свои наблюдения. Дайте объяснения происходящему. Запишите уравнения катодного и анодного процессов.
Наблюдаемые явления: на поверхности скрепки (
Fe
) появляется синий налет.
ОПЫТ 4. ОБРАЗОВАНИЕ МИКРОГАЛЬВАНОПАР НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА
1. В две пробирки налейте по 5 мл 1 М раствора
2 4
H SO ,
в одну добавьте 2 капли раствора
4
CuSO
и одновременно погрузите в них одинаковые по величине гранулы цинка.
2. С одинаковой ли скоростью выделяется водород? Дайте объяснения. Приведите уравнения реакций.
Наблюдаемые явления: в пробирке, куда был добавлен раствор сульфата меди(II) наблюдается более интенсивное выделение водорода.
ОПЫТ 5. КОРРОЗИЯ В МЕСТЕ КОНТАКТА МЕТАЛЛОВ
1. В одной канцелярской скрепке укрепите маленький кусочек меди, а в другой - цинка. В две пробирки налейте по 2-3 мл 1 М раствора
2 4
H SO ,
добавьте по 2 капли раствора красной кровяной соли и опустите в каждую пробирку по скрепке.
2. В какой пробирке происходит посинение? Почему в другой пробирке не происходит образование турнбулевой сини? Составьте схемы процессов. Рассмотрите возможность использования контакта металлов для борьбы с коррозией.
Наблюдаемые явления: синий налет появляется на скрепке, соединенной с медью, на скрепке, соединенной с цинком синяя окраска не наблюдается.
ОПЫТ 6. АКТИВИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНОВ
Cl

1. В две пробирки налейте (1/4 объема) раствор сульфата меди, подкисленный серной кислотой.
В одну из пробирок добавьте несколько капель раствора хлорида натрия. Затем в обе пробирки поместите алюминиевую проволоку. Наблюдайте, в какой из пробирок интенсивнее выделяется газ.
2. Запишите уравнения анодного, катодного и суммарного процессов, приведите схему коррозионного элемента. Объясните механизм влияния ионов хлора на скорость реакции.

6
Наблюдаемые явления: в пробирке, в которую был добавлен хлорид натрия реакция протекает заметно быстрее. Водород выделяется интенсивнее.
3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии для двух цинковых пластин, частично покрытые одна оловом, другая медью, находятся во влажном воздухе. Какая из этих пластинок быстрее подвергается коррозии? Почему?
2. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары Mg Pb.

3. Составьте электронные уравнения коррозии железа, покрытого цинком, и железа, покрытого свинцом, в кислой среде и во влажном воздухе.
4. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии
Al
Pb.

5. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии никеля, покрытого медью, при нарушении покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте.
6. Напишите уравнения процессов возможных при контакте железа с раствором соляной кислоты? Какие методы защиты железа от коррозии можно рекомендовать в этом случае?
7. Объясните в каком случае процесс коррозии алюминия происходит интенсивнее, в раствор соляной кислоты поместили две алюминиевых пластинки, одна из которых частично покрыта медью. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Ответ мотивируйте.
8. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов в растворе электролита, содержащего растворенный кислород, опустили две цинковых пластинки, одна из которых частично покрыта медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее?
9. Объясните, почему в атмосферных условиях железо коррозирует, а золото нет. Объяснение подтвердите расчетами.