Коррозия металов. Защита металлов от коррозии

3.2.1 Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары магний – никель. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?

Поскольку магний имеет меньшую величину электродного потенциала (–2,37 В), чем никель (– 0,25 В), то он будет играть роль анода, а никель – роль катода. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нем будет протекать процесс восстановления молекул кислорода, присутствующего в нейтральной среде (кислородная деполяризация), или ионов водорода, присутствующего в кислой среде (водородная деполяризация).

Электродные процессы, протекающие в нейтральной среде:

А) Mg⁰ – 2ē → Mg²⁺ – процесс окисления;

K) 2Н₂О + О₂ + 4ē → 4ОН^– – процесс восстановления.

Образующиеся ионы магния связываются с гидроксид-ионами, с образованием гидроксида магния:

Mg²⁺ + 2ОН^– → Mg(ОН)₂ – продукт коррозии в нейтральной среде.

Схема работы данного гальванического элемента:

Mg H₂O, О₂ Ni

Электродные процессы, протекающие в кислой среде:

А) Mg⁰ – 2ē → Mg²⁺ – процесс окисления;

K) 2Н⁺ + 2ē → Н₂ – процесс восстановления.

Поскольку не указана кислота, в которую погружена гальванопара магний – никель, то будем считать, что продуктом коррозии в кислой среде является соль мания (Mg²⁺ ).

Схема работы данного гальванического элемента:

Mg H⁺ Ni

3.2.2 Каким покрытием по отношению к железу является никель? Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если покрытие нарушено? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, протекающих в растворе хлорида натрия и в растворе бромоводородной кислоты. Каков состав продуктов коррозии?

1 Раствор хлорида натрия имеет нейтральную реакцию среды. Функция NaCl заключается в ускорении процесса коррозии.

Поскольку железо имеет меньшую величину электродного потенциала (– 0,44 В), чем никель (– 0,25 В), то оно будет играть роль анода, а никель – роль катода. Следовательно, покрытие никелем будет являться катодным по отношению к железу.

При нарушении никелевого покрытия на железе самопроизвольно возникает гальванический элемент. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нем будет протекать процесс восстановления молекул кислорода, присутствующего в нейтральной среде (кислородная деполяризация).

Электродные процессы:

А) Fe⁰ – 2ē → Fe²⁺ – процесс окисления;

K) 2Н₂О + О₂ + 4ē → 4ОН^– – процесс восстановления;

Fe²⁺ + 2ОН^– → Fe(ОН)₂.

Гидроксид железа Fe(ОН)₂ является неустойчивым соединением, поэтому в нейтральной среде протекает процесс его доокисления:

4Fe(ОН)₂ + 2Н₂О + О₂ → 4Fe(ОН)₃.

Далее происходит процесс отщепления молекул воды и образование оксид-гидроксида.

Fe(ОН)₃ → FeООН + Н₂О;

2FeООН → Fe₂О₃ + Н₂О.

Состав продуктов коррозии будет следующим:

Fe(ОН)₂, Fe(ОН)₃, FeООН, Fe₂О₃.

Схема работы данного гальванического элемента:

Fe H₂O, О₂, NаCl Ni

2 Бромоводородная кислота создает кислую среду. Как говорилось ранее, железо будет играть роль анода, а никель – роль катода. Так как металл катода является восстановленной формой, то на нём будет протекать процесс восстановления ионов водорода, образующихся при диссоциации бромоводородной кислоты.

Электродные процессы:

А) Fe⁰ – 2ē → Fe²⁺ – процесс окисления;

K) 2Н⁺ +2е → Н₂ – процесс восстановления.

Образующиеся при окислении железа, его ионы будут взаимодействовать с образующимися при диссоциации кислоты ионами брома:

Fe²⁺ + 2Br^– → FeBr₂ – продукт коррозии.

Схема работы данного гальванического элемента:

Fe HBr Ni

Следует отметить, что во всех схемах, касающихся работы гальванического элемента и процессов коррозии, нижняя стрелка всегда идет к ионам (молекулам), выполняющим роль деполяризатора, т. е. принимающим электроны и восстанавливающимся на катоде.

3.2.3 В чем сущность протекторной защиты металлов? Приведите пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем щелочь. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

Метод протектора (анодная электрохимическая защита) осуществляется присоединением к защищаемому металлу большого листа (старого металлического изделия), изготовленного из более активного металла с меньшей величиной электродного потенциала. В качестве протектора обычно используют цинк или сплавы на основе магния.

Рассмотрим в качестве примера протекторную защиту железа, соединенного с цинковой пластиной. При хорошем контакте между металлами защищаемый металл (железо) и металл протектора (цинк) оказывают друг на друга поляризующее действие. Согласно взаимному положению этих металлов в ряду СЭП (цинк имеет меньшую величину электродного потенциала, чем железо), железо поляризуется катодно, а цинк – анодно.

В результате этого на железе идет процесс восстановления кислорода, присутствующего в электролите (кислородная деполяризация так же характерна и для щелочной среды), а цинк окисляется и разрушается.

Электронные уравнения анодного и катодного процессов:

А) Zn⁰ – 2е → Zn²⁺ – процесс окисления;

K) 2Н₂О + О₂ + 4е → 4ОН^– – процесс восстановления;

Zn²⁺ + 2ОН^– → Zn(ОН)₂.

Если бы на месте цинка был какой-либо металл, не проявляющий амфотерных свойств, то на этом процесс коррозии и остановился бы, т. е. гидроксид металла можно было бы считать продуктом коррозии. Но поскольку цинк может быть отнесен к металлам, проявляющим амфотерные свойства, то его гидроксид растворяется в щелочах (NaOH, KOH и т. д.) с образованием комплексных соединений:

2NaOH + Zn(OH)₂ → Na₂[Zn(OH)₂] – продукт коррозии.

Следовательно, в щелочной среде нецелесообразно использовать в качестве протектора металл, проявляющий амфотерные свойства.

Схема работы данного гальванического элемента:

Zn Н₂О, О₂, NaOH Fe

Контрольные вопросы и задачи

1 Рассчитайте электродный потенциал алюминиевого электрода, опущенного в 0,001м раствор соли Cr₂(SO₄)₄.

2 Из каких солей металл может быть вытеснен и Zn и Ni ? Только Zn ?

a) FeCl₂ ; б) Al₂(SO₄)₃ ; в) CuBr₂ .

Запишите уравнения происходящих процессов .

3 При какой концентрации ионов Sn²⁺ в растворе потенциал оловянного электрода станет равным стандартному электродному потенциалу водородного электрода ?

4 Что является окислителем и восстановителем в гальваническом элементе, составленном оловом и серебром, которые погружены в нормальные растворы их солей? Составьте схему соответствующего гальванического элемента.

5 Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является анодом, а в другом – катодом. Запишите уравнения электродных процессов и суммарные уравнения реакций.

6 Составьте схему, запишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из магниевых электродов, опущенных: первый в 0,001Н, второй в 0,01Н растворы MgSO₄.

7 ЭДС гальванического элемента, образованного никелем, погруженным в раствор его соли с [Ni²⁺] = 0,0001 моль/л, и серебром, погруженным в раствор его соли, равна 1,108 В. Определить концентрацию ионов Ag⁺ в растворе его соли.

8 Изменится ли ЭДС гальванических элементов при уменьшении концентрации растворов солей в 10 раз?

а) Cu ô Cu²⁺ ôô Zn²⁺ ô Zn;

б) Ag ô Ag⁺ ôô Zn²⁺ ô Zn.

Ответ подтвердить расчетами.

9 В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи следующих гальванических элементов :

а) Cu|Cu²⁺ и Ni|Ni²⁺

б) Zn|Zn(NO₃)₂ и Ag|AgNO₃

в) Al|Al³⁺ и Mg|Mg²⁺

10 Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытий? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

11 Какое покрытие металла называется анодным и какое - катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытия марганца. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии марганца при нарушении анодного и катодного покрытий во влажном воздухе и в растворе серной кислоты.

12 Если опустить в соляную кислоту пластинку из чистого кадмия, то выделение на ней водорода идет медленно и со временем почти прекращается. Однако если хромовой палочкой прикоснутся к кадмиевой пластинке, то на последней начинается бурное выделение водорода. Почему? Какой металл при этом растворяется? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

Список литературы:

1 Ахметов, Н. С.Общая и неорганическая химия /Н. С. Ахметов. – М.: Высш. шк., 1981.

2 Глинка, Н.Л. Общая химия /Н. Л. Глинка – М.: Интеграл-Пресс, 2006.

3 Глинка, Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии /Н. Л. Глинка – М.: Интеграл-Пресс, 2006.

4 Коровин, Н.В. Общая химия /Н. В. Коровин – М.: Высш. шк., 2002.