Обработка экспериментальных данных.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

«ВЛИЯНИЕ КОНТАКТА НА СКОРОСТЬ КОРРОЗИИ ЦИНКА В РАСТВОРЕ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Ознакомиться с методом определения потенциалов металлов.

2. Исследовать влияние контакта различных металлов на скорость коррозионных процессов.

Ключевые слова:Концентрационная поляризация, анодная поляризация, анодная пассивность, катодная поляризация, кислородная деполяризация, поляризация, анодный (катодный) деполяризатор.

Материалы, приборы и реактивы:

1. Лабораторная установка

2. Образцы в виде пластин (цинка, меди, железа, свинца)

3. Раствор серной кислоты

4. Наждачная бумага

5. Фильтровальная бумага или вата

6. Органический растворитель

7. Аналитические весы

8. Штангенциркуль

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Некоторые металлы Mg, Al и т.д. с некоторой точки зрения коррозии нестойки, однако, на практике в определенных условиях они коррозируют медленно и могут применяться в качестве конструкционных материалов. Чтобы правильно оценить влияние различных факторов на скорость коррозии, необходимо иметь данные о равновесном состоянии системы и учитывать то, что при протекании тока через электрод равновесное состояние его нарушается. Протекание электрического тока при работе микроэлемента обусловлено начальной разностью потенциалов катода и анода, потенциала которых изменяются в зависимости от величины и направления внешнего тока. В момент замыкания микрогальванической цепи значение коррозионного по закону Ома равно:

(1)

стандартный потенциал катода

стандартный потенциал катода

R - омическое сопротивление

Величина коррозионного тока после замыкания цепи быстро падает и через определенное время становится постоянной, т.к. величина омического сопротивления в этом случае мала и постоянна, то уменьшение силы коррозионного тока можно объяснить только смещением начальных значений потенциалов, т.е. уменьшением их разности.

Такое изменение потенциалов в результате протекания тока называют поляризацией.

В зависимости от причин вызывающих анодную поляризацию, различают 3 основных случая:

- концентрационная поляризация – это вид анодной поляризации вызываемый небольшой скоростью диффузии ионов металла в растворе электролита, которая вызывает повышение концентрации ионов в прианодной зоне.

Перенапряжение ионизации металла.

Если при протекании анодного процесса:

Me⁺e + nH₂O=Me⁺ + nH₂O + e выход ионов металла в раствор не успевает за отводом электронов, не успевает за отводом электронов, потенциал металла сдвигается в положительную сторону.

Анодная пассивность – это процесс, который заключается в образовании пассивных пленок на поверхности металла. Анодный процесс из-за наступления явления анодной пассивности резко тормозится. Этим можно объяснить достаточно высокую коррозионную стойкость алюминия и нержавеющих сталей в растворах азотной кислоты, а так же аэрированных растворах солей. Защитные фазовые пленки на аноде могут образовываться как результат отложения на поверхности металла.

Катодная поляризация обуславливается перенапряжением катодной реакции – это замедленность процесса концентрационной поляризацией, т.е. недостаточной скоростью подвода или отвода начальных или конечных продуктов реакции на катоде. Возможны следующие основные виды катодной деполяризации:

- деполяризация ионами

- разряд катионов (ионов водорода или благородных металлов)

H⁺+e®H®1/2H₂; Ag⁺+e®Ag

- восстановление нейтральных молекул

O₂+4e+2H₂O®4OH^-

Cl₂+2e®2Cl^-

Анодная поляризация – это смещение потенциала анода в положительную сторону при прохождении анодного тока.

Катодная поляризация – смещение потенциала катода в отрицательную строну при прохождении катодного тока. Уменьшение поляризуемости электродов называется деполяризацией.

Наиболее частые случаи коррозии в практике: - это процессы протекающие в растворах неокислительных кислот с выделением водорода – водородная деполяризация или нейтральных растворах солей. Иногда оба эти процесса протекают параллельно. Водородная деполяризация возможна в тех случаях, когда равновесный потенциал металла отрицательнее водородного в данных условиях.

В нейтральных условиях с pH=7, t=25⁰C и Р=1,013 10⁵ н/м² (1 атм.)

равновесный потенциал водородного электрода легко подсчитать по формуле Нернста:

Вещества, которые уменьшают или снижают анодную или катодную поляризацию называются анодными (катодными) деполяризаторами.

Если для протекания коррозионного процесса с водородной деполяризацией нет условий и при наличии в растворе кислорода основную роль в качестве деполяризующей реакции играет процесс восстановления кислорода на катоде, т.е. процесс кислородной деполяризации. Возможность кислородной деполяризации можно рассчитать по формуле Нернста, т.к. процесс возможен только в тех случаях, когда равновесный потенциал металла отрицательнее равновесного потенциала кислородного электрода в данных условиях.

Процесс кислородной деполяризации протекает в несколько стадий. Для кислых растворов процесс кислородной деполяризации можно представить:

O₂+4H⁺+4e®2H₂O

Для нейтральных и щелочных сред суммарная реакция кислородной деполяризации описывается:

O₂+2H₂O+4e®4OH^-

Для электрохимического коррозионного процесса, протекание которого аналогично работе коротко замкнутого гальванического элемента возникающей из-за наличия начальной разности потенциалов катодной и анодной реакцией:

E_обр=(j_к)_обр-(j_а)_обр - процесс электрохимической коррозии сопровождается протеканием электрического тока от анодных участков к катодным в металле, и от катодных участков к катодным в металле, и от катодных участков к анодным в электролите, что вызывает поляризацию на обоих участках. Эти явления тормозят протекание коррозионного процесса. Эти погружении цинковой пластины в серную кислоту он будет растворяться вследствие работы микропар, возникающих на его поверхности. Микрокатодами этих микропар будут примеси в цинке, большинство которых имеет положительный, чем основной металл. На поверхности этих микрокатодов будет выделяться газообразный водород. Если образец цинка, погруженный в серную кислоту, привести в соприкосновение с другим, более электроположительным металлом, то цинк будет растворяться вследствие работы этой микропары. Скорость коррозии цинка под действием второго электрода будет определяться силой тока, протекающей между электродами-микропарами.

- потенциал цинка

- потенциал катода

R- универсальная постоянная

- потенциал металла, находящегося в контакте с цинком

R_om – омическое сопротивление электролита.

При постоянном Омическом сопротивлении (R_om) и постоянном потенциале цинкового анода (φ_а) сила тока элемента:

будет зависеть от природы катода, т.е. от потенциала, установившегося на втором металле φ_к, который определяется суммой величин равновесного потенциала водорода в данном растворе и перенапряжения выделения водорода на катод, что может быть уравнением (при 25⁰С)

-потенциал выделившегося водорода на катоде

-концентрация ионов водорода

-коэффициент активности водорода в данном растворе

- перенапряжение выделения водорода на данном металле.

В растворе неизменного состава и при постоянной температуре С_Н⁺ - постоянна, и скорость растворения цинка, находящегося в контакте с другими, более электроположительными металлами, при прочих равных условиях, т.е. постоянном составе электролита и омическом сопротивлении, определяется величиной перенапряжения выделения водорода на катодном металле, контактирующем с цинком.

Экспериментальная часть

Требуется определить:

1. Потери веса цинка в серной кислоте при контакте его с другими металлами и в случае отсутствии контакта.

2. Потенциалы металлов, находящихся в контакте, т.е. электродов работающих элементов: H₂SO₄/Cu; H₂SO₄/Fe; H₂SO₄/Pb.

3. Потенциал отдельных электродов цинка, меди, железа, свинца в 3% растворе серной кислоты.

Для выполнения работы берут одинакового размера образцы в виде пластин. Необходимо иметь два одинаковых образца: цинковый и (по указанию преподавателя) по одному медному или железному, или свинцовому. Цинковый образец:

- определяют размеры для расчета величины поверхности;

- очищают наждачной бумагой;

- обезжиривают;

- промывают проточной водой;

- высушивают;

- взвешивают на аналитических весах.

Медную (железную или свинцовую) пластину, очистив наждачной бумагой, промывают проточной водой обезжиривают.

Первый этап работы:

1. В стакан наливают раствор 3-%-ной серной кислоты до метки.

2. Цинковую пластину помещают в стакан с раствором кислоты и укрепляют в клемме.

3. Через каждые 5 минут в течение 30 минут определяют потенциал цинковой пластины в паре с хлорсеребряным электродом.

4. Результаты измерений записывают в таблицу.

5. Через 30 минут после начала опыта цинковую пластину вынимают, обмывают проточной водой, протирают фильтровальной бумагой, высушивают и взвешивают.

Второй этап работы.

1. Подготовленные цинковую и медную (свинцовую или железную по указанию преподавателя) пластины помещают в стакан с раствором серной кислоты и укрепляют друг против друга в клеммах, соединенных проводником.

2. Через каждые 5 минут в течение 30 минут определяют потенциал исследуемой металлической пары (цинк-медь, цинк-железо, цинк-свинец) в паре с хлорсеребряным электродом.

Результаты измерений заносят в таблицу

3. Через каждые 30 минут после начала опыта цинковую пластину вынимают, обмывают проточной водой, протирают фильтровальной бумагой, высушивают и взвешивают на аналитических весах.

Третий этап работы:

1. Образцы металлических пластин, изученных во втором этапе, подготовить вновь к эксперименту.

2. Подготовленные образцы поместить в стакан с раствором серной кислоты и укрепить в клеммах, поменяв их местами (медь-цинк, железо-цинк, свинец-цинк).

3. Через каждые 5 минут в течение 30 минут определяют потенциал исследуемой металлической пары в паре с хлорсеребряным электродом.

4. Через 30 минут после начала опыта цинковую пластину вынимают, обмывают проточной водой, протирают фильтровальной бумагой, высушивают и взвешивают на аналитических весах.

Четвертый этап работы:

1. Подготовленный образец контактного металла опускают в стакан с

раствором серной кислоты и закрепляют в клемме.

2. Определяют его потенциал в течение 30 минут каждые 5 минут в паре с хлорсеребряным электродом.

3. Результаты измерений записывают в таблицу.

Обработка экспериментальных данных.

1. По результатам экспериментальных данных провести соответствующие расчеты в таблице 1-3.

2. Рассчитать массовый показатель:

ВЫВОД

Дать анализ контакта на коррозию цинка.