В. Коррозия двух металлов в контакте под действием двух окислителей

В природе достаточно часто коррозия идет под действием двух окислителей Н⁺ и О₂, всегда присутствующих совместно во всех водных растворах.

Для примера, рассмотрим коррозию цинка и меди, контактирующих между собой и находящихся в водном растворе с рН=2 (рис.3.3).

Рис.3.3. Коррозия дух металлов в контакте под действием двух окислителей.

H₂^Cu и H₂^Zn – идеальные поляризационные кривые выделения водорода на меди и цинке, соответственно; О₂^Cu и О₂^Zn – идеальные поляризационные кривые восстановления кислорода на меди и цинке (S_Zn<S_Cu); ∑K_Zn – суммарная идеальная поляризационная кривая катодных процессов на цинке; ∑K_Cu – суммарная идеальная поляризационная кривая катодных процессов на меди; ∑ ∑K – общая поляризационная кривая; Zn – анодная идеальная поляризационная кривая растворении цинка; Cu – анодная идеальная поляризационная кривая растворении меди; 1 – реальная поляризационная кривая цинка; 2 – реальная поляризационная кривая меди

Если бы металлы не были в контакте и корродировали отдельно друг от друга, то на их поверхности реализовались бы потенциалы Е_ст¹ и Е_ст² . Цинк корродировал бы как под действием ионов водорода, так и по коррозии с кислородной деполяризацией за счет растворенного кислорода. Медь корродировала бы только под действием растворенного кислорода. В случае, если коррозия цинка и меди происходит в контакте, а электропроводность среды достаточно велика, на поверхности обоих металлов реализуется стационарный потенциал коррозии Е_ст. При таком потенциале медь не корродирует совсем, так как Е_ст < Е_равн^Cu , т.е. весь анодный процесс локализуется на поверхности цинка.

Катодный процесс протекает как на меди, так и на цинке, причем на обоих электродах наблюдается восстановление обоих видов окислителей:

2Н⁺+2е→1/2 Н₂ (1)

О₂+4Н⁺ +4е→2 Н₂О (2)

Реакция (1) протекает с большей скоростью на меди, так как перенапряжение выделения на ней значительно ниже, чем на цинке. Лимитирующей стадией реакции (2) является диффузия, поэтому определяющее значение для расположения поляризационных кривых О₂^Cu и О₂^Zn имеет величина поверхности металла. В случае, если S_Zn<S_Cu, реакция (2) протекает с большей скоростью на меди, чем на цинке (рис.3.3).

Таким образом, независимо от количества окислителей при контакте двух металлов стационарный потенциал коррозии более отрицательного металла сдвигается в положительном направлении и скорость коррозии его увеличивается. Стационарный потенциал коррозии более положительного металла сдвигается в отрицательном направлении и скорость его коррозии уменьшается, или он совсем прекращает корродировать.

На рис. 3.3 приведены также реальные поляризационные кривые 1 и 2 (выделены жирными линиями), экспериментально получаемые в ходе выполнения настоящей работы, где 1– реальная поляризационная кривая, получаемая на более отрицательном; 2– реальная поляризационная кривая, получаемая на более положительном металле. Методика снятия таких кривых приведена в разделе 3.2.

Ход выполнения работы

В настоящей лабораторной работе контактную коррозию предлагается исследовать с помощью установки, представленной на рис.3.4. Согласно схеме рис. 3.4, при разомкнутом ключе К₁ металлы работают без контакта. Измеряя в этом случае потенциалы металлов, можно определить стационарные потенциалы коррозии металлов М₁ и М₂ , работающих без контакта (Е и Е ). Далее металлы приводятся в контакт через амперметр и мост сопротивлений R (начальное значение R = 100000 Ом). За счет постепенного уменьшения сопротивления моста R постепенно улучшается контакт двух металлов. Измеряя при каждом значении сопротивления R внешний ток и величину потенциалов металлов, снимают поляризационные кривые (1 и 2), выделенные на рис 3.3 жирными линиями.

Рис. 3.4. Схема установки для исследования контактной коррозии:

М₁ и М₂ – контактирующие металлы; А – амперметр; R – магазин сопротивлений; К₁, К₂ – ключи; mV – цифровой вольтметр; к.л. – капилляр Луггина; п.м.– переходной мостик

Снятые поляризационные кривые могут быть представлены в виде коррозионной диаграммы Шултина – Вагнера (рис. 3.5) или коррозионной диаграммы Эванса (рис.3.6).

Рис.3.5. Коррозионная диаграмма Шултина – Вагнера

Рис.3.6. Коррозионная диаграмма Эванса

Из диаграмм, представленных на рис. 3.5 и рис.3.6, можно определить долю катодного, анодного и омического контролей, т.е. определить фактор, наиболее ограничивающий скорость коррозии. Например, доля катодного контроля, определяется следующим образом:

.

Аналогичным образом определяется доля анодного и омического контролей.

Снятие поляризационных кривых при исследовании контактной коррозии производится в следующей последовательности:

– подготовить образцы металлов к работе (зачистить, обезжирить);

– провести монтаж образцов в ячейке и собрать схему, после сборки схемы поляризующая цепь должна быть разомкнута;

– залить в сосуд электролит;

– измерить стационарные потенциалы обоих металлов, корродирующих без контакта друг с другом при разомкнутой цепи;

– поставить максимальное сопротивление на мосту (R) , замкнуть поляризующую цепь и замерить значение тока и потенциалов отдельных электродов;

– последовательно уменьшая значение сопротивления R (в 1,5–2 раза), и, измеряя при каждом значении сопротивления величину потенциалов электродов и внешний ток, снять поляризационные кривые.

- при сопротивлении меньшем 500 ом сопротивление уменьшать более плавно. Время выдержки электродов при каждом значении сопротивления должно быть одинаковым и составлять 15 – 20 секунд;

- при необходимости снятие поляризационных кривых провести вновь

– обработать экспериментальные данные.

Экспериментальные данные заносятся в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Зависимость потенциалов контактирующих металлов и внешнего тока

от сопротивления цепи

Изменя-ющийся фактор	Величина внешнего сопротивления R, Ом	Величина тока, I, мА	Потенциал по отношению к электроду сравнения	Потенциал по водородной шкале	Примечание
Еа	Ек	Еа	Ек

На основании экспериментальных данных строятся коррозионные диаграммы (зависимость потенциала катода и анода от силы тока) и графики зависимости максимального тока защиты от значений переменной.

Из коррозионных диаграмм определяются стационарные потенциалы отрицательного Е_ст^а и положительного Е_ст^к металлов и рассчитывается степень анодного, катодного и омического контролей.

Выводы по работе должны содержать объяснение полученных результатов и предполагаемые электродные реакции на каждом из металлов.