Студопедия — Коррозия металлов и защита от коррозии
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Коррозия металлов и защита от коррозии






Коррозия – это разрушениеметалла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. По механизму протекания коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия представляет собой самопроизвольное разрушение металлов в среде окислительного газа (например, кислорода, галогенов) при повышенных температурах или в жидких неэлектролитах.

Уравнение реакции окисления металлов кислородом (пример газовой коррозии) можно записать в общем виде:

.

Электрохимическая коррозия протекает при контакте металла с растворами электролитов. Например, наиболее распространённая атмосферная коррозия протекает в тонких плёнках электролитов, которые возникают на поверхности металла в результате адсорбции, конденсации или прямого попадания воды и растворения в ней коррозионно-активных газов и солей (O2, SO2, CO2, NO2, NaCl и др.). Учитывая, что поверхность металла всегда энергетически неоднородна (из-за наличия примесей в металле, различий по химическому и фазовому составу сплава и др.), на участках металла, имеющих более отрицательное значение потенциала, пойдёт процесс окисления этого металла. Таким образом, при электрохимической коррозии разрушение металла происходит в результате работы огромного количества коррозионных микроэлементов. При этом на корродирующем металле протекает анодная реакция:

АНОД M → Mn+ + ne-,

а на участках металла с более положительным потенциалом – катодное восстановление окислителя (Ox):

КАТОД Ox + ne- → Red.

Наиболее распространёнными окислителями при электрохимической коррозии являются молекулы кислорода О2, воздуха и ионы водорода Н+ электролита.

Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода (с кислородной деполяризацией). В зависимости от рН среды возможны два механизма ионизации (восстановления) кислорода:

в щелочной или нейтральной среде

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (pH≥7),

в кислой среде

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (pH<7).

При коррозии с выделением водорода (с водородной деполяризацией) реакции выделения водорода имеют вид:

в щелочной или нейтральной среде

2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (pH≥7),

в кислой среде

2H+ + 2e- → H2 (pH<7).

Если в качестве окислителя одновременно выступают О2 и Н+, то такая коррозия называется коррозией со смешанной деполяризацией.

Возможность протекания электрохимической коррозии может быть определена по знаку ЭДС элемента: если ЭДС элемента имеет положительное значение, то коррозия возможна. Так как ЭДС равна разности потенциалов окислителя и восстановителя Еэоквосст или разности потенциалов катода и анода Еэка, то коррозия возможна при условии, что потенциал окислителя (или катода) положительнее потенциала металла:

Еок > E(Mn+/M) или Ек > E(Mn+/M).

Равновесный потенциал кислородного электрода при 298 К описывается уравнением:

E (О2/ОН-) = 1.227 - 0.059●pH + 0.0147●lg p(О2),

а потенциал водородного электрода - уравнением:

E (H+/H2) = -0.0295●lg p(H2) - 0.059●pH.

Для оценки возможности или невозможности протекания электрохимических процессов обычно используют диаграммы Пурбэ. Анализ диаграмм Пурбэ для разных металлов показывает, что в водных средах, содержащих О2 и Н+, металлы корродируют по-разному, в зависимости от рН:

а) если потенциал металла положительнее потенциала кислородного электрода (верхняя зона диаграммы), то коррозия металла невозможна (например потенциал золота);

б) если потенциал металла положительнее потенциала водородного электрода и отрицательнее потенциала кислородного электрода (средняя зона диаграммы), коррозия возможна с поглощением кислорода и невозможна с выделением водорода;

в) если потенциал металла отрицательнее потенциала водородного электрода (нижняя зона диаграммы), то возможна коррозия как с поглощением кислорода, так и с выделением водорода (щелочные и щелочно-земельные металлы, магний, алюминий, цинк и др.).

Примеры решения задач

Пример 1. Во сколько раз возрастает толщина плёнки при увеличении продолжительности равномерной газовой коррозии титана от 8 до 100 ч при 300 оС.

Решение:

На алюминии, хроме (при t<350 oC) и некоторых других металлах плёнка оксида растёт во времени τ по логарифмическому закону:

δ = k lnτ,

где δ – толщина плёнки.

Соответственно

δ1 = k ln8,

δ2 = k ln100.

Отсюда следует, что толщина плёнки (δ21) увеличится в 2.53 раза (ln(100/8)=2.53).

 

Пример 2. Определите скорость равномерной коррозии железа в (мм/год) и в [г/(м2●год)], если плотность коррозионного тока составляет 0.02 А/м2.

Решение:

Скорость равномерной коррозии, выраженная в г/(м2●с), равна

где Э – молярная масса эквивалента металла (г/моль);

I – плотность тока коррозии, А/м2;

F – число Фарадея, F = 96500 Кл/моль.

Умножая эту величину на число секунд в сутки (3600●24) и число дней в году (365), получим скорость коррозии в году ν = 170 г/(м2●год). Для перевода этой размерности в мм/год используем плотность железа ρ=7.87 г/см3. После преобразования единиц получим ν = 0.022 мм/год.

Пример 3. Возможна ли электрохимическая коррозия олова (Sn) в водном растворе при рН=6 при контакте с воздухом, если относительные парциальные давления газов равны p(H2) = 1, p(O2) = 0.21? Напишите уравнения реакций анодного и катодного процессов. При каких значениях рН возможна коррозия с выделением кислорода?

Решение:

Найдём стандартный электродный потенциал олова (E0(Sn2+/Sn0=-0.136 В). По уравнению Нернста определим равновесные потенциалы вероятных окислителей (H+ и O2) при 25 оС, p(H2) = 1, p(O2) = 0.21

E (H+/H2) = -0.059●pH = -0.059●6 = -0.354 В,

E (О2/ОН-) = 1.227 - 0.059●pH + 0.0147●lg0.21= 1.227 - 0.059●6 – 0.01 = 0.873 В.

Рассчитаем ЭДС предполагаемых коррозионных микроэлементов:

ε1 = Ек2) – Еа = -0.354 В – (-0.136 В) = -0.218 В < 0 – коррозия с выделением водорода невозможна.

ε2 = Ек2) – Еа = 0.873 В – (-0.136 В) = 1.009 В > 0 – коррозия с поглощением кислорода возможна.

Таким образом, уравнения реакций анодного и катодного процессов выглядят следующим образом:

(анод) Sn – 2e- → Sn2+

(катод) 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O.

Для выяснения диапазона значений рН, при которых возможна коррозия с водородной деполяризацией, решим неравенство:

ε1 = Ек2) – Еа > 0.

После подстановки значений электродных потенциалов получим

-0.059●pH – (-0.136 В) > 0,

Откуда следует, что при значениях рН < 0.136/0.059 = 2.26 идёт процесс с выделением водорода.

 

Пример 4. Определите, будет ли корродировать медь (Cu) в деаэрированном (без содержания кислорода) растворе CuSO4 в кислом растворе с рН=0 и выделением водорода при его относительном парциальном давлении p(H2) = 0.1.

Решение:

Стандартный потенциал меди составляет E0(Сu2+/Cu0)=+0.337 В, а потенциал водорода рассчитаем по уравнению Нернста:

E (H+/H2) = -0.0295●lg p(H2) - 0.059●pH = -0.0295●lg0.1 - 0.059●0 = +0.0295 В.

ЭДС коррозионного микроэлемента:

ε = Ек2) – Еа = +0.0295 В – 0.337 В < 0 – коррозия протекать не будет.

 

Пример 5. Определите возможность электрохимической коррозии с водородной деполяризацией гальванической пары Сu-Zn, погруженной в 0.01М раствор ZnSO4 при 25 oC. Как изменится ЭДС коррозионного элемента в результате концентрационной поляризации анода, если концентрация раствора возросла до 0.05 моль/л?

Решение:

С учётом гидролиза соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой, рассчитываем рН раствора:

Равновесный потенциал водорода в предположении, что его относительное давление равно 1:

E (H+/H2) = -0.059●pH = -0.230 В.

Для выбора корродирующего металла воспользуемся их стандартными потенциалами (E0(Сu2+/Cu0=+0.337 В, E0(Zn2+/Zn0=-0.763 В). Потенциал меди значительно положительнее потенциала предполагаемого катода, и электрохимическая коррозия идёт с участием цинка. Запишем процессы в коррозионном элементе:

(анод) Zn – 2e- → Zn2+

(катод) 2H+ + 2e- → H2.

Для расчёта ЭДС указанного микроэлемента уточним равновесный потенциал цинка, используя уравнение Нернста для 25 oC:

E1(Zn2+/Zn0) = -0.763 + (0.059/2)●lg10-2.

При увеличении концентрации ZnSO4 его потенциал изменяется:

E2(Zn2+/Zn0) = -0.763 + (0.059/2)●lg(5●10-2) = E1(Zn2+/Zn0) + (0.059/2)●lg5.

Таким образом, учитывая, что ε = Ек – Еа, значение ЭДС уменьшится на величину

Δε = (0.059/2)●lg5 = 0.02 В.

 

Пример 6. Определите возможность электрохимической коррозии стального изделия (железа) в 0.1М растворе FeCl2, комнатной температуре (T=298 K) при следующих относительных парциальных давлениях водорода и кислорода: p(H2) = 0.1, p(O2) = 0.9.

Решение:

Указанная соль подвергается гидролизу. Учитывая первую ступень гидролиза:

Fe2+ + H2O ↔ H+ + FeOH+, можно определить значение рН, величина которого, как видно из реакции меньше 7, т.е. коррозия идёт в подкисленной среде.

Найдём рН раствора, принимая активность ионов равной их концентрации:

Теперь можно определить равновесные электродные потенциалы вероятных окислителей (H+ и O2):

E (H+/H2) = -0.0295●lg p(H2) - 0.059●pH = -0.0295●lg0.1 - 0.059●5.56 = -0.3 В,

E (О2/ОН-) = 1.227 - 0.059●pH + 0.0147●lg p(О2) = 0.9 В.

Равновесный потенциал предполагаемого анода при 25 oC:

E(Fe2+/Fe0) = E(Fe2+/Fe0) + (0.0592/2))●lg a(Fe2+) = -0.44 - (0.0592/2)●1 = -0.47 В.

Учитывая, что

ε1 = Ек+) – Еа = -0.3 В – (-0.47 В) = +0.17 В > 0 – коррозия с выделением водорода возможна.

ε2 = Ек2) – Еа = 0.9 В – (-0.47 В) = +1.37 В > 0 – коррозия с поглощением кислорода также возможна.

Таким образом, возможна коррозия железа с протеканием на катоде двух реакций:

2H+ + 2e- → H2

1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O.

 

Пример 7. Стальное изделие имеет цинковое покрытие. Какой из металлов будет окисляться при коррозии, если эта пара металлов попадёт в нейтральную среду с рН=7? Подсчитайте ЭДС коррозионного элемента для стандартных условий. При каких рН прекратится процесс выделения водорода?

Решение:

Стандартный потенциал цинка составляет E0(Zn2+/Zn0)= -0.763 В, а потенциал железа E0(Fe2+/Fe0)= -0.44 В. Учитывая, что потенциал цинка более отрицателен, цинк является анодным покрытием. При этом железо не будет принимать участие в анодном процессе, т.е. не будет корродировать.

Равновесные потенциалы водорода и кислорода, при их парциальных давлениях, равных 1, определяем по уравнениям

E (H+/H2) = - 0.059●pH = - 0.059●7 = -0.413 В,

E (О2/ОН-) = 1.227 - 0.059●pH = +0.814 В.

ЭДС коррозионных микроэлементов равны:

ε1 = Ек+) – Еа = -0.413 В – (-0.763 В) = +0.35 В > 0 – коррозия с выделением водорода возможна;

ε2 = Ек2) – Еа = 0.814 В – (-0.763 В) = +1.577 В > 0 – коррозия с поглощением кислорода также возможна.

Катодные процессы:

2H2O + 2e- → 2OH- + H2

1/2 O2 + H2O + 2e- → 2OH-.

Процесс выделения водорода прекратится, если ε1<0,т.е. - 0.059●рН – (-0.763) <0, откуда следует, что рН<12.9 ε1<0, при этом процесс коррозии цинка с поглощением кислорода будет иметь место при любых значениях рН.







Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 868. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Теория усилителей. Схема Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах...

Именные части речи, их общие и отличительные признаки Именные части речи в русском языке — это имя существительное, имя прилагательное, имя числительное, местоимение...

Интуитивное мышление Мышление — это пси­хический процесс, обеспечивающий познание сущности предме­тов и явлений и самого субъекта...

Объект, субъект, предмет, цели и задачи управления персоналом Социальная система организации делится на две основные подсистемы: управляющую и управляемую...

Правила наложения мягкой бинтовой повязки 1. Во время наложения повязки больному (раненому) следует придать удобное положение: он должен удобно сидеть или лежать...

ТЕХНИКА ПОСЕВА, МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ЧИСТЫХ КУЛЬТУР И КУЛЬТУРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МИКРООРГАНИЗМОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА БАКТЕРИЙ Цель занятия. Освоить технику посева микроорганизмов на плотные и жидкие питательные среды и методы выделения чис­тых бактериальных культур. Ознакомить студентов с основными культуральными характеристиками микроорганизмов и методами определения...

САНИТАРНО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДЫ, ВОЗДУХА И ПОЧВЫ Цель занятия.Ознакомить студентов с основными методами и показателями...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.012 сек.) русская версия | украинская версия