Коррозия металлов в растворах электролитов при различных значениях рН

Коррозия металлов в средах, имеющих ионную проводимость, протекает через стадию анодного окисления металла

Ме Меⁿ⁺ + n .

В зависимости от активности металлов и от рН среды наиболее вероятна реализация одного из двух видов катодного процесса.

1. Восстановление ионов водорода и выделение Н₂ на катодных участках:

(+) К: 2Н⁺ + 2 2Н₂ (рН 7).

Протекание этого процесса возможно, если E < E _.

Коррозия металлов, при которой катодная реакция осуществляется с выделением водорода, называется коррозией металлов с водородной деполяризацией.

Равновесный потенциал водородного электрода, вычисленный по уравнению Нернста при парциальном давлении водорода p =1 атм, равен E , E =−0,059 рН.

Значения равновесного потенциала водородного электрода в зависимости от рН для парциального давления водорода =0,1 МПа представлены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Равновесный потенциал водородного электрода при 25 ^оС в зависимости от рН среды

Давление водорода , МПа	E , Е = −0,059 рН, В
рН среды
0,1	0,000	−0,415	−0,828

 

В нейтральной среде при отсутствии кислорода все металлы, имеющие электродный потенциал более отрицательный, чем −0,415 В будут восстанавливать водород из воды:

(+) К: 2Н₂О + 2 Н₂ + 2ОН^- (рН 7).

В щелочной среде коррозии подвергаются только щелочные и щелочноземельные металлы, а также алюминий и марганец.

2. Восстановление кислорода О₂:

в нейтральной или щелочной среде

(+) К: О₂ + 2Н₂О + 4 4ОН^- (рН 7);

в кислой среде (рН< 7)

(+) К: О₂ + 4Н⁺ + 4 2Н₂О.

Равновесный потенциал кислородного электрода, вычисленный по уравнению Нернста при парциальном давлении водорода p =1атм, равен Е _/ , Е _/ =1,229–0,059рН.

Процессы коррозии металлов, у которых катодная реакция осуществляется с участием растворенного в электролите кислорода, называется коррозией с кислородной деполяризацией.

С кислородной деполяризацией корродируют металлы, находящиеся в атмосфере или соприкасающиеся с водой и растворами солей. Коррозия металлов с кислородной деполяризацией является самым распространенным коррозионным процессом.

В табл. 10.2 приведены зависимости значений равновесного потенциала кислородного электрода от рН.

Таблица 10.2

Равновесный потенциал кислородного электрода при 25 ^оС в зависимости от рН среды

Давление кислорода , МПа	Е / , Е / = 1,229 – 0,059рН, В
рН среды
0,1	+1,229	+0,815	+0,401

 

В качестве примера рассмотрим процесс коррозии стали (сталь – сплав на основе железа с содержанием углерода от 0,02 до 2,06 %). Роль анода играют структурные составляющие сплава, обладающие отрицательным электродным потенциалом (например, зерна феррита – твердый раствор углерода в железе), а роль катода – структурные составляющие или примеси, потенциал которых наиболее положителен (например, Fe₃C – карбид железа).

На анодных участках поверхности происходит процесс окисления металла:

(−) А (Fe): Fe Fe²⁺ + 2 .

На катодных участках (Fe₃C) протекают процессы восстановления. В зависимости от условий и состава окружающей среды эти процессы могут быть различны. На поверхности металлов и сплавов в атмосферных условиях всегда имеется тонкая адсорбционная пленка влаги, растворяющая О₂, СО₂, SO₂, HCl и другие вещества, содержащиеся в окружающей среде. Растворенные вещества могут принимать участие в катодном процессе в качестве окислителя.

Наиболее распространенными являются следующие катодные процессы:

Восстановление кислорода, растворенного в воде

(+) K (Fe₃C): 4OH^- + 4 2H₂O + O₂ (pH 7).

Восстановление ионов водорода

(+) K (Fe₃C): 2Н⁺+ 2 Н₂ (рН < 7).

При атмосферной коррозии железа и его сплавов конечным продуктом коррозии является ржавчина, которая образуется в результате взаимодействия продуктов анодного и катодного процессов на поверхности металла:

Fe²⁺+ 2OH^-® Fe(OH)₂;

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O ® 4Fe(OH)₃ .

Последнее уравнение представляет собой упрощенную схему. В действительности процесс окисления и гидратации идет более сложно и наряду с Fe(OH)₃ образуются такие вещества, как FeOOH, Fe₂O₃, Fe₃O₄ в различных соотношениях.