Сущность электрохимической коррозии металлов
Электрохимическая коррозия относится к наиболее часто встречающимся процессам постепенного разрушения металла.
Как мы знаем, наше окружение наполнено электричеством.
В зависимости от среды, меняются показатели проводимости. Не отличается то, что при контакте с такой средой сталь начинает постепенно портиться.
У процесса есть несколько важных отличий.
В первую очередь – неодновременное протекание восстановления окислительного процесса и ионизации атомов металла.
На интенсивность распространения при этом влияет такой параметр, как электродный потенциал металла.
Главная причина электрохимической коррозии в том, что большинство металлов проявляют термодинамическую неустойчивость.
Примеры распространения коррозии такого типа встречаются в воде, почве, на открытом воздухе.
Она часто становится причиной потери прочности и постепенного разрушения металла на днище судов, трубопроводов, опор ЛЭП и других объектов.
Если говорить о типах электрохимической коррозии, то называют 3 разновидности:
- щелевые поражения;
- питтинги;
- межкристаллическое повреждение.
Повреждаться могут разные типы металлов в зависимости от их расположения. Ржавчина появляется при контакте со стоячей и текущей водой, в местах соединения разных металлов, а также на сварных швах.
Какие механизмы отвечают за протекание электрохимической коррозии
Такое повреждение металла проводится двумя механизмами – гомогенным и гетерогенным. Рассмотрим каждый из них подробно.
- Гомогенный. Первоначально затрагивается поверхностный слой металлического изделия. Постепенно металл начинает растворяться под действием актов – катодного или анодного. На протяжении определенного времени происходит миграция катода и анода. Со временем процесс ускоряется. Особенность гомогенного механизма в том, что затрагивает как твердые, так и жидкие металлы. Меняется только скорость течения.
- Гетерогенный. У большинства твердых металлов не наблюдается гомогенной поверхности. Это связано с тем, что в самом материале состав кристаллической решетки может отличаться. Также как и в описанном выше случае, формируется анодный и катодный процессы, металл начинает постепенно разрушаться.
У такого вида процесса есть несколько особенностей.
В первую очередь – четкое деление на катодный и анодный процесс. Один из основных факторов, влияющих на их скорость протекания относительно друг друга – это время.
Схема электрохимической коррозии
В зависимости от типа металла, коррозия может быть локализована на отдельных участках. Также наблюдается растворение поверхностного слоя на анодах, что позволяет поражению затронуть обширные площади.
Здесь появляется еще одна особенность протекания процесса – формирование гальванических элементов. Это происходит из-за специфики структуры поверхности, на которой присутствуют микроэлектроды.
Из-за чего начинает развиваться коррозия
После того, как мы рассмотрели суть электрохимической коррозии, пришло время обратить внимание на причины распространения коррозии.
Среди них три распространенные:
- Сплав имеет неоднородную структуру. В большинстве сплавов поверхность негомогенная, потому что в кристаллической решетке присутствуют посторонние включения. Ухудшает ситуацию и присутствие пор макро и микротипа. Это приводит к тому, что продукты коррозии также начинают образовываться неравномерно.
- Неоднородная среда, в которой находится металл. Чтобы коррозия протекла быстрее, важен фактор доступа окислителя. Электрохимическая реакция может быть ускорена.
- Отличие физических условий. Коррозия усиливается в том случае, если происходит облучение, в среде присутствуют блуждающие тока. Негативно влияет и температура, особенно при перепадах. В таком случае разница между холодными и теплыми местами становится причиной появления анода.
Именно по причине различия в критических факторах, скорость электрохимической коррозии может сильно меняться.
Главные внутренние факторы протекания электрохимической коррозии
На интенсивность распространения коррозийного поражения влияют две группы факторов – внешние и внутренние.
Текущее состояние поверхности металла
Когда поверхность металла неровная, коррозийный процесс протекает намного интенсивнее. Если на поверхности присутствуют небольшие выступы, они начинают накапливать воду.
Это может негативно повлиять на интенсивность распространения.
Чтобы не допустить такого фактора, важно использовать отшлифованный или отполированный металл.
Когда сталь гладкая, вода не так сильно повреждает ее, потому что постепенно происходит формирование равномерной пленки по всей поверхности.
Также хорошим средством для уменьшения поражения становится применение пассивирования, а также ряд других способов.
Степень термодинамической стойкости металла
Разные виды материалов отличаются разными показателями термодинамической устойчивости.
Наиболее стойкие разновидности материала не разрушаются при помещении в агрессивную среду.
Чтобы понять, есть ли у металла склонность к коррозии под действием термодинамических факторов, измеряют потенциал анодного и катодного процесса, а также изобарно-изотермического.
Именно такой фактор оказывает большое влияние на потенциальное воздействие среды на постепенное развитие коррозии.
К сожалению, у большинства представленных в продаже марок металлов стойкость невысокая. Есть и неустойчивые разновидности, у которых этот риск нивелируется благодаря склонности к образованию пассивных пленок на поверхности.
Кристаллографическая структура
Оказывает прямое воздействие на металл.
Как известно, атомы в кристаллической решетке располагаются по-разному. Лучше защищены те разновидности, у которых атомы упакованы неплотно.
Особенности решетки также учитывают при планировании защиты материала методом создания на нем специальных пленок. И пленка и сам основной материал должны четко соответствовать по составу друг другу или быть максимально приближенными.
В этом случае исключается появление напряжения, которое негативно отражается на текущем состоянии заготовки. Если контакт с агрессивной средой все-таки происходит, материал начинает разрушаться слой за слоем.
Гетерогенность
Этот фактор рассматривается в непосредственной связи с величиной зерна металла.
Если в сплаве есть выраженные анодные включения, они сильно влияют на ускорение протекания коррозии.
Катодные включения не столь опасны, потому что на интенсивности процесса не отражаются. Величина зерна как фактор риска рассматривается не так часто и этим показателем можно пренебречь.
Не стоит сбрасывать со счетов и механические факторы
Важно понимать, что многие конструкции из металла используются под постоянным напряжением.
К этой категории относится повышенное внутреннее напряжение, когда сильно увеличивается риск деформации.
Негативно влияют на качество металла также воздействие истирания, периодические контакты с другими металлическими изделиями.
Такой фактор оказывает значительное влияние на интенсивность распространения повреждения.
Даже если само сырье первоначально обладало стойкостью к потенциальным повреждениям, в таком случае она уменьшится – формируемые пленки просто не будут закрепляться на поверхности.
Потому лучше сразу исключить это условие электрохимической коррозии – постараться не использовать металлоконструкции под пиковыми сильными нагрузками, не допускать возникновения трения и соприкосновения между собой стальных деталей.
Основные внешние факторы электрохимической коррозии
Кроме внутренних, на металл также влияют и внешние факторы.
Они могут не только ускорять, но и замедлять процесс, а также влиять на характер его протекания.
К ним относятся следующие:
- Температура. Температура сильно влияет на то, как себя ведет металл в разных условиях. От нее сильно зависит то, насколько быстро будут растворяться вторичные продукты коррозии. Среди других особенностей – запуск и стимуляция диффузионных процессов в металле, создание перенапряжения на электродах и другие проявления. Когда металлическое изделие помещается в растворы с кислородной деполяризацией, по мере прогрева электролита диффузия окислителя ускоряется. На фоне этого наблюдается сильное снижение перенапряжения ионизации кислорода.
Если деталь помещается в растворы неокисляющихся кислот, наблюдается коррозия с водородной деполяризацией.
Повышение температуры уменьшает скорость распространения повреждений, потому что сильно снижается перенапряжение водорода.
Отдельно стоит отметить ситуацию, когда металл уже покрывается специальной защитной пленкой. В этом случае сам тип пленки будет влиять на то, как именно она поведет себя при контакте с разными видами внешних угроз, в том числе, с повышением температуры.
Нагрев и охлаждение могут отразиться на состоянии катодов и анодов через их внутренние процессы.
В некоторых случаях полярность электродов значительно меняется.
Как мы уже отмечали выше, проблемы могу возникать из-за того, что разные участки детали нагреты до отличающихся друг от друга температур.
В этом случае стремительно увеличивается количество термогальванических пар, стимулирующих распространение коррозии на новые участки.
- Уровень рН раствора, в который помещен металл. Такой показатель как рН указывает, насколько в растворе будут активными ионы водорода, и как быстро коррозия будет распространяться по материалу. Это опасно, потому что может непредсказуемо менять потенциал катодных процессов, формирование окисных пленок. Также создается значительное перенапряжение реакции на электродах. Рекомендуется не допускать контакта металла со средами, у которых показатель рН высокий.
Если по каким-то причинам металлическая заготовка оказалась помещена в раствор, большое значение будет иметь скорость, с которой он движется, а также само наличие внутренних колебаний.
Заранее определить точное воздействие будет сложно по той причине, что всегда непросто предсказать, как поведут себя нейтральные электролиты.
Cчитается, что при смешении электролита, меняются показатели диффузии кислорода, что значительно отражается на процессе протекания коррозии.
Можно уделять меньше внимания скорости движения электролита в том случае, если вы имеете дело со средами повышенной кислотности.
На них подобное поражение оказывает минимум влияния.
Чем отличаются анодный и катодный процессы
Если вы внимательно проследите за тем, как работает гальванический элемент, то увидите, что в нем протекают сразу два связанных друг с другом процесса – анодный и катодный.
Рассмотрим их более подробно.
Анодный процесс
В химии показывается формулой Fe → Fe2+ + 2e. Она показывает, что постепенно запускается окисление, ионы металла начинают переход в раствор.
Катодный процесс
Может протекать по-разному.
В частности, переизбыток электронов решается ассимиляцией атомами электролита и его молекул. На фоне этого происходит восстановительная реакция непосредственно на самом катоде.
Формула будет зависеть от того, в каких условиях протекает реакция.
Так при наличии водородной деполяризации можно записать процесс как 2 H+ + 2e → H2.
Важно понимать, что оба процесса сильно связаны друг с другом под влиянием кинетического фактора.
С течением времени может происходить взаимное замедление или ускорение анодного или катодного процесса. При этом сам анод всегда будет оставаться тем местом, на котором формируется коррозия металла.
Во время анализа протекания процесса коррозии часто обращают внимание на электропроводящие фазы и момент после их соприкосновения.
Обычно одна фаза имеет положительный заряд, в то время как другая – отрицательный. Это приводит к появлению разности потенциалов.
Таким образом возникает ДЭС или как его часто называют ученые – двойной электрический слой с ассиметричным расположением частиц в местах, где фазы разделяются.
Опасным для металла становится скачок потенциалов. Он может стимулироваться двумя центральными причинами:
- Большая накопленная энергия гидратации. В таком случае наблюдается отрыв ионов металла и постепенное перетекание их в раствор. На поверхности в результате остается аналогичное число электронов, заряд становится отрицательным. Далее, в соответствии с законами физики, наблюдается перетекание катионов из раствора, формируется ДЭС на границе, как мы уже описывали выше.
- Разряжение катионов электролита. В результате металл начинает стремительно принимать положительный заряд. ДЭС появляется из-за активности анионов раствора в контакте с катионами электролита.
Что происходит в том случае, если поверхностный слой металла совсем не имеет определенного заряда?
В таком случае ДЭС наблюдаться не будет, возникнет явление нулевого заряда.
Его потенциал будет отличаться в зависимости от того, с каким металлом вам приходится работать.
Описанный процесс значительно отражается на том, как протекает коррозия и как быстро она захватывает все новые и новые участки металла.
В современной науке нет средств, которые могли бы точно измерить величину скачка потенциала, значит и процесс формирования электродвижущей силы оказывается на таким интенсивным.
Если рассматривать вопросы, связанные с процессом поляризации, можно написать отдельную статью на эту тему.
Потому далее мы рассмотрим другой важный показатель – поляризацию.
Поляризация и ее влияние на скорость протекания коррозии
Процесс поляризации связан с интенсивностью распространения электрохимической коррозии.
Этот показатель отражает, насколько сильное перенапряжение наблюдается на определенном участке.
Принято выделять три вида поляризации:
- Электрохимическая. Чаще всего наблюдается в ситуации, когда катодный и анодный процессы начинают замедляться.
- Фазовая. Возникает в том случае, если на поверхности материала формируется новая фаза.
- Концентрационная. Этот процесс появляется в том случае, если есть очень малые показатели скорости отвода продуктов коррозии, а также подхода деполяризатора.
Особенности поляризации также стоит учитывать в том случае, если вы заинтересованы в дополнительной защите металлов от постепенного разрушения.
Обеспечиваем эффективную защиту от коррозии
Наша компания предлагает заказчикам защиту металлоконструкций разных типов от коррозии.
В пользу работы с нами говорит сразу несколько факторов:
- Опыт работы с 2007 года, есть постоянные заказчики.
- Большие производственные площади. Три цеха для горячего цинкования, мощность 120 тысяч тонн в год.
- Универсальность. Работаем со множеством видов изделий благодаря установленной на предприятии самой глубокой ванны в ЦФО – 3,43 метра.
Мы используем в процессе проверенное европейское оборудование. Даем гарантию соответствия качества товаров требованиям ГОСТ 9.307-89.
Чтобы получить дополнительные консультации и ответы на интересующие вас вопросы, звоните нам или оставляйте заявку на сайте.
X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018
Машины и аппараты, изготовленные из металлов и сплавов, при эксплуатации в природных или технологических средах, подвержены коррозии.
Коррозия – самопроизвольное разрушение материалов вследствие их физико-химического взаимодействия с окружающей средой (агрессивной атмосферой, морской водой, растворами кислот, щелочей, солей, различными газами и т.п.).
Актуальность темы работы: коррозия металлов наносит государству большой экономический ущерб и может приводить к аварийным ситуациям, угрожающим жизни и здоровью людей.
Разработка эффективных методов защиты металлов от коррозии приведет к уменьшению материальных потерь в результате коррозии трубопроводов, деталей машин, судов, мостов, морских конструкций и т.д. Не менее важной задачей является повышение надежности оборудования, которое в результате коррозии может разрушаться с катастрофическими последствиями, к примеру, паровые котлы, металлические контейнеры, сосуды высокого давления, мосты, детали самолётов. Надёжность является важнейшим условием при разработке оборудования АЭС и систем захоронения радиоактивных отходов. Большое значение имеет сохранность металлического фонда, мировые ресурсы которого ограничены. Кроме того, человеческий труд, затрачиваемый на проектирование и реконструкцию металлического оборудования, пострадавшего от коррозии, может быть направлен на решение других общественно полезных задач.
Цель работы: изучить сущность электрохимической коррозии металлов и способы защиты металлов от коррозии.
- изучить виды коррозии металлов;
- изучить механизм электрохимической коррозии;
- изучить методы защиты металлов от коррозии;
- провести экспериментальное исследование процесса коррозии металлов.
Теоретическаячасть
Электрохимическая коррозия – взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором ионизация металла и восстановление окислителя протекают раздельно, но являются сопряженными процессами, сопровождающимися протеканием электрического тока. Электрохимическая коррозия следует законам электрохимической кинетики, и её скорость зависит от величины электродного потенциала. Электрохимическая коррозия может иметь место только в электропроводных системах материал – среда, т.е. для металлических материалов – в растворах и расплавах электролитов.
Причиной ее возникновения является химическая, энергетическая и другие виды неоднородности поверхности любого металла или сплава, т.е. разделение на катодные и анодные участки. Последние, имея очень малые размеры и чередуясь друг с другом, в токопроводящей среде представляют собой совокупность огромного числа короткозамкнутых микрогальванических элементов, поэтому электрохимическую коррозию часто называют гальванической коррозией.
Процессы электрохимической коррозии протекают в водных растворах. При соприкосновении металлической поверхности с раствором электролита происходит взаимодействие металла с заряженными частицами раствора и переход ионов металла в раствор. Согласно теории А.Н. Фрумкина, при взаимодействии металла и раствора протекают два сопряженных процесса:
1. Переход ионов из металла в раствор с образованием гидратированных ионов (анодный процесс): Me + mН2O = Меn + · mН2O + ne
2. Переход ионов из раствора с выделением их на поверхности металла в виде нейтральных атомов, входящих в состав кристаллической решетки металла (катодный процесс): Меn + · mН2O + ne = Ме + mН2O
Поверхность любого металла состоит из множества короткозамкнутых через сам металл микроэлектродов. Контактируя с коррозионной средой образующиеся гальванические элементы способствуют его электрохимическому разрушению.
Отличительными особенностями электрохимического процесса коррозии являются следующие:
– одновременное протекание двух раздельных процессов − окислительного (растворение металла) и восстановительного (выделение водорода, восстановление кислорода, выделение металла из раствора и др.);
– процесс растворения металла сопровождается направленным перемещением электронов в металле и ионов в электролите, т.е. возникновением электрического тока;
– продукты коррозии образуются в результате вторичных реакций.
Окислительно−восстановительные процессы, протекающие при электрохимической коррозии, могут быть представлены в виде следующих реакций:
Ме − nē→ Меn + (анодный процесс) (1)
R(ox) + nē → Rn - (катодный процесс), (2)
где R(ox) – окислитель;
Rn - (red) – восстановленная форма окислителя;
nē – количество переданных электронов.
В качестве примера электрохимической коррозии можно привести процесс окисления (ржавления) железа под воздействием воды:
А(–) Fe − 2ē → Fе 2+ (анодный процесс – растворение железа) К(+) H2O + ½О2 +2ē → 2OH - (катодный процесс – восстановление кислорода)
Fe 2+ + 2OH - → Fe(OH)2 (образование продуктов коррозии)
Реакции (1) и (2) протекают сопряженно, но подчиняются своим кинетическим закономерностям. При этом необходимо соблюдение условий стационарности процесса, т.е. равенства скоростей окисления металла и восстановления окислителя. Данные реакции могут быть территориально разделены – протекать на разных участках поверхности. Из условий стационарности вытекает, что достаточно затормозить одну из сопряженных реакций, чтобы скорость всего процесса уменьшилась.
Виды электрохимической коррозии:
Коррозия в кислой среде.
Железо в кислой среде окисляется до Fe 2+ .
Процессы окисления-восстановления на электродах:А (–) Fe 0 - 2ē → Fe 2+ │1 - процесс окисления на аноде К (+) 2Н + + 2ē → Н2↑ │1 - процесс восстановления на катоде
Суммируя реакции на аноде и катоде, получаем уравнение, которое в ионной форме, выражает происходящую в гальванической паре реакцию: Fe 0 + 2H + → Fe 2+ + Н2↑
Уравнение электрохимической коррозии в молекулярной форме:Fe + H2SO4 → FeSO4 + Н2↑
Схема коррозионного элемента: А (–) Fe | Fe 2+ ||2H + | H2 (+) К
Коррозия в атмосфере влажного воздуха.
Процессы окисления-восстановления на электродах: А (–) Fe 0 - 2ē → Fe 2+ │2 - процесс окисления на аноде К (+) 2H2O + О2 + 4ē → 4OH - │1 - процесс восстановления на катоде
Суммируя реакции на аноде и катоде, получаем уравнение, которое в ионной форме, выражает происходящую в гальванической паре реакцию:2Fe 0 + 2H2O + О2 → 2Fe 2+ + 4OH -
Уравнение электрохимической коррозии в молекулярной форме:2Fe + 2H2O + О2 → 2Fe(OH)2↓
Схема коррозионного элемента:
Коррозия в морской воде.
А (–) Fe 0 -2ē → Fe 2+
Схема коррозионного элемента: А (–) Fe | Fe 2+ ||2H2O | H2; 2OH - (+) К
Основным отличием процессов электрохимической коррозии от процессов в гальваническом элементе является отсутствие внешней цепи. Электроны в процессе коррозии не выходят из корродирующего металла, а двигаются внутри металла.
Процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией. Вещества, при участии которых осуществляется деполяризация, называются деполяризаторами. На практике чаще всего приходится встречаться с двумя типами деполяризации: водородной и кислородной.
В кислой среде электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией. Рассмотрим коррозию железной пластинки с примесями меди во влажной хлористоводородной атмосфере. В этом случае железо будет анодом (E°= –0,44В), а медь – катодом (E°=+0,34В). На анодном участке будет происходить процесс окисления железа, а на катодном – процесс деполяризации ионами водорода, которые присутствуют в электролите:
А (–) Fe – 2ē → Fe 2+ – окисление
К (+) 2H + + 2ē → H2↑ – восстановление
Схема возникающего короткозамкнутого гальванического элемента выглядит следующим образом:
A (–) Fe | HCl | Cu (+) К
В нейтральной среде коррозия протекает с кислородной деполяризацией, т.е. роль деполяризатора выполняет кислород, растворенный в воде. Этот вид коррозии наиболее широко распространен в природе: он наблюдается при коррозии металлов в воде, почве и в незагрязненной промышленными газами атмосфере. Если коррозии во влажном воздухе подвергается железо с примесями меди, то электродные процессы можно записать в виде:
К (+) 2H2O + O2 + 4ē → 4OH - – восстановление
Схема короткозамкнутого гальванического элемента:
У поверхности металла в электролите протекают следующие реакции:
Методы защиты металлов от коррозии
При разработке методов защиты от коррозии используют различные способы снижения скорости коррозии, которые выбираются в зависимости от характера коррозии и условий ее протекания. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью, а также экономической целесообразностью.
В зависимости от причин, вызывающих коррозию, различают следующие методы защиты.
1) Легирование. Применяется для изменения или улучшения физических и химических свойств металлов, сплавов. В особенности, для придания металлам и сплавам повышенной коррозионной стойкости. Металл, подвергшийся легированию, называется легированным.
2) Наиболее распространены неметаллические защитные покрытия –эмали, лаки, краски, пластмассы, различные смолы, полимеры. Защитное действие этих покрытий сводится в основном к изоляции металлов от окружающей среды. Достоинство этого способа защиты – простота технологии их нанесения. Недостаток – легко разрушаются из-за хрупкости и растрескивания при тепловых и механических ударах; эти покрытия защищают до тех пор, пока сохраняется их целостность.
3) Металлические защитные покрытия.
Классифицируя металлопокрытия по способу защиты основного металла, их обычно подразделяют на катодные и анодные.
Анодные покрытия. Если на металл нанести покрытие из другого, более электроотрицательного металла, то в случае возникновения условий для электрохимической коррозии разрушаться будет покрытие, т.к. оно будет выполнять роль анода. В этом случае покрытие называется анодным. Примером анодного покрытия может служить хром, нанесенный на железо. В случае нарушения целостности покрытия при контакте с влажным воздухом будет работать гальванический элемент:
на аноде: Cr – 2ē → Cr 2+
Cr 2+ + 2 OH – → Cr(OH)2
Гидроксид хрома (II) окисляется кислородом воздуха до Cr(OH)3:
Катодные покрытия. У катодного покрытия стандартный электродный потенциал более положителен, чем у защищаемого металла. Пока слой покрытия изолирует металл от окружающей среды, электрохимическая коррозия не протекает. При нарушении целостности катодного покрытия оно перестает защищать металл от коррозии. Более того, оно даже интенсифицирует коррозию основного металла, т.к. в возникающей гальванопаре анодом служит основной металл, который будет разрушаться. В качестве примера можно привести оловянное покрытие на железе (луженое железо). Рассмотрим работу гальванического элемента, возникающего в этом случае (например, в атмосфере влажного воздуха).
на аноде: Fe – 2ē → Fe 2+
Fe 2+ + 2 OH – → Fe(OH)2
Разрушается защищаемый металл. Таким образом, при сравнении свойств анодных и катодных покрытий можно сделать вывод, что наиболее эффективными являются анодные покрытия. Они защищают основной металл даже в случае нарушения целостности покрытия, тогда как катодные покрытия защищают металл лишь механически.
4) Электрохимическая защита - перевод металла в коррозионно-устойчивое состояние путём торможения катодных и анодных реакций коррозионного процесса электрохимическими методами. Различают три вида электрохимической защиты: катодная, протекторная и анодная.
Катодная защита. Суть катодной защиты заключается в том, что защищаемое изделие подключается к отрицательному полюсу источника электрического напряжения, т.о. становится катодом. В качестве противоэлектрода используется металлический лом или графит.
Протекторная защита. Суть протекторной защиты состоит в следующем. К изделию, подвергающемуся электрохимической коррозии, присоединяют деталь-протектор из более активного металла, чем металлы изделия: протектор является анодом и будет разрушаться, а изделие останется неизменным.
Анодная защита. Анодная защита используется только для тех металлов, которые при анодной нагрузке способны образовывать на своей поверхности пассивные оксидные или солевые пленки, защищающие металл от коррозии, например, железо в серной кислоте. Анодная защита отличается от катодной тем, что защищаемая конструкция присоединяется к положительному полюсу внешнего источника тока.
5) Обработка внешней среды, в которой протекает коррозия. Сущность метода заключается либо в удалении из окружающей среды тех веществ, которые выполняют роль деполяризатора, либо в изоляции металла от деполяризатора. Максимально замедлить процесс коррозии можно путем введения в окружающую среду специальных веществ – ингибиторов. Механизм действия ингибиторов заключается в том, что их молекулы адсорбируются на поверхности металла, препятствуя протеканию электродных процессов.
Данные способы защиты находят широкое применение в промышленности в силу многих своих преимуществ – уменьшения потерь материалов, увеличения толщины покрытия, наносимого за один слой, уменьшения расхода растворителей, улучшение условий производства окрасочных работ и т.д. Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей большое значение для народного хозяйства.
Задачи практической части работы:
- исследовать влияние различных сред на коррозию железа;
- изучить электрохимическую коррозию при контакте металлов;
- ознакомиться с защитными свойствами анодных и катодных покрытий.
Опыт 1. Изучение влияния среды на коррозию железа
Посуда и реактивы: пять химических пробирок, пять железных гвоздей, водопроводная вода, дистиллированная вода, 0,1н раствор хлорида натрия, 0,1н раствор гидроксида натрия, 0,1н раствор соляной кислоты.
Порядок выполнения работы
Пять одинаковых железных гвоздей опускают в пять пробирок. В первую пробирку приливают 0,1н раствор NaCl, во вторую – 0,1н раствор NaOH, в третью – 0,1н раствор HCl, в четвертую – дистиллированную воду, в пятую – водопроводную воду. Закрывают пробирки пробками и в течение месяца наблюдают за происходящими изменениями.
Электрохимическая коррозия - это взаимодействие металла с коррозионной средой, проводящей электрический ток, и ее скорость зависит от электродного потенциала металла.
Примером электрохимической коррозии является разрушение деталей машин, приборов и различных металлических конструкций в почвенных, грунтовых, речных и морских водах, в атмосфере, под пленками влаги, в технических растворах, под действием смазочно-охлаждающих жидкостей и т.д. При электрохимической коррозии всегда требуется наличие электролита (конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаются электроды — либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами.
Коррозионный элемент
Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани
В гальванических элементах происходит переход химической энергии в электрическую энергию
Гальванический элемент содержит два металлических электрода, которые отличаются значениями своих электродных потенциалов. Электроды соединены между собою проводником и погружены в раствор электролита. Более активный металл является анодом, на котором протекает окисление, а менее активный – катодом, на котором протекает восстановление. Электроны, которые освобождаются при окислении анода, перемещаются на катод. Благодаря пространственному разделению полуреакций окисления и восстановления возникает электрический ток.
Анодом (А) называется участок поверхности металла, с которого ионы переходят в раствор электролита. Анод заряжен отрицательно (-) и на нем протекает окислительный процесс разрушения металла. Катод (К) - участок поверхности металла, где разряжаются катионы электролита. Катод заряжен положительно (+) и на нем протекает восстановительный процесс. Таким образом, поверхность металлического изделия представляет собой совокупность катодных и анодных микроучастков, которые в среде электролита образуют короткозамкнутые гальванические элементы. Во время работы гальванические элементы могут частично поляризоваться. В результате перехода электронов с анода на катод потенциал катода становится более отрицательным, а потенциал анода более положительным. В этом случае происходит явление выравнивания потенциалов, что вызывает прекращение тока и коррозии.
Активность металла характеризуется величиной стандартного потенциала металла. Чем меньше величина стандартного потенциала металла, тем больше способность атомов металла, погруженного в раствор, отдавать электроны, т.е. тем больше его химическая активность. В зависимости от величины стандартного потенциала металлы объединены в электрохимический ряд напряжений. Окислительная способность металлов увеличивается в этом ряду слева направо, а восстановительная способность металлов увеличивается справа налево. Чем левее находится металл в ряду напряжений (чем отрицательней значение его потенциала), тем выше его химическая активность. Анодом является более химически активный металл в паре, а катодом - пассивный.
Причины возникновения местных гальванических элементов:
1) неоднородность сплава
• неоднородность металлической фазы, обусловлена неоднородностью сплава и наличием микро- и макровключений;
• неравномерность окисных пленок на поверхности за счет наличия макро-и микропор, а также неравномерного образования вторичных продуктов коррозии;
• наличие на поверхности границ зерен кристаллов, выхода дислокации на поверхность, анизотропность кристаллов.
2) неоднородность среды
• область с ограниченным доступом окислителя будет анодом по отношению к области со свободным доступом, что ускоряет электрохимическую коррозию.
3) неоднородность физических условий
• облучение (облученный участок - анод);
• воздействие внешних токов (место входа блуждающего тока - катод, место выхода - анод);
• температура (по отношению к холодным участкам, нагретые являются анодами) и т. д.
Анодные и катодные процессы при электрохимической коррозии металлов
Любой металл содержит примеси других металлов, поэтому в среде электролита система из основного металла (Мe1) и металла-примеси (Мe2) образуют большое число микрогальванических элементов:
где более активный металл, например Мe1, является анодом (А) и на аноде идут процессы окисления (окисляется сам металл):
Менее активный металл (Мe2) является катодом (К), на катоде идет процесс восстановления окислителя среды. При электрохимической коррозии в кислой среде на поверхности катода (менее активного металла) происходит восстановление катионов водорода:
процесс электрохимической коррозии Cu–Zn в кислой среде:
А(Zn): Zn – 2ē = Zn 2+ 1
Zn + 2H + = Zn 2+ + H2
Образование гальванической пары Cu–Zn ускоряет процесс разрушения цинка.
Катионы водорода, восстанавливаясь на катоде, принимают электроны на медной поверхности, а на аноде происходит окисление цинка. Таким образом, при электрохимической коррозии происходит возникновение электрического тока, обусловленное перемещением электронов по поверхности металлов.
Морская вода имеет слабощелочную реакцию среды, рН варьирует в пределах от 7,5 до 8,4. При электрохимической коррозии в щелочной среде на аноде происходит окисление (разрушение) металла, а на катоде – восстановление молекулярного кислорода, растворенного в морской воде. А: Me(0) – ne → Me(n+) К: 2H2O + О2 + 4e → 4OH(-) (рН ≥ 7 – среда слабощелочная) При электрохимической коррозии анодом становится металл, обладающий меньшим значением электродного потенциала, а катодом – металл с большим значением электродного потенциала.
Влажная атмосферная коррозия наблюдается при наличии на поверхности тончайшей пленки влаги. Толщина такой пленки составляет от 100 до 1 мкм. Относительная влажность воздуха, при которой начинается образование влажной пленки, составляет около 60 – 70%. Значение, при котором начинается конденсация на поверхности влаги, называется критической влажностью. Критическая влажность зависит от загрязнения воздуха и состояния металла.
Уравнение атмосферной коррозии:
Анод: ионы металла переходят в раствор:
Катод: проходит реакция восстановления:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH - (щелочные, нейтральные среды)
O2 + 4H + + 4e → 2H2O (подкисленная среда)
Во многом стойкость металлов и сплавов, в условиях атмосферной коррозии, зависит от природы металла и состояния его поверхности.
Термодинамические основы процессов коррозии
Термодинамическую возможность электрохимической коррозии, как любого химического процесса, можно определить по изменению энергии Гиббса. Поскольку коррозия является самопроизвольно протекающим процессом, то сопровождается ее убылью, т.е. ∆GT Me + mHO +ne.
Анодная пассивность металлов.
При значительном торможении анодной реакции ионизации металла скорость коррозионного процесса может понизится на несколько порядков. Такое состояние металла принято называть анодной пассивностью. Пассивность можно определить следующим образом: пассивность - состояние повышенной коррозионной устойчивости металла или сплава (в условиях, когда термодинамически он является реакционно способным), вызванное преимущественным торможением анодного процесса. Т.е. может произойти так, что в реальных условиях скорость коррозии "активных" элементов оказывается весьма незначительной в следствии наступления пассивного состояния. Например, титан расположенный левее цинка, и хром, расположенный рядом с цинком, в следствии наступления пассивности оказываются более коррозионностойкими в большинстве водных сред, чем цинк.
На склонность к пассивному состоянию влияет природа системы металл-раствор. Наибольшую склонность к переходу в пассивное состояние проявляют Ti,Ni,Al,Mg,Fe,Co и др.
Экспериментальное изучение процесса коррозии.
При выполнении практической части работы был проведен ряд экспериментов.
Опыт 1. Изучение влияния среды на коррозию железа
Посуда и реактивы: четыре химические пробирки, четыре железных гвоздя; дистиллированная вода, 0.5н раствор хлорида натрия, 0.5н раствор гидроксида натрия, 0.5 н раствор хлорида аммония.
Четыре одинаковых железных гвоздя помещают в четыре пробирки, приливают разные жидкости, закрывают пробирки и в течение месяца наблюдают за происходящими изменениями. В пробирке № 1 дистиллированная вода (вода была оставлена на воздухе для на насыщения O2 ); в пробирке № 2 раствор хлорида натрия, в пробирке № 3 раствор гидроксида натрия, в пробирке № 4 раствор хлорида аммония.
Коррозия железа наблюдается во всех пробирках, кроме третьей.
Рис.1. Первая неделя эксперимента.
Рис.2.Вторая неделя эксперимента.
Рис.3. Третья неделя эксперимента.
Рис.4. Четвертая неделя эксперимента.
В пробирке 1 мало ржавчины, в чистой воде коррозия идет медленно т. к. вода слабый электролит.
A: Fe → Fe 2+ + 2 e −
4 Fe 2+ + O2 → 4 Fe 3+ + 2 O 2−
В пробирке 2 ржавчины больше, следовательно, хлорид ионы увеличивают скорость коррозии. Эта система аналогична морской воде. Роль катода выполняют примеси в железе.
А: Fe 0 - 2e - →Fe 2+
В пробирке 3 ржавчины не наблюдается. В щелочных растворах (рН ≥ 10) на железе происходит образование нерастворимых гидроксидов, и скорость коррозии резко падает.
В пробирке 4 ржавчины много.
Это объясняется тем, что железо неустойчиво в кислой среде. Кислая среда обеспечивается солью NH4Cl. Соль образована слабым основанием и сильной кислотой (гидролиз протекает по катиону). (NH4ОH -слабое основание, НСl - сильная кислота).
NH4 + + НОН ↔ NH4OH + Н + сокращенное уравнение
NH4Cl + Н2О ↔ NH4OH + НСl молекулярное уравнение
Из сокращенного уравнения видно, что ионы ОН− воды связываются в слабый электролит, ионы Н + накапливаются в растворе и cреда становится кислой pH катодное покрытие
Реакции в кислой среде:
А: Fe 0 -2e - →Fe 2+
При нарушении целостности катодного покрытия разрушается защищаемый металл (Fe).
Zn более активный металл, чем Fe => анодное покрытие
А: Zn 0 -2e - →Zn 2+
При нарушении целостности анодного покрытия разрушается покрытие, а металл (Fe) остается защищенным.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Сущность электрохимической коррозии сводится к анодному окислению металла. Опытом установлено, что химически чистые металлы устойчивы в отношении коррозии. Они даже слабо взаимодействуют с кислотами. Это явление объясняется тем, что под действием молекул воды ионы металла переходят в раствор. Если металл химически чистый, то эти ионы удерживаются около него электронами, оставшимися на металле, поэтому раствор вокруг металла будет заряжен положительно. [1]
Сущность электрохимической коррозии схематически показана на фиг. Два различных металла погружены в электролит и соединены между собой проводом; один металл с более отрицательным потенциалом является анодом, а другой - с более положительным - катодом. [2]
Сущность электрохимической коррозии заключается в следующем. Структура металлов и сплавов неоднородна и состоит из двух ( например, феррита и цементита) и более фаз, а также различных примесей. При погружении технических металлов и сплавов в электролит отдельные неоднородные зерна их будут иметь различные потенциалы, а так как зерна электрически соединены друг с другом через массу металла, то получится большое количество от дельных гальванических микропар. При этом появляются токи, являющиеся основной причиной коррозии. [3]
Сущность электрохимической коррозии сводится к анодному окислению металла. На опыте установлено, что химически чистые металлы устойчивы в отношении коррозии. Они даже слабо взаимо действуют с кислотами. Это объясняется тем, что под действием молекул воды ионы металла переходят в раствор. Если металл химически чистый, то эти ионы удерживаются около пего электронами, оставшимися на металле, поэтому раствор вокруг металла будет заряжен положительно. [4]
Сущность электрохимической коррозии металлов состоит в том, что если в раствор какой-либо соли ( электролита) погрузить два разнородных металла, а наружные концы их замкнуть, то возникает электрохимический процесс с образованием гальванического тока. [5]
Из сущности электрохимической коррозии следует вывод: для торможения процесса коррозии необходимо обеспечить поляризацию поверхности металла созданием избытка электронов ( катодная поляризация) и замедлением перехода ионов железа в электролит ( анодная поляризация), что достигается комплексной защитой от коррозии. [6]
Чтобы понять сущность электрохимической коррозии , рассмотрим некоторые явления, лежащие в основе этого процесса. [7]
В чем заключается сущность электрохимической коррозии металлов . [8]
Для того чтобы понять механизм действия замедлителей, рассмотрим сущность электрохимической коррозии , которая дает объяснение большинства случаев коррозии. [9]
Чтобы правильно выбрать наиболее действительные методы защиты от этого разрушающего штанги фактора, рассмотрим сущность электрохимической коррозии . [10]
Одновременно в эквивалентном соотношении протекает сопряженная восстановительная реакция разряда ионов водорода. Именно к этому сводится сущность электрохимической коррозии металлов в водных растворах с выделением водорода. [11]
Именно к этому сводится сущность электрохимической коррозии металлов с выделением водорода. [12]
Именно к этому сводится сущность электрохимической коррозии металлов в водных растворах с выделением водорода. [13]
В результате физико-химических процессов, возникающих при взаимодействии металла с омывающей его средой, может возникать процесс разрушения металла, который называют коррозией. Если коррозионный процесс сопровождается протеканием электрического тока, его называют электрохимической коррозией. Сущность электрохимической коррозии состоит в том, что при соприкосновении металла с электролитами создаются условия для возникновения на поверхности обратимых и необратимых электродов, разность потенциалов которых и обусловливает наличие коррозионного тока. Если процесс коррозии подчиняется законам химических гетерогенных реакций и при этом не возникает электрический ток, его называют химической коррозией. [14]
Металлы и сплавы неоднородны. При соприкосновении их с электроли-тами ( кислотами, щелочами, солями) одни участки поверхности играют роль анода ( отдают электроны), а другие ( различного рода включения) - катода. На поверхности металла возникает множество микрогальванических пар и чем больше неоднородность металла, тем больше скорость его разрушения в электролитах. Сущность электрохимической коррозии нетрудно уяснить из следующего опыта ( рис. 69), В U-образную трубку с раствором NaCl помещают в левое колено железный, а в правое-медный стержни, соединенные медным проводником друг с другом через гальванометр. Стрелка гальванометра отклоняется в сторону медного стержня. Ионы Fe2 можно обнаружить в левом колене, добавив красную кровяную соль ( реактив на Fe2) - синее окрашивание. Следовательно, медный стержень - поставщик электронов - катод, а железный стержень - анод. Анионы ОН - появляются в растворе вследствие восстановления кислорода, растворенного в воде, с помощью электронов, поступающих на медный стержень. [15]
Читайте также: