Коррозия металлов

Лекция 18

Основные виды коррозии. Классификация коррозионных процессов. Химическая коррозия. Электрохимическая коррозия.

Коррозия — это разрушение металлов в результате его фи­зико-химического взаимодействия с окружающей средой. При этом металлы окисляются и образуются продукты коррозии, состав которых зависит от условий коррозии.

Коррозия — самопроизвольный процесс и соответственно протекает с уменьшением энергии Гиббса системы. Химическая энер­гия реакции коррозионного разрушения металлов выделяется в виде теплоты и рассеивается в окружающем пространстве.

Химическая коррозия, характерна для сред, не про­водящих электрический ток. При химической коррозии происхо­дит прямое гетерогенное взаимодействие металла с окислителем окружающей среды.

Химическая коррозия, характерна для сред, не про­водящих электрический ток. При химической коррозии происхо­дит прямое гетерогенное взаимодействие металла с окислителем окружающей среды. По условиям протекания коррозионного процесса различают: а) газовую коррозию—в газах и парах без конденсации влаги на поверхности металла, обычно при высоких температурах. Примером газовой коррозии может слу­жить окисление металла кислородом воздуха при высоких тем­пературах; б) коррозию в неэлектролитах — агрессивных орга­нических жидкостях, таких, как сернистая нефть и др.

Рассмотрим химическую коррозию в газах (газовая корро­зия), в частности коррозию в атмосфере кислорода. Уравнение реакции окисления металлов кислородом можно записать в об­щем виде

В соответствии с законами химической термодинамики эта реакция, как и другие реакции коррозии, может протекать лишь при условии уменьшения энергии Гиббса системы, т. е. при усло­вии, если энергия Гиббса ниже нуля: G<0. Так как, по опреде­лению, энергия Гиббса образования простых веществ равна ну­лю, то энергия Гиббса окисления металлов равна энергии Гиб­бса образования оксидов. Энергию Гиббса реакции окисления металлов рассчитывают по уравнению

,

где - стандартная энергия гиббса реакции; -относительное парциальное давление кислорода (р /100).

большинство металлов в атмосфере кислоро­да могут подвергаться химической коррозии. Однако термоди­намика указывает лишь на возможность протекания процессов, но не может предсказать их скорость.

 

Электрохимическая коррозия характерна для сред, имеющих ионную проводимость. При электрохимической коррозии процесс взаимодействия металла с окислителем вклю­чает анодное растворение металла и катодное восстановление окислителя. Электрохимическая коррозия может протекать: а) в электролитах — в водных растворах солей, кислот, щелочей, в морской воде; б) в атмосфере любого влажного газа; в) в почве.

процессы электрохимической коррозии подобны процессам, протекающим в гальванических элементах. 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. Хими­ческая энергия реакции окисления металла передается не в виде работы, а лишь в виде теплоты. Окислители играют двойную роль в коррозионных процес­сах. С одной стороны, они могут восстанавливаться и этим ускорять коррозию металлов, а с другой (для металла, способ­ного к пассивации) - вызвать пассивацию металла и резкое тор­можение коррозии. Обычно это наблюда­ется на металлах, способных пассивироваться, таких, как хром, алюминий, титан, цирконий, никель, тантал и др. Пассивностью металла называется состояние его повышенной коррозионной устойчивости, вызванное торможением анодного процесса.

Механизм электрохимической коррозии. Коррозия металлов в средах, имеющих ионную проводимость, протекает через анодное окисление металлов

Me⁰ - ne^- Me ⁿ⁺

и катодное восстановление окислителя (Ox)

Ox + ne^- Red

Наиболее часто при коррозии наблюдается восстановление молекул кислорода:

а) в нейтральной или щелочной среде: ;

б)в кислой среде: ;

и выделение водорода в кислой среде: ,

Ионы или молекулы, которые восстанавливаются на катоде, называются деполяризаторами. При атмосферной коррозии - коррозия во влажном воздухе при комнатной температуре - деполяризатором является кислород (коррозия с кислородной деполяризацией). Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода (коррозия с водородной деполяризацией).

Пример 1. Как происходит коррозия цинка, находящегося в контакте с кадмием в нейтральном и кислом растворе. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

Решение. Цинк имеет более отрицательный стандартный электродный потенциал ( =-0,763 В), чем кадмий ( = -0,403 В), поэтому он является анодом, а кадмий – катодом, возникает микрогальванопара:

(А) Zn/ среда / Cd (К)

 

Анодный процесс:	А:
Катодный процесс: а) в кислой среде   б) в нейтральной среде	К: К:

 

а) в кислой среде образуется соль цинка и газообразный водород

б) Так как ионы Zn²⁺ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии в нейтральной среде будет Zn(ОН)₂.

ЭДС системы равна разности потенциалов окислителя и восстановителя:

Е_. = - = - ,

то коррозия возможна при условии, что потенциал окислителя положительнее потенциала металла: > . Чем больше разность потенциалов, тем быстрее протекает коррозия, т.к. возрастает энергия Гиббса: G = - E∙n∙F,

где Е - ЭДС (Е) элемента в [В]; n – число электронов, принимающих участие в электродном процессе, F = 96500 Кл/моль=96500 Дж/моль В – число Фарадея.

Если ЭДС элемента имеет положительное значение (Е>0), то коррозия возможна, т.к. G < 0, а процесс протекает самопроизвольно.