К о р о з і я м е т а л і в

Запитання і задачі:

1. У чому полягає суть хімічної та електрохімічної корозії металів?

2. Які метали на повітрі вкриваються захисними плівками оксидів?

3. У контакті з яким із двох металів – купрумом чи плюмбумом – ферум буде руйнуватися швидше? Чому?

4. Що таке протекторний метод захисту металів від корозії?

5. Які з перелічених металів можна використати для захисту феруму за методом протекторів: алюміній, плюмбум, купрум, цинк, нікол?

6. Що таке інгібітори?

 

7. Що відбуватиметься при порушенні захисного покриття ніколу на виробі з феруму, якщо виріб знаходиться у воді? Скласти електронні рівняння анодного і катодного процесів.

8. Як протікає корозія лудженого й оцинкованого феруму при порушенні покриття у вологому повітрі? Скласти електронні рівняння анодного й катодного процесів.

9. У розчин хлорогідрогенної кислоти занурили звичайну цинкову пластинку й цинкову пластинку, частково покриту купрумом. У якому випадку процес корозії цинку проходитиме інтенсивніше? Чому? Складіть електронні рівняння анодного і катодного процесів.

 

Проведення дослідів

Дослід 1. Корозія оцинкованого і лудженого заліза

В кислому середовищі

У дві пробірки наливають по 2-3 мл розбавленої сульфатної кислоти і додають по дві краплі розчину червоної кров’яної солі K₃[Fe(CNS)]. Беруть дві залізні канцелярські скріпки, затискають в одну шматочок цинку, в другу – стануму і занурюють їх у пробірки. Пробірку з парою станум – ферум трохи нагрівають. Через деякий час спостерігають утворення турнбулевої блакиті Fe₃[Fe(CN)₆]₂. Креслять схеми гальванопар та пояснюють їх роботу за допомогою рівнянь.

Дослід 2. Вплив на швидкість корозії контакту більш

Активного металу з менш активним

У пробірку наливають розбавлену хлорогідрогенну кислоту й занурюють шматочок цинку. Впевнившись у тому, що виділення водню проходить з невеликою швидкістю, доторкаються до цинку дротом з купруму. Дріт забирають й ще раз доторкаються ним до цинку. Спостерігають, як змінюється швидкість виділення водню при дотику до цинку дротом з купруму. Звертають увагу на те, на якому з металів виділяється гідроген при контакті з цинку з купрумом. Складають електронні рівняння реакції й схему гальванопари при контакті купруму з цинком. Встановлюють вплив на швидкість корозії цинку в кислому середовищі менш активного металу.

Дослід 3. Корозія алюмінію в умовах лужного середовища

У пробірку кладуть трохи ошурок алюмінію і доливають 30% розчин лугу. Доводять дослідним шляхом, що газ, який виділяється – водень. Складають рівняння реакції, враховуючи, що в процесі бере участь вода. Який механізм розчинення алюмінію в лугах? Чи доцільно використовувати алюміній як арматуру в середовищі твердіючого бетону на основі силікатного цементу?

 

МЕТОДИЧНІ ПОРАДИ

Корозія (лат. Corrodere – роз’їдати) – це самочинний процес руйнування металів та їх сплавів під дією хімічного або електрохімічного впливу навколишнього середовища.

Критерієм самочинного перебігу процесу є ізобарно-ізотермічний потенціал ∆G. Для більшості металів величина ∆G має від’ємне значення, що говорить про можливість їх руйнування при звичайних умовах.

Для реакції Zn + O₂ = ZnO ∆G = -318,5 кДж. Це є свідченням того, що цинк самочинно окиснюється. Металічний стан більшості технічних металів в атмосфері або в інших середовищах залишається термодинамічно нестабільним. Це визначає прагнення більшості металів до самочинного корозійного руйнування. Термодинамічна нестабільність металу залежить від його природи, особливостей корозійного середовища і умов, при яких середовище діє на метал. Так, алюміній в лужному середовищі буде руйнуватись інтенсивніше (∆G = –1140 кДж), ніж залізо у хлорогідрогенній кислоті (∆G = -304кДж).

Розрізняють два механізми корозійного процесу: хімічний і електрохімічний. Хімічна корозія відбувається за законами гетерогенних хімічних реакцій. Атоми металів безпосередньо взаємодіють з агресивним середовищем. Прикладом хімічної корозії може бути руйнування металів під дією різних сухих газів і неелектролітів.

Електрохімічна корозія відбувається за законами електрохімічної кінетики з розмежуванням процесу на два самочинних, але зв’язаних між собою, анодний і катодний:

анодний – окиснення металу Ме^о – ne ^- = Meⁿ⁺;

катодний – наприклад, відновлення іонів гідрогену 2Н⁺ + 2 е^- = Н₂ або молекул кисню, розчиненого у воді О₂ + 2Н₂О + 4 е ^- = 4ОН ^-.

На повітрі і особливо при високих температурах корозія зводиться до взаємодії металу з киснем. Залізо, сталь, чавун покриваються окалиною складної будови, яка складається із FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃. Одночасно відбуваються процеси обідніння поверхні сталі цементитом (Fe₃C):

Fe₃C + O₂ = 3Fе + CO₂↑.

Швидкість корозії зростає також при підвищені тиску газового середовища.

Особливим випадком корозії є руйнування в присутності водню, який з підвищенням температури і тиску зменшує міцність сталі (гідрогенна крихкість сталі). Крихкість обумовлена взаємодією цементиту з воднем:

Fe₃C + 2H₂ = 3Fe + CH₄

Під дією газів руйнуються більшість кольорових металів.

Основним методом боротьби з корозією, яка відбувається під дією газів, може бути легування, створення на поверхні металу захисних покриттів. Так, добавка до сталі 3,5% алюмінію збільшує її стійкість вдвічі навіть при 900 ^оС.

Умовою перебігу електрохімічної корозії є присутність електроліту. Практично метали неоднорідні і при дії електролітів на межі розподілу фаз виникає безліч гальванопар.

Іноді сполуки корозії утворюють на поверхні металів щільний шар, який захищає метал від подальшого руйнування. Швидкість корозії залежить від суцільності оксидної плівки. Суцільність оксидного шару можна оцінити відношенням об’єму оксиду V_MexO_y до об’єму металу, витраченого на утворення цього оксиду V_Me: α = . Метали, в яких α<1, не мають суцільної плівки. Для суцільних і стійких плівок значення факторів α перебувають у межах від 1,2 до 1,6. До дії таких металів можна віднести, наприклад, магній, алюміній, цинк, плюмбум та деякі інші.

В залежності від умов перебігу корозійного процесу розрізняють наступні види корозії: атмосферна, ґрунтова, в електролітах, корозія під дією мандрівного струму, механічних навантажень разом з дією агресивного середовища, біохімічна корозія.

Корозійні процеси обумовлені об’ективними законами природи. На основі їх вивчення вдається в якійсь мірі загальмувати шкідливий вплив агресивного середовища.

Методи захисту від корозії можна поділити на три групи. До першої належать методи, пов’язані з необхідністю зміни властивостей металів, до другої – зміни властивостей корозійного середовища, до третьої – електрохімічні методи.

За першим варіантом захист грунтується на спрямованому модифікуванні хімічного складу металів і нанесень на їхню поверхню ізолювальних плівок.

Прикладом може бути легування сталей, на якому засноване виробництво нержавіючих сталей. Вони містять хром, здатний утворювати пасивуючі оксидні плівки, а для запобігання пітингової корозії, до якої мають нахил хромисті сталі, додають молібден.

На повітрі і особливо при високих температурах корозія зводиться до взаємодії металу з киснем.

Ізолювальні неметалічні покриття можуть бути неорганічними та органічними. До органічних захисних плівок належать мастила (різні мінеральні масла, вазелін, парафін, бітуми тощо), які використовують для тимчасового захисту металів від корозії. Для тривалішого захисту застосовують високов’язкі композиції – пластичні (консистентні) мастила. Для захисту зовнішньої поверхні конструкцій у процесі їх експлуатації в атмосфері або інших агресивних середовищах, наприклад, у річковій та морській воді, широко використовують лакофарбні покриття. Різні ємкості та сховища, наприклад, електролітичні ванни та кислотозбірники, захищають від корозії покриттям їхньої поверхні гумою або ебонітом, які мають високу стійкість у багатьох агресивних середовищах. Нарівні з органічними покриттями для облицювання металів застосовують неорганічні – емалі, кислототривкі плитки, цементи тощо.

Захисні плівки на поверхні металів можна створювати перетворенням їхнього поверхневого шару на хімічні сполуки, які ефективно перешкоджають контакту металу з агресивними середовищами шляхом обробки металів хімічними реагентами чи електричним струменем. Захисні плівки складаються з важкорозчинних сполук металу (оксидні, фосфатні, боратні, змішані та ін.). Прикладом утворення пасивуючих плівок під впливом хімічних реагентів може бути хімічне оксидування сталі, яке широко використовують на практиці для захисту металовиробів від атмосферної корозії. Прикладом електрохімічного утворення поверхневих оксидних плівок є анодне оксидування алюмінію та його сплавів. Електрохімічний процес проводять у кислотному розчині, де металічні вироби є анодами. Тому цей метод іноді називають анодуванням.

Ефективного захисту металів від корозійного руйнування досягають нанесенням на їхню поверхню металічних плівок. Для цього використовують гальванічні процеси, гарячі методи нанесення покриттів, методи напилення у вакуумі, термодифузійні методи тощо. Відносно основного металу розрізняють катодні та анодні покриття, тобто покриття, які є відповідно менш і більш активними ніж метал, який захищається.

До перших з них належать металічні покриття, потенціали яких у даному середовищі більші за потенціал металу, який захищають від корозії (наприклад, олово, мідь, нікол, срібло на вуглецевих або низьколегованих сталях). Їх дія зумовлена механічною ізоляцією металовиробів від впливу середовища. Тому порушення їх суцільності створює небезпеку відновлення корозійного процесу, який посилюється за рахунок роботи гальванічних пар (анодом є більш активний основний метал) і може навіть призвести до відокремлення захисної металічної плівки.

До другої групи належать металічні покриття, потенціал яких менший за потенціал основного металу (цинк, кадмій). Їх дія зумовлена не тільки механічним екрануванням, а й можливістю протекторного захисту оголених ділянок поверхні. Для прикладу розглянемо процеси, які відбуваються у разі порушення суцільності цинкового покриття на залізі. Під час потрапляння вологи на місце зруйнованого цинкового шару виникає гальванічна пара цинк – ферум. Цинк, як більш активний метал, із ферумом має більш від’ємний електродний потенціал і тому виконує роль анода. Він окиснюється і переходить у розчин у вигляді іонів Zn = Zn²⁺ + 2 e^-. Електрони переходять на залізо, що перебуває у безпосередньому контакті з цинком, де можлива реакція відновлення:

2Н₂О + О₂ + 4 е ^- = 4ОН ^-.

Захищають метали від корозії і за другим варіантом, змінюючи властивості середовища.

Це досягається вилученням або зменшенням вмісту в корозійному середовищі агресивних компонентів або за допомогою речовин, які називаються інгібіторами корозії.

До найпоширеніших агресивних компонентів середовищ належать кисень та іони гідрогену. Концентрацію розчиненого кисню, який є основною корозійно активною складовою в нейтральних та близьких до них середовищах, знижують за допомогою деаерації розчинів їх нагріванням, барботуванням інертного газу.

Ефективно впливають на корозійні властивості середовища заходи щодо його нейтралізації, оскільки часто найбільша швидкість корозії спостерігається в кислих або лужних середовищах.

Захищають метали використанням інгібіторів корозії – спеціальних хімічних речовин, які додають у малих кількостях до агресивного середовища і в десятки та сотні разів знижують швидкість корозійного процесу. Вони здатні гальмувати корозію металів у кислих, нейтральних та лужних розчинах. Їх поділяють на неорганічні та органічні, оскільки механізм дії та галузі застосування різні. Гальмівна дія неорганічних інгібіторів зумовлена окисненням поверхні металу з переведенням її у пасивний стан (нітрити, хромати та ін.) або утворенням плівки важко розчинених сполук з металом (фосфати, борати, силікати тощо). Органічні інгібітори – це поверхнево активні речовини, які адсорбуються на поверхні металів і значно гальмують електрохімічні корозійні процеси. До них належать органічні сполуки, що містять нітроген, сульфур, оксиген.

Електричні методи захисту металів відносяться до третього варіанту захисту. До них належать катодний, анодний, а також протекторний захист металів від корозійного руйнування.

Зміст катодного захисту полягає в тому, що металоконструкції приєднують до негативного полюса зовнішнього джерела струму (тобто їх перетворюють на катод). До позитивного полюса приєднують електрод з малоцінного металу, який виконує функцію анода. Внаслідок цього для металу, що захищається, рівновага Meⁿ⁺ + ne^- ↔Me зміщується у бік металу (катодна поляризація) і його корозія припиняється.

Протекторний захист відрізняється від розглянутого катодного тим, що негативний потенціал на металічну конструкцію подається не від джерела постійного струму, а за рахунок використання більш активного металу як анода (цинку, магнію, алюмінію, сплавів). Останній під час корозійного розчинення створює в системі електричний струм потрійної сили.

Анодний захист полягає в накладанні на метал анодної поляризації, тобто позитивного потенціалу від джерела струму. За рахунок цього метал, який захищають, окиснюється, і на його поверхні утворюється захисна плівка. Цей метод захисту застосовують лише для металів і сплавів, які здатні за даних умов до пасивації.

 

 

Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А № 8

СПОЛУКИ МАГНІЮ І КАЛЬЦІЮ

Запитання і задачі:

1. Напишіть найважливіші сполуки магнію і кальцію, що зустрічаються в земній корі.

2. Які зміни відбуваються при термічній дисоціації карбонатів магнію та кальцію?

Напишіть реакції гашення і твердіння вапна.

3. Як отримують магнезіальний цемент і де його застосовують?

4. Що є сировиною для отримання гіпсу будівельного? Напишіть рівняння реакції отримання гіпсу будівельного і його взаємодії з водою.

5. Як отримують карбід кальцію? Де його використовують?

7. Скільки отримують негашеного вапна при обпаленні 500 кг вапняку, який має 15% некарбонатних домішок?

 

Проведення дослідів