Раздел 18. Коррозия металлов. Методы

Защиты от коррозии

Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Формы проявления коррозии разнообразны. Процесс разрушения металлов можно классифицировать по условиям, характеру разрушения и механизму протекания.

По условиям протекания различают газовую, атмосферную, жидкостную, подземную, биокоррозию, коррозию внешними токами и т. д.

По характеру разрушения возможна сплошная, равномерная, неравномерная, избирательная, местная коррозия и т. д.

По механизму протекания коррозия может быть химическая и электрохимическая.

Химическая коррозия – это окисление металлов, не сопровождающееся возникновением электрического тока. Первопричиной разрушения является термодинамическая неустойчивость металла в различных средах, при этом металл самопроизвольно переходит в более устойчивое окисленное состояние Me^{+ n}. Химическая коррозия возникает в сухих газах и жидких неэлектролитах (бензин, нефть и др.).

Электрохимическая коррозия протекает в электролитах и сопровождается возникновением электрического тока. Так как любой металл содержит примеси, то в среде электролита между основным металлом и примесным образуется большое число микрогальванических элементов. Аналогично при контакте двух различных металлов образуется микрогальванический элемент. Работа этих гальванических элементов объясняется разностью стандартных электродных потенциалов (j°) металлов. Более активный металл, имеющий меньшее значение j°, является анодом, он окисляется, коррозирует. Менее активный металл будет катодом, он коррозии не подвергается, а служит проводником электронов от анода к окислительному элементу коррозионной среды. На катоде происходит процесс восстановления, который называется катодной деполяризацией.

Деполяризаторами являются кислород и водород. В кислой среде или атмосфере, загрязненной SO₂, H₂S, CO₂, происходит водородная деполяризация. В общем виде катодный и анодный процесс записывают следующим образом:

А. Me⁰ - n e ® Me^{+ n}

К. 2H⁺ + 2 e ® H₂­

Кислородная деполяризация протекает в грунте, воде, нейтральных растворах солей, щелочных средах:

А. Me⁰ - ne ® Me^{+ n}

К. O₂ + 2H₂O + 4 e ® 4OH^-

Анодное окисление и катодная деполяризация называются первичными процессами коррозии. Если первичные продукты при взаимодействии между собой образуют малорастворимое соединение, то происходит вторичный процесс.

Например, коррозия оцинкованного железа описывается так: из табл. 8 приложения выписываем значения стандартных электродных потенциалов Fe и Zn:

Более активным является цинк, он будет анодом, а значит, окисляется; менее активный металл – железо служит катодом, на нем происходит процесс деполяризации:

в кислой среде:

А. Zn⁰ - 2 e ® Zn⁺²

К. 2H⁺ + 2 e ® ­

в нейтральной и щелочной средах:

А. Zn⁰ - 2 e ® Zn⁺²

К. + 2H₂O + 4e ® 4OH^-

Вторичный процесс:

Zn⁺² + 2OH^- ® Zn(OH)₂¯

Пленки вторичных продуктов обладают защитным действием по отношению к металлам.

Вещества, замедляющие процесс коррозии, называются пассиваторами. К ним относятся сильные окислители: HNO₃, NaNO₃, K₂CrO₄ и др. Активаторами (ускорителями) коррозии являются H₂S, Na₃SO₃, Na₂S₂O₃, H⁺, Cl^-, Br^-, I^-, SO₄^-2.

 

Методы защиты от коррозии

Защитные покрытия. Металлические покрытия могут быть катодными и анодными. Катодные покрытия имеют более высокое значение j°, чем защищаемый металл; они служат до тех пор, пока не нарушена целостность покрытия. При появлении трещин катодное покрытие перестает быть защитным и начинает ускорять процесс коррозии. Анодное покрытие, имея менее высокое значение j°, чем защищаемый металл, разрушается само, сохраняя основной металл.

К неметаллическим покрытиям относятся лаки, краски, эмали, масла, битумы и т. д.

Химические покрытия – это оксидные, хроматные, фосфатные и другие пленки.

Замедлить коррозию можно путем введения дезактиватора в коррозионную среду: для защиты амфотерных металлов необходимо нейтрализовать кислую или щелочную среду. Ингибиторами (замедлителями) коррозии служат уротропин N₄(CH₂)₄, пиридин C₆H₅N, формальдегид CH₂O, диэтиламин (CH₃CH₂)₂NH. Защитить металл можно, освободив его от примесей, а также введя легирующие добавки (Cr, Ni).

Протекторная защита относится к электрохимическим способам. Для этого создается электрическая цепь, в которой защищаемый объект является катодом, а протектор – анодом. Протектор периодически меняют по мере его разрушения. Этот способ применяют для защиты корпусов морских судов.

 

ЗАДАЧИ *

 

18.1. Как происходит коррозия цинка, находящегося в контакте с кадмием в нейтральном и кислом растворе? Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса. Каков состав продуктов коррозии?

18.2. Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса.

18.3. Медь не вытесняет водород из разбавленных растворов кислот. Почему? Однако если к медной пластинке, опущенной в кислоту, прикоснуться цинковой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив уравнения анодного и катодного процесса. Написать уравнение протекающей химической реакции.

18.4. Как происходит атмосферная коррозия луженого железа и луженой меди при нарушении покрытия? Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса.

18.5. Если пластинку из чистого цинка опустить в разбавленную кислоту, то начавшееся выделение водорода вскоре почти прекращается. Однако при прикосновении к цинку медной палочкой на последней начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив уравнения анодного и катодного процесса. Написать уравнение протекающей химической реакции.

18.6. В чем сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Привести пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород. Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса.

18.7. Железное изделие покрыли никелем. Какое это покрытие: анодное или катодное? Почему? Составить уравнения анодного и катодного процесса коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?

18.8. Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары магний – никель. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?

18.9. В раствор хлороводородной (соляной) кислоты поместили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.

18.10. Почему химически чистое железо более стойко против коррозии, чем техническое железо? Составить электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в кислой среде.

18.11. Какое покрытие металла называется анодным и какое катодным? Назвать несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытия железа. Составить электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью, во влажном воздухе и в кислой среде.

18.12. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие: анодное или катодное? Почему? Составить уравнения анодного и катодного процесса коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?

18.13. Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие: анодное или катодное? Почему? Составить уравнения анодного и катодного процесса коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?

18.14. Две железные пластинки, частично покрытые одна оловом, другая медью, находятся во влажном воздухе. На какой из пластинок быстрее образуется ржавчина? Составить уравнения анодных и катодных процессов коррозии этих пластинок. Каков состав продуктов коррозии железа?

18.15. Какой металл целесообразней выбрать для протекторной защиты свинцовой оболочки кабеля: цинк, магний или хром? Почему? Составить уравнения анодных и катодных процессов атмосферной коррозии. Каков состав продуктов коррозии?

18.16. Если опустить в разбавленную серную кислоту пластинку из чистого железа, то выделение на ней водорода идет медленно и со временем почти прекращается. Однако, если цинковой палочкой прикоснуться к железной пластинке, то на последней начинается бурное выделение водорода. Почему? Какой металл при этом растворяется? Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса.

18.17. Цинковую и железную пластинки опустили в раствор сульфата меди. Составить электронные и ионно-молекулярные уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут происходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводником?

18.18. Как влияет рН среды на скорость коррозии железа и цинка? Почему? Составить уравнения анодных и катодных процессов атмосферной коррозии этих металлов.

18.19. В раствор электролита, содержащий растворенный кислород, опустили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса.

18.20. Составить электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары алюминий – железо. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?

18.21. Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если покрытие нарушено? Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса. Каков состав продуктов коррозии?

18.22. К какому типу покрытий относится олово на стали и на меди?

18.23. Какие процессы протекают при коррозии луженой стали и меди в нейтральной среде? Написать уравнения катодных и анодных процессов.

18.24. Какие катодные и анодные реакции происходят при коррозии луженой стали и меди в кислой среде?

18.25. Привести примеры катодных и анодных покрытий для кобальта. Составить уравнения катодных и анодных процессов во влажном воздухе и соляной кислоте при нарушении покрытия.

18.26. Какой металл может служить протектором при защите железа от коррозии в водном растворе с рН = 10 в контакте с воздухом? Написать уравнения реакций протекающих процессов.

18.27. Написать уравнения электродных реакций, происходящих при катодной защите стальных труб.

18.28. Привести пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород.

18.29. Дать определение и перечислить основные ингибиторы коррозии.

18.30. Кратко охарактеризовать основные методы защиты металлов от коррозии.