Механизм электрохимической коррозии

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

«Определение скорости кислотной коррозии цинка

С помощью водородного коррозиметра»

 

Цель работы: определение скорости коррозии цинка различной чистоты в кислых средах

Оборудование: химический стакан на 200 мл, водородных коррозиметр, цинк различной чистоты

Реактивы: растворы: 0,01 н HCl;д;д;; 0,1 н HCl; 1 н НCl.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Коррозия металлов - физико-химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы.

Основы теории коррозии

Любой коррозионный процесс является многостадийным.

    1. Подвод коррозионной среды или отдельных ее компонентов к поверхности металла.
    2. Взаимодействие среды с металлом.
    3. Полный или частичный отвод продуктов от поверхности металла (в объем жидкости, если среда жидкая).

Большинство металлов (кроме золота, серебра, платины, меди) встречаются в природе в ионном состоянии: оксиды, сульфиды, карбонаты и так далее и называются обычно рудами. Ионное состояние более выгодно, оно характеризуется меньшей внутренней энергией. Это заметно при получении металлов из руд и их коррозии. Поглощенная энергия при восстановлении металла из соединений свидетельствует о том, что свободный металл обладает более высокой энергией, чем металлическое соединение. Это приводит к тому, что металл, находящийся в контакте с коррозионно-активной средой стремится перейти в энергетически выгодное состояние с меньшим запасом энергии. Первопричиной коррозии металла является термодинамическая неустойчивость металлов в заданной среде.

Механизм электрохимической коррозии

Под электрохимической коррозиейподразумевают процесс взаимодействия металлов с электролитами в виде водных растворов, реже с неводными электролитами, например, с некоторыми органическими электропроводными соединениями или безводными расплавами солей при повышенных температурах. Рассмотрим схему этого процесса. Сложность его заключается в том, что на одной и той же поверхности происходят одновременно два процесса, противоположные по своему химическому смыслу: окисление металла и восстановление окислителя. Оба процесса должны протекать сопряженно, чтобы сохранялось равенство числа электронов, отдаваемых металлом и присоединяющихся к окислителю в единицу времени. Только в этом случае может наступить стационарное состояние. По такому принципу протекают, например, взаимодействие металла с кислотами:

Zn0 + 2HCl = Zn2+ +2Cl- +H2

Эта суммарная реакция состоит из двух актов:

Zn0 = Zn2+ + 2e

2H+ + 2e = H2

Электрохимическая коррозия часто связана с наличием в металле случайных примесей или специально введенных легирующих добавок.

Многие химики в своё время были озадачены тем, что иногда реакция

Zn + H2SO4 = ZnSО4 + H2

не протекает. Было выяснено, что в такой ситуации в раствор нужно добавить немного сульфата меди (II) (медного купороса). В этом случае на поверхности цинка выделится медь

CuSO 4 + Zn = ZnSO 4 + Cu

и водород начнёт бурно выделяться. При объяснении данного явления в 1830 году швейцарским химиком А. де-ля Ривом была создана первая электрохимическая теория коррозии. В 1800 году, вскоре после открытия итальянцем Л. Гальвани электрохимического явления, его соотечественник А. Вольта сконструировал источник электрического тока – гальванический элемент, что открыло человечеству эру электричества. В одном из вариантов источник состоял из чередующихся медных и цинковых дисков, разделенных пористым материалом и пропитанных раствором соли. В зависимости от числа дисков получается ток различной силы. При осаждении на поверхности цинка металлической меди получается короткозамкнутый элемент. В нём цинк является анодом, а медь – катодом. Поскольку медь находится в контакте с цинком и оба эти металла окружены раствором электролита, гальванический элемент является “включенным”. Цинк в виде иона Zn2+ переходит в раствор серной кислоты, а оставшиеся от каждого атома два электрона перетекают на более электроположительный металл – медь:

Zn = Zn2+ + 2e –

К медному аноду подходят ионы водорода, принимают электроны и превращаются в атомы водорода, а затем и в молекулы водорода:

H + + e (Cu) = H

2H = H 2

Таким образом, потоки движения ионов разделены и при избытке кислоты процесс протекает до тех пор, пока не растворится весь цинк.

Итак, процессы электрохимической коррозии протекают по законам электрохимической кинетики, когда общая реакция взаимодействия может быть разделена на следующие, в значительной степени самостоятельные, электродные процессы:

  • анодный процесс- переход металла в раствор в виде ионов (в водных растворах, обычно гидратированных) с оставлением эквивалентного количества электронов в металле;
  • катодный процесс- ассимиляция появившихся в металле избыточных электронов деполяризаторами.

Различают коррозию с водородной, кислородной или окислительной деполяризацией. При наличии в растворе газообразного кислорода и невозможностью протекания процесса коррозии с водородной деполяризацией основную роль деполяризатора исполняет кислород. Коррозионные процессы, у которых катодная деполяризация осуществляется растворенным в электролите кислородом, называют процессами коррозии металлов с кислородной деполяризацией. Это наиболее распространенный тип коррозии металла в воде, в нейтральных и даже в слабокислых солевых растворах, в морской воде, в земле, в атмосфере воздуха.

Общая схема кислородной деполяризации сводится к восстановлению молекулярного кислорода до иона гидроокисла:

O2 + 4e +2H2O = 4OH-

Коррозия металла с кислородной деполяризацией в большинстве практических случаев происходит в электролитах, соприкасающихся с атмосферой, парциальное давление кислорода в которой равно 0,21 атм.

Каждый процесс с кислородной деполяризацией включает следующие последовательные стадии.

  1. Растворение кислорода в электролите.
  2. Транспортировка растворенного кислорода в растворе электролита (за счет диффузии или перемешивания).
  3. Перенос кислорода в результате движения электролита.
  4. Перенос кислорода в диффузионном слое электролита или в пленке продуктов коррозии металла к катодным участкам поверхности.
  5. Ионизация кислорода

В реальных условиях коррозии металла наиболее затрудненными стадиями процесса являются:

  1. Реакция ионизации кислорода на катоде. Возникающую при этом поляризацию называют перенапряжением кислорода. Говорят, что процесс идет с кинетическим контролем.
  2. Диффузия кислорода к катоду, либо перенапряжение диффузии. В этом случае, говорят, что процесс идет с диффузионным контролем.

Возможны случаи, когда обе стадии – ионизация кислорода и диффузия кислорода оказывают влияние на процесс. Тогда говорят, о кинетически-диффузионном контроле.

Возможна коррозия с водородной деполяризацией. Такой вид катодного процесса возмо­жен во всех типах коррозионных сред (нейтральных, щелочных, кислых), но чаще наблюдается в кислых средах при транспорти­ровке и хранении кислот, травлении проката, кислотной очистке металлической поверхности.

Разряд ионов водорода на катоде представляют в виде схемы, состоящей из следующих стадий:

1. Диффузия и миграция гидратированных ионов водорода к катоду:

Н+ + Н2О = Н3О+

2. Дегидратация ионов водорода:

Н3О+ = Н+ + Н2О

3. Вхождение иона водорода в состав двойного слоя.

4. Разряд иона водорода:

Н+ + е = Надс.

5. Рекомбинация атомов водорода в молекулу:

Надс + Надс = Н2
6. Образование и отрыв пузырьков из молекул водорода от поверхности электрода.

Сущность первой электрохимической теории состояла в том, что примеси в металлах создают микрогальванические элементы, в которых происходит перетекание электронов от анодных участков к катодным. Поскольку катодный и анодный процессы разделены на поверхности, то разделены и противоположные потоки ионов, атомов и молекул. Разделенные потоки не мешают друг другу, и по этой причине процесс коррозии протекает быстрее, чем в случае микрогальванических элементов.

Конечно, в настоящее время теории электрохимической коррозии выглядят гораздо более совершенными. Они основаны на многочисленных экспериментальных фактах и выражены в математической форме.