Электрохимическая коррозия и методы защиты от нее
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Кафедра химии
Отчет по лабораторной работе № 4 «Электрохимическая коррозия и методы защиты от коррозии»
Минск 2010
Введение
Цель работы: на конкретных примерах ознакомиться с основными видами электрохимической коррозии и методами защиты металлов от коррозии.
1. Коррозия, возникающая при контакте двух металлов, различных по природе
.1 Ход и данные опыта
В стеклянную трубку, согнутую под углом, поместили гранулу цинка и добавили 3-4 мл 0,01 н раствора H2SO4. На цинковой грануле начал выделяться водород.
+ H2SO4 = ZnSO4 + H2
Затем поместили полоску меди в раствор таким образом, чтобы она не касалась гранулы цинка. В данном случае никаких признаков реакции не наблюдаем, т.к. медь неактивный металл и с серной кислотой не реагирует. При контакте цинковой гранулы и медной полоски наблюдаем интенсивное выделение газа на меди.
1.2 Расчет, наблюдение и анализ данных
При контакте меди и цинка в растворе кислоты возникает короткозамкнутый микрогальванический элемент по типу Вольта, где анодом является цинк (ф0Zn|Zn2+ < ф0Cu|Cu2+), а катодом - медь. На аноде идет окисление (разрушение) цинка, а на катоде - восстановление водорода.
Электрохимическая схема короткозамкнутого микрогальванического элемента
(-) Zn | H2SO4 , H2O | Cu (+)
A: Zn - 2e = Zn2+: 2H+ + 2e = H2
Цинк корродирует с водородной деполяризацией. Коррозия меди в данных условиях не возможна, т.к. медь является катодом, а на катоде восстанавливаются окислители из окружающей среды.
Вывод: коррозия металла возникает вследствие контакта двух металлов в растворе электролита, из-за чего возникает короткозамкнутый микрогальванический элемент, на аноде которого идет разрушение металла.
2. Коррозия, возникающая при образовании микрогальванопар
.1 Ход и данные опыта
Поместили в пробирку гранулу цинка, налили 3 мл разбавленного раствора H2SO4 и добавил несколько капель раствора сульфата меди CuSO4. Поверхность цинка начала темнеть, а раствор сульфата меди CuSO4 обесцвечиваться.
2.2 Расчет, наблюдение и анализ данных
В ходе реакции на поверхности цинка начала выделяться медь, чем и объясняется обесцвечивание раствора сульфата меди CuSO4 . В местах контакта выделившийся меди и гранулы цинка возникло множество микрогальванических элементов, где анодом является цинк (ф0Zn|Zn2+ < ф0Cu|Cu2+), а катодом - медь.
(1) Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2+ 2H+ = Zn2+ + H2
в-ль (-0,76 В) о-ль (0 В)
Е1 = ф0о-ля - ф0в-ля = 0 + 0,76 = 0,76 В
(2) Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu+ Cu2+ = Zn2+ + Cu
в-ль (-0,76 В) о-ль (+0,34 В)
Е2 = ф0о-ля - ф0в-ля = 0,34 + 0,76 = 1,1 В
Т.к. Е2 > Е1 , то реакция (2) предпочтительнее.
Электрохимическая схема микрогальванического элемента
(-) Zn | CuSO4 , H2SO4 , H2O | Cu (+)
A: Zn - 2e = Zn2+: 2H+ + 2e = H2
Zn + 2H+ = Zn2+ + H2
Цинк корродирует с водородной деполяризацией.
Вывод: при образовании микрогальванопар корродируют металлы, являющиеся анодом в данной микрогальванопаре.
3. Активирующее действие ионов CI- на процессы коррозии
.1 Ход и данные опыта
Налили в две пробирки по 3 мл раствора CuSO4, подкисленного разбавленным раствором H2SO4. В каждую из пробирок поместили по грануле Al. Во вторую пробирку добавили несколько капель раствора NaCl. Поверхность гранулы потемнела, а раствор CuSO4 начал обесцвечиваться, начал выделяться газ.
3.2 Расчет, наблюдение и анализ данных
В первой пробирке не наблюдалось никаких признаков реакции, т.к. Al на воздухе покрывается оксидной пленкой Al2O3 . При добавлении во 2-ую пробирку раствора NaCl алюминий начал покрываться медью, чем и объясняется обесцвечивание раствора CuSO4 . В местах контакта выделившийся меди и гранулы алюминия возникло множество микрогальванических элементов, где анодом является алюминий (ф0Al|Al3+ < ф0Cu|Cu2+), а катодом - медь.
Под действием ионов Cl- происходит разрушение Al2O3 на поверхности Al. Al, лишенный оксидной пленки, химически активный и вступает в химические взаимодействия.
) 2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2
в-ль (-1,66 В) о-ль (0 В)
E1 = ф0о-ля - ф0в-ля = 0 + 1,66 = 1,66 B
) 2Al + 3CuSO4 = Al2(SO4)3 + 3Cu
в-ль (-1,66 В) о-ль (+0,34 В)
Е2 = ф0о-ля - ф0в-ля = 0,34 + 1,66 = 2 В
Т.к. Е2 > Е1 , то реакция (2) предпочтительнее.
Cхема микрогальванических элементов
(-) Al | CuSO4 , H2O , H2SO4 , NaCl | Cu (+)
A: Al - 3e = Al3+: 2H+ + 2e = H2
2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2
Коррозии подвергается алюминий с водородной деполяризацией.
Вывод: ионы Cl- способны разрушать пассивирующие слои на поверхности металлов, что приводит к ослаблению устойчивости металлов к коррозии.
4. Анодные и катодные защитные покрытия
.1 Ход и данные опыта
В два химических стакана налили по 5 мл 3 %-ного раствора NaCl, добавили в каждый из них по несколько капель раствора К3[Fe(CN)6] (индикатора на ионы Fe2+). Опустили в один стакан кусочек оцинкованного железа, а в другой - луженого, предварительно сделав на их поверхности глубокие царапины. В стакане с оцинкованным железом не наблюдается никаких изменений. В стакане с луженым железом раствор в близости царапин на поверхности металла приобрел синюю окраску.
4.2 Расчет, наблюдение и анализ данных
В первом стакане в месте царапины образовался короткозамкнутый гальванический элемент, в котором анод - Zn, катод - Fe (ф0Zn|Zn2+ < ф0Fe|Fe2+).
Схема микрогальванического элемента
(-) Zn | NaCl, H2O, O2 , pH=7, K3[Fe(CN)6]| Fe (+)
A: Zn - 2e = Zn2+: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-
Zn + O2 + 2H2O = 2Zn2+ + 4OH-
Вторичная реакция: 2Zn2+ + 4OH- = 2Zn(OH)2
Синего окрашивания в растворе с оцинкованным железом не наблюдалось, т.к. в растворе отсутствовали ионы железа Fe2+. В результате коррозии в растворе оказались ионы цинка. В ходе вторичной реакции образовался гидроксид цинка - нерастворимое основание, что замедляет процесс коррозии.
Такой вид покрытия называется анодным.
Во втором стакане в месте царапины образовался короткозамкнутый гальванический элемент, в котором анод - Fe, катод - Sn (ф0Fe|Fe2+ < ф0Sn|Sn2+).
Схема микрогальванического элемента
(-) Fe | NaCl, H2O, O2 , pH=7, K3[Fe(CN)6]| Sn (+)
Fe + O2 + 2H2O = 2Fe2+ + 4OH-
Вторичная реакция: 2Fe2+ + 4OH- = 2Fe(OH)2
В растворе с луженым железом наблюдалось синее окрашивание, т.к. в растворе присутствовали ионы железа Fe2+, что свидетельствует о растворении железа. В ходе вторичной реакции образовался гидроксид железа - нерастворимое основание, что замедляет процесс коррозии.
Такой вид покрытия называется катодным.
Вывод: анодное покрытие является надежным, т.к. оно разрушается само, а не изделие, хотя есть прямой контакт этого изделия с электролитом. Катодное покрытие, наоборот, является ненадежным, т.к. в случае его повреждения, начинает разрушаться само изделие, а не покрытие.
5. Протекторная защита
.1 Ход и данные опыта
Для изучения коррозионной устойчивости свинца в химический стакан налили 10 мл 0,2 н раствора СН3СООН, добавили несколько капель раствора KI (индикатора на ионы Pb2+) и опустили гранулу свинца. Раствор начал окрашиваться в желтый цвет.
В другой химический стакан поместили гранулы свинца и цинка так, чтобы они имели хороший контакт. При добавлении раствора СН3СООН и раствора KI желтого окрашивания не наблюдается.
5.2 Расчет, наблюдение и анализ данных
Окрашивание раствора в желтый цвет объясняется появлением в растворе ионов Pb2+ (Pb2+ + 2I- = PbI2), что свидетельствует о коррозии свинца.
Схема микрогальванопар коррозии
(-) Pb | CH3COOH, KI, H2O, O2, pH<7| Pb + примеси (+)
A: Pb - 2e = Pb2+: O2 + 4H+ + 4e = 2H2O
2Pb + O2 + 4H+ = 2H2O
Коррозия свинца протекает с кислородной деполяризацией.
Во втором случае желтое окрашивание не появляется, т.к. образуется микрогальванический элемент, где Zn - анод, Pb - катод. Идет коррозия цинка.
Схема микрогальванического элемента
(-) Zn | CH3COOH, KI, H2O, O2, pH<7| Pb (+)
A: Zn - 2e = Zn2+: O2 + 4H+ + 4e = 2H2O
2Zn + O2 + 4H+ = 2Zn2+ + 2H2O
Цинк в данном случае является протектором, т.к. имеет более низкий потенциал, чем у свинца.
Вывод: протекторная защита является надежной. Потенциал протектора всегда должен быть ниже, чем у защищаемого металла.
6. Катодная защита (электрозащита)
.1 Ход и данные опыта
коррозия микрогальванопар анодный покрытие
В химический стакан налили 30 мл 3 %-ного раствора NaCl и добавили несколько капель индикатора на ионы Fe2+- K3[Fe(CN)6], опустили стальную пластинку. Через некоторое время на отдельных участках пластинки появилось синее окрашивание, что свидетельствует о коррозии железа. В образующихся микрогальванических элементах анодом являются участки чистого железа, а катодом - участки с примесями.
Для проведения катодной защиты в химический стакан налили до 2/3 объема 3 %-ного раствора NaCl с добавлением K3[Fe(CN)6]. Не опуская в стакан с электролитом, подсоединили графитовый электрод к положительному полюсу источника постоянного тока, стальной - к отрицательному. Опустили электроды в раствор, пропустили ток напряжением 10 В в течение 2 мин. На обоих электродах выделился газ.
6.2 Расчет, наблюдение и анализ данных
Схема микрогальванического элемента
(-) Fe | NaCl, H2O, pH=7, O2, K3[Fe(CN)6] | Fe + примеси (+)
A: Fe - 2e = Fe2+: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-
2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe2+ + 4OH-
Коррозия протекает с кислородной деполяризацией.
Схема катодной защиты элемента
Fe | NaCl, H2O | C
K (-)A (+)+ 2H2O + 2e = 2H2 + 2OH- Cl- 2Cl- - 2e = Cl2
H2O H2O
На стальной пластинке выделился водород, на графитовом электроде - хлор.
Вывод: катодная защита является надежной, т.к. металл, находясь непосредственно в электролите, не корродирует.
Контрольные вопросы
. СFe2+ = 0,01 моль/л , pH=5, свободный доступ O2.
фFe|Fe2+ = ф0Fe|Fe2+ + (0,059/n)lgCFe2+ = -0,44 + (0,059/2)(-2) = -0,499 B= 1,23 - 0,059pH - фFe|Fe2+ = 1,23 - 0,059∙5 + 0,499 = 1,434 B - коррозия возможна.
∆G = -nFE < 0, т.к. E>0 - коррозия возможна.
. а) pH = 7; б)pH = 2
ф0Zn|Zn2+ = -0,76 B - анод.
ф0Ni|Ni2+ = -0,25 B - катод.)(-) Zn | pH = 7, H2O, O2 | Ni (+)
A: Zn - 2e = Zn2+: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-= фк - фа = 1,23 - 0,059pH + 0,76 = 1,577 B
б) (-) Zn | pH = 2, H2O, H+ | Ni (+)
А: Zn - 2e = Zn2+: 2H+ + 2e = H2
E2 = фк - фа = -0,059pH +0,76 = 0,642 B
Т.к. E1 > E2 , то с большей скоростью коррозия протекает в первом случае.
. pH = 0, m(Me) -?, V(H2) - ?
Оловянное покрытие на медном изделии будет анодным.
(-) Sn | pH=0, H+| Cu (+): Sn -2e = Sn2+: 2H+ + 2e = H2(Sn) = (A(Sn)∙I∙t)/(n∙F) = (1,2∙24∙60∙60∙119)/(2∙96500) = 63,9 г(H2) = (Vэ/F)∙I∙t = 11,2∙1,2∙24∙60∙60/96500 = 12 л