К уроку №33. Понятие о коррозии металлов. Способы защиты от коррозии
Посмотрите учебный фильм «Коррозия металлов, способы защиты от неё» и ответьте на вопросы:
Что такое «коррозия»?
Какие виды коррозии по механизму протекания можно выделить?
Какие виды защиты от коррозии существуют?
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
1. Коррозия (от латинского «corrodere» разъедать) – самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов вследствие взаимодействия с окружающей средой.
2. Виды коррозии : химическая и электрохимическая
I. Химическая – коррозия, обусловленная взаимодействием металлов с веществами, содержащимися в окружающей среде, при этом происходит окислительно-восстановительное разрушение металла без возникновения электрического тока в системе.
К химической коррозии относятся:
— коррозия в жидкостях-неэлектролитах.
Газовая
— химическая коррозия, обусловленная взаимодействием металлов с газами.
Основной окислитель – кислород воздуха.
Процессы химической коррозии железа:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3
3Fe + 3O 2 = FeO·Fe 2 O 3 (смешанный оксид железа (II, III) )
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3 (на воздухе в присутствии влаги)
3Fe + 4H 2 O (пар) = Fe 3 O 4 + 4H 2
2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3
Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах
Присутствие в жидкостях-неэлектролитах влаги обеспечивает интенсивное протекание коррозии уже по электрохимическому механизму.
Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах подразделяется на несколько стадий:
— подход окислителя к поверхности металла;
— хемосорбция реагента на поверхности;
— реакция окислителя с металлом (образование оксидной пленки);
— десорбция оксидов с металлом (может отсутствовать);
— диффузия оксидов в неэлектролит (может отсутствовать).
Для защиты конструкций от химической коррозии в жидкостях-неэлектролитах на ее поверхность наносят покрытия, устойчивые в данной среде.
II. Электрохимическая – окислительно-восстановительное разрушение сплавов и металлов, содержащих примеси, с возникновением электрического тока в системе.
АНОД (более активный металл) – разрушается
Ме 0 – nē → Me n+ (процесс окисления)
КАТОД (менее активный металл или примесь неметалла, способного + ē) – восстанавливается среда
кислая среда : 2H + + 2ē → H 2 (процесс восстановления)
Электрохимическая коррозия железной детали с примесями меди во влажном воздухе.
Итог: 2Fe + O 2 + 2H 2 O = 2Fe(OH) 2 (белая ржавчина)
4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3 (бурая ржавчина)
Fe(OH) 3 = FeOOH + H 2 O
III. Защита от коррозии:
1). Металлические покрытия – анодное (покрытие более активным металлом Zn, Cr) – оцинкованное железо; катодное (покрытие менее активным металлом Ni, Sn, Ag, Au) – белая жесть (лужёное железо) – не защищает от разрушения в случае нарушения покрытия.
неорганические (эмали).
3). Протекторная защита – присоединение пластины из более активного металла (Al, Zn, Mg) – защита морских судов.
4). Электрохимическая (катодная) защита – соединение защищаемого изделия с катодом внешнего источника тока, вследствие чего изделие становится катодом. Ток идёт в противоположном направлении.
Задания и вопросы по теме: «Коррозия металлов и сплавов»
№1. При электрохимической коррозии на поверхности анода протекает процесс
А) Восстановления ионов водорода; Б) Окисления металла;
В) Восстановление молекул кислорода; Г) Окисления молекул водорода.
№2. Почему считают, что рядом со стальной коронкой (Fе) не рекомендуется ставить золотую (Аu)?
№3. Вот история, произошедшая с норвежским грузовым судном «Анатина». Трюмы теплохода, направлявшегося к берегам Японии, были заполнены медным концентратом. Корпус судна сделан был из стали. Внезапно судно дало течь. Объясните, что произошло.
№4. Какой из компонентов загрязненного городского воздуха является наиболее коррозионно-активным по отношению к металлам, особенно при повышенной влажности:
№5. Рассмотрите рисунок, ответьте на вопросы:
Обратите внимание! В восстановлении кислорода участвуют ионы Н + . Если концентрация Н + понижается (при повышении рН), восстановление О 2 затрудняется. Замечено, что железо, находящееся в контакте с раствором, рН которого выше 9–10, не корродирует.
С усилением коррозии в присутствии солей часто сталкиваются автомобилисты в тех местностях, где в зимнее время для борьбы с гололедицей дороги обильно посыпают солью. Влияние солей объясняется тем, что образуемые ионы создают электролит, необходимый для возникновения замкнутой электрической цепи.
Коррозия металлов. Виды коррозии металлов
Определение коррозии
Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.
Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.
Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:
Виды коррозии металлов
Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:
С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия металлов
Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь.
Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.
Виды химической коррозии
Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.
Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).
Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.
При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.
Фактор Пиллинга-Бэдворса
Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла
где Vок — объем образовавшегося оксида
VМе — объем металла, израсходованный на образование оксида
Мок – молярная масса образовавшегося оксида
ρМе – плотность металла
n – число атомов металла
AMe — атомная масса металла
ρок — плотность образовавшегося оксида
Оксидные пленки, у которых α 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.
Ниже представлены значения сплошности α для некоторых оксидов металлов
| Металл | Оксид | α | Металл | Оксид | α |
| K | K2O | 0,45 | Zn | ZnO | 1,55 |
| Na | Na2O | 0,55 | Ag | Ag2O | 1,58 |
| Li | Li2O | 0,59 | Zr | ZrO2 | 1.60 |
| Ca | CaO | 0,63 | Ni | NiO | 1,65 |
| Sr | SrO | 0,66 | Be | BeO | 1,67 |
| Ba | BaO | 0,73 | Cu | Cu2O | 1,67 |
| Mg | MgO | 0,79 | Cu | CuO | 1,74 |
| Pb | PbO | 1,15 | Ti | Ti2O3 | 1,76 |
| Cd | CdO | 1,21 | Cr | Cr2O3 | 2,07 |
| Al | Al2O2 | 1,28 | Fe | Fe2O3 | 2,14 |
| Sn | SnO2 | 1,33 | W | WO3 | 3,35 |
| Ni | NiO | 1,52 |
Электрохимическая коррозия металлов
Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.
При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:
Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.
Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.
Водородная деполяризация
Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:
2H + +2e — = H2 разряд водородных ионов
Кислородная деполяризация
Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:
O2 + 4H + +4e — = H2O восстановление растворенного кислорода
Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:
Виды электрохимической коррозии
Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:
Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:
А: Fe – 2e — = Fe 2+
K: O2 + 4H + + 4e — = 2H2O
Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.
Методы защиты от коррозии металла
Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.
Металлические покрытия
Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.
Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.
Неметаллические покрытия
Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).
Химические покрытия
В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:
оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al2O3, ZnO и др.);
азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;
воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;
цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.
Изменение состава технического металла и коррозионной среды
Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.
Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.
Электрохимическая защита
Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.
Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.
К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.
Примеры задач с решениями на определение защитных свойств оксидных пленок, определение коррозионной стойкости металлов, а также уравнения реакций, протекающих при электрохимической коррозии металлов приведены в разделе Задачи к разделу Коррозия металлов
Коррозия металлов
Коррозия – это самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов вследствие взаимодействия с окружающей средой.
Различают два вида коррозии – химическую и электрохимическую. Х
имическая коррозия обусловлена взаимодействием металлов с веществами, содержащимися в окружающей среде. В производственных условиях такими веществами, помимо О2, являются SO2, CO2, H2S, NH3 и др.
Химическую коррозию, обусловленную взаимодействием металлов с газами, называют газовой. Основной вклад в газовую коррозию металла вносит кислород воздуха. Различные металлы обладают различной устойчивостью по отношению к О2. Некоторые металлы (Al, Cr, Zn, Pb, Sn) образуют на воздухе плотные пленки оксидов, не разрушающиеся при изгибе или нагревании. Такие пленки защищают металл от дальнейшего доступа к нему газов и жидкостей, и процесс коррозии резко замедляется. Оксидные пленки других металлов (например, Fe) представляют собой рыхлые, пористые, механически непрочные образования. Они не предохраняют металл от доступа к нему газов и жидкостей. Поэтому такие металлы корродируют особенно быстро.
Процесс химической коррозии Fe схематически можно представить следующими уравнениями:
2Fe + O2=2FeO
Fe(OH)3= t H2O+FeOOH (ржавчина)
Однако наибольший вред приносит не химическая, а электрохимическая коррозия, связанная с переходом электронов от одних участков металла к другим. Химическая коррозия сопровождает электрохимическую и усиливает ее.
Сущность электрохимической коррозии
Металлы обычно содержат примеси других металлов и неметаллов. При соприкосновении таких металлов с электролитом (которым может служить Н2О, адсорбированная из воздуха, поскольку в ней как правило имеются ионы растворенных веществ) на поверхности металла возникает множество микрогальванических пар. В этих парах атомы более активного металла (обычно Fe) играют роль анода, а атомы менее активного – роль катода.
На катоде идет процесс восстановления молекул О2 в нейтральной и щелочной средах, или ионов Н + – в кислой среде.
Скорость электрохимической коррозии тем больше, чем дальше друг от друга расположены металлы в ряду напряжений, и чем выше температура окружающей среды.
Чистые металлы устойчивы к коррозии. Однако, так ка абсолютно чистым металлов нет, а также вследствие того, что гальваническая пара может быть образована отдельными участками одного и того же металла, находящимися в различных условиях (под разными электролитами или под одним и тем же электролитом разной концентрации), то электрохимическая коррозия имеет место всегда при соприкосновении металла с электролитом (атмосферной влагой).
Роль катода при электрохимической коррозии могут выполнять не только менее активные металлы, но и примеси неметаллов, способных принимать электроны.
Коррозия – процесс поверхностный и при отсутствии трещин внутри металла развиваться не может. Поэтому одним из способов защиты от коррозии является нанесение на поверхность металла металлических и неметаллических покрытий.
В качестве металлических покрытий используются пленки Au, Ag, Ni, Cr, Zn и других металлов, которые мало подвергаются коррозии из-за своей индифферентности или по причине образования прочных оксидных пленок. Некоторые из этих металлов (Au, Ag, Ni, Cr), помимо защитной, выполняют и эстетическую – придают изделиям приятный внешний вид.
Различают два вида металлических покрытий – анодное и катодное. Покрытие называется
Примером анодных покрытий для изделий из железа являются пленки из Cr, Zn, примером катодных – пленки из Ni, Sn, Ag, Au. Катодные покрытия не защищают металлы в случае нарушения их целостности (трещины, царапины), так как при наличии электролита возникает гальваническая пара, роль растворимого анода в которой играет защищаемый металл.
Неметаллические покрытия также делятся на два вида: неорганические и органические. В качестве органических покрытий используются пленки лаков, красок, пластмасс, резины, битума, в качестве неорганических – эмали.
Протекторная защита заключается в соединении защищаемого изделия проводником с протектором – пластиной из более активного металла (Al, Mg, Zn). В процессе коррозии протектор служит анодом и разрушается, предохраняя от коррозии металлическое изделие или конструкцию.
Электрохимическая (катодная) защита заключается в соединении защищаемого изделия с катодом внешнего источника тока, вследствие чего изделие становится катодом. Анодом служит вспомогательный, обычно стальной, электрод (кусок металла), который и разрушается в процессе коррозии.
