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

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

1.1 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.

Zn + 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+

K: 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

2.1 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

Zn + 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

Zn + 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+

K: 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

3.1 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 Clпроисходит разрушение Al2O3 на поверхности Al. Al, лишенный оксидной пленки, химически активный и вступает в химические взаимодействия.

1) 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

2) 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+

K: 2H+ + 2e = H2

2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2

Коррозии подвергается алюминий с водородной деполяризацией.

Вывод: ионы Clспособны разрушать пассивирующие слои на поверхности металлов, что приводит к ослаблению устойчивости металлов к коррозии.

4. Анодные и катодные защитные покрытия

4.1 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 К3Fe (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+

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH;

2Zn + 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 (+)

A: Fe — 2e = Fe2+

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH;

2Fe + 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

5.1 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+

K: 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+

K: 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)

6.1 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+

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH;

2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe2+ + 4OH;

Коррозия протекает с кислородной деполяризацией.

Схема катодной защиты элемента

Fe | NaCl, H2O | C

K (-)A (+)

Na+ 2H2O + 2e = 2H2 + 2OHCl- 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

1. 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

E = 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.

2. а) pH = 7; б) pH = 2

ф0Zn|Zn2+ = -0,76 B — анод.

ф0Ni|Ni2+ = -0,25 B — катод.

a)(-) Zn | pH = 7, H2O, O2 | Ni (+)

A: Zn — 2e = Zn2+

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH;

E1 = фк — фа = 1,23 — 0,059pH + 0,76 = 1,577 B

б) (-) Zn | pH = 2, H2O, H+ | Ni (+)

А: Zn — 2e = Zn2+

K: 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.

3. pH = 0, m (Me) -?, V (H2) — ?

Оловянное покрытие на медном изделии будет анодным.

(-) Sn | pH=0, H+| Cu (+)

A: Sn -2e = Sn2+

K: 2H+ + 2e = H2

m (Sn) = (A (Sn)•I•t)/(n•F) = (1,2•24•60•60•119)/(2•96 500) = 63,9 г

V (H2) = (Vэ/F)•I•t = 11,2•1,2•24•60•60/96 500 = 12 л