Что является продуктом коррозии технического железа во влажном воздухе
Коррозия металлов
Ржавчина
При окислении железа промежуточным продуктом реакции является грязно-зелёный осадок гидроксида, содержащего Fe (II) и Fe (III).
Интересным, но неприятным свойством ржавчины является то, что она занимает намного больший объём, чем занимало железо. Это может вызвать катастрофические последствия: хотя с виду ржавчина кажется рыхлой и мягкой, при её росте развиваются гигантские усилия. Когда в Лондоне по проекту Кристофера Рена в 1675—1710 гг. строили грандиозный собор Святого Павла, каменные блоки колокольни для прочности соединили железными скобами, которые были уложены в желобки, выдолбленные в камне. За сотни лет скобы проржавели, увеличились в объёме и стали поднимать каменную кладку, отчего колокольню перекосило. Инженеры подсчитали: давление, развиваемое ржавчиной, настолько велико, что приподняло бы даже двухкилометровый слой камней! Пришлось разобрать кладку и вставить в желобки новые скобы из нержавеющей стали.
Скорость окисления железа (появление ржавчины) очень сильно зависит от обшей поверхности соприкосновения металла и воздуха. Так, обычный гвоздь, даже если он сильно нагрет, не скоро превращается в окалину. Мелкие опилки при сильном нагреве быстро сгорают, а при внесении в пламя — вспыхивают в виде искр. Химическим способом — восстановлением оксидов железа водородом — можно получить ещё более мелкий порошок железа; его называют пирофорным. Он вспыхивает на воздухе уже при обычной температуре. Пирофорными могут быть и многие другие металлы в мелкораздробленном состоянии, а также оксид FeO.
Известны различные виды коррозии металлов. Одним из основных её видов является химическая, которую иногда ещё называют газовой коррозия, так как иногда она происходит под воздействием газообразных компонентов из окружающей среды при высоких температурах. Химическая коррозия может происходить и под воздействием некоторых агрессивных жидкостей. Основным этого процесса является то, что она происходит без возникновения в системе электрического тока. Ей подвергаются детали и узлы машин, работающих в атмосфере кислорода при высоких температурах, например турбинные двигатели, ракетные двигатели и некоторые другие, а также подвергаются детали узлы оборудования химического производства.
Характер разрушения поверхности металла может быть различным и зависит от свойств этого металла и условиях протекания процесса. Теперь остановимся подробнее на электрохимической коррозии.
Виды коррозии
К основным видам наблюдаемой коррозии относятся:
— протекает во влажном воздухе при обычной температуре. Поверхность металла покрывается плёнкой влаги, содержащей растворённый кислород. Интенсивность разрушения металла возрастает с ростом влажности воздуха, а также содержанием в нём газообразных оксидов углерода, серы, при наличии в металле шероховатостей, трещин облегчающих конденсацию влаги.
— её подвержены трубопроводы, кабели, подземные сооружения. В этом случае металлы соприкасаются с влагой почвы, содержащей растворённый кислород. Во влажной почве, с повышенной кислотностью трубопроводы разрушаются в течение полугода после их укладки (конечно, если не принять меры по их защите).
Электрохимическая коррозия
— наиболее распространённый видом разрушения металлов. Примером электрохимической коррозии является, например, разрушение деталей машин, приборов и различных металлических конструкций в почвенных, грунтовых, речных и морских водах, в атмосфере, под пленками влаги, в технических растворах, под действием смазочно-охлаждающих жидкостей и т.д. Как уже было отмечено, электрохимическая коррозия протекает на поверхности металлов под действием электрических токов, то есть происходят окислительно-восстановительные химические реакции, характеризующиеся отдачей электронов и их переносом, так как образуются катодные и анодные участки. Образованию катодов и анодов способствуют химическая неоднородность металлов (примеси и включения), наличие участков остаточной деформации, неоднородность покрывающих металл защитных плёнок и т.д. Наиболее часто в образовании данного вида разрушения металла участвуют не один фактор, а несколько. Когда метал начинает корродировать, он превращается в многоэлектронный гальванический элемент.
Что происходит: все наши гвозди будут иметь следы ржавчины (коррозии). В самом худшем состоянии будет тот гвоздь, который находился в растворе вместе с медной проволокой, а меньше всего корродировал тот, который привязан к цинку! Объяснение: все металлы обладают разной способностью отдавать электроны. Сравнить их в этой способности можно, ознакомившись с рядом напряжений металлов:
Li← K← Rb← Cs← Ba← Ca← Na← Mg← Al← Mn← Cr← Zn← Fe← Cd← Co← Ni← Sn← Pb← H2← Cu← Ag← Hg← Pt← Au
Производство оборудования для литья пластмасс: завод прессформ, см.
Заказать кованые изделия из металла с гарантией качества
Что является продуктом коррозии технического железа во влажном воздухе
8.2 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ
Причиной электрохимической коррозии * является возникновение на поверхности металла короткозамкнутых гальванических элементов *.
В тонком слое влаги, обычно покрывающем металл, растворяются кислород, углекислый, сернистый и другие газы, присутствующие в атмосферном воздухе. Это создает условия соприкосновения металла с электролитом *. Различные участки поверхности любого металла обладают разными потенциалами. Причинами этого могут быть наличие примесей в металле, различная обработка отдельных его участков, неодинаковые условия (окружающая среда), в которых находятся различные участки поверхности металла. При этом участки поверхности металла с более электроотрицательным потенциалом становятся анодами и растворяются.
Представим схематично работу короткозамкнутого гальванического элемента, возникающего на поверхности металла, подверженного коррозии в электролите * (рисунок 8.1). Анодный участок имеет более электроотрицательный потенциал, поэтому на нем идет процесс окисления металла. Образовавшиеся в процессе окислен ия ио ны переходят в электролит, а часть освободившихся при этом электронов может перемещаться к катодному участку (на рисунке 8.1 показано стрелками). Процесс коррозии будет продолжаться в том случае, если электроны, перешедшие на катодный участок, будут с него удаляться. Иначе произойдет поляризация электродов *, и работа коррозионного гальванического элемента прекратится.
Рисунок 8.1 – Схема электрохимической коррозии. Д – деполяризатор
Процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией. Вещества, при участии которых осуществляется деполяризация, называются деполяризаторами. На практике чаще всего приходится встречаться с двумя типами деполяризации: водородной и кислородной. Тип деполяризации (катодный процесс) зависит от реакции среды раствора электролита.
А: Fe – 2e → Fe 2+ – окисление
К: 2 H + + 2e → H2 ↑ – восстановление
Схема возникающего короткозамкнутого гальванического элемента выглядит следующим образом:
В нейтральной среде коррозия протекает с кислородной деполяризацией, т.е. роль деполяризатора выполняет кислород, растворенный в воде. Этот вид коррозии наиболее широко распространен в природе: он наблюдается при коррозии металлов в воде, почве и в незагрязненной промышленными газами атмосфере. Если коррозии во влажном воздухе подвергается железо с примесями меди, то электродные процессы можно записать в виде:
(А) Fe – 2e → Fe 2+ – окисление
(К) 2 H2O + O2 + 4e → 4 OH – – восстановление
У поверхности металла в электролите протекают следующие реакции:
Fe 2+ + 2 OH – → Fe( OH)2
Основная масса черных металлов разрушается вследствие процесса ржавления, в основе которого лежат вышеуказанные реакции.
Рисунок 8.2 – Коррозия в результате неравномерного доступа кислорода. Б – техническое сооружение; А – анодный участок; К – катодный участок.
Часть конструкции, находящаяся в воде, омывается растворенным в ней кислородом и, в случае возникновения условий для электрохимической коррозии, будет выполнять роль катода. Другая же часть конструкции, находящаяся в почве, будет анодом и подвергнется разрушению.
Коррозия железа
Процесс коррозии железа чаще всего сводится к его окислению кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, и превращению его в оксиды. Коррозия металлов (ржавление) вызывается окислительно-восстановительными реакциями, протекающими на границе металла и окружающей среды. В зависимости от механизма возникновения, различают такие виды коррозии железа, как: химическая, электрохимическая и электрическая.
Процесс химической коррозии железа
Окислительно-восстановительные реакции в данном случае проходят через переход электронов на окислитель. В процессе коррозии такого типа кислород воздуха взаимодействует с поверхностью железа. При этом образуется оксидная пленка, которая называется ржавчиной:
В отличие от плотно прилегающих оксидных пленок, которые образуются в процессе коррозии на щелочных металлах, алюминии, цинке, рыхлая оксидная пленка на железе свободно пропускает к поверхности металла кислород воздуха, а также другие газы и пары воды. Это способствует дальнейшей коррозии железа.
Процесс электрохимической коррозии
Этот вид коррозии проходит в среде, которая проводит электрический ток. Металл в грунте подвергается, преимущественно, электрохимической коррозии. Процесс коррозии такого типа – это результат химических реакций с участием компонентов окружающей среды. Также электрохимическая коррозия возникает в случае контакта металлов, находящихся в ряду напряжений на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего возникает гальваническая пара катод-анод.
Атмосферный и грунтовый процесс коррозии выражается схемой:
В результате образуется ржавчина различной расцветки, что обусловлено тем, что образуются различные окислы железа. Какое именно вещество образуется в процессе коррозии железа, зависит от давления кислорода, влажности воздуха, температуры, длительности процесса, состава железного сплава, состояния поверхности изделия и т. д. Скорость разрушения разных металлов различна.
Процесс коррозии металла в растворах электролитов – это результат работы большого количества микроскопических гальванических элементов, у которых в качестве катода выступают примеси в металле, а в качестве анода – сам металл. В результате чего возникают микроскопические гальванические элементы.
Также атомы железа на разных участках имеют различную способность отдавать электроны (окисляться). Участки металла, на котором протекает этот процесс, выступают в роли анода. Остальные участки – катодные, на которых происходят процессы восстановления воды и кислорода:
Результат – из ионов железа (II) и гидроксид-ионов образуется гидроксид железа (II). Далее идет его окисление до гидроксида железа (III) – основного компонента ржавчины:
Для того чтобы гальванический элемент работал, необходимо наличие двух металлов различной химической активности и среды, которая проводит электрический ток, – электролита. При контакте железа и другого металла (например, цинка) коррозия железа замедляется, а более активного металла (цинка) – ускоряется. Это обусловлено тем, что поток электронов идет от более активного металла (анода) к менее активному металлу (катоду). Так, при контакте железа с менее активным металлом, коррозия железа ускоряется.
Процесс электрической коррозии
Такой вид разрушения металлических подземных конструкций, кабелей и сооружений могут вызывать блуждающие токи, исходящие от трамваев, метро, электрических железных дорог и различных электроустановок с постоянным током.
Ток с металлических конструкций выходит в грунт в виде положительных ионов металла – происходит электролиз металла. Участок выхода токов – это анодные зоны. Именно в них и протекают активные процессы электрической коррозии железа. Блуждающие токи могут достигать 300 А и действовать в радиусе нескольких десятков километров.
Блуждающими токами, исходящими от источников переменного тока, вызывается слабая коррозия подземных стальных конструкций, и сильная – конструкций из цветных металлов. Защита металлических конструкций от коррозии является очень важной задачей, так как она причиняет огромные убытки.
Коррозия
Коррозия металлов – это разрушение металлов или сплавов под воздействием окружающих условий, в результате чего они теряют присущие им свойства.
Различают химическую и электрохимическую коррозию металлов. Химическая коррозия металлов вызывается окислительно–восстановительными реакциями, происходящими в результате взаимодействия металла с газами и неэлектролитами. Электрохимическая коррозия металлов возникает при контакте двух металлов под воздействием электролитов.
— на аноде окисляется корродирующий металл;
— на катоде происходит восстановление атомов или ионов окружающей среды.
Цинковую и железную пластинки опустили в раствор сульфата меди. Составьте электронные и ионные уравнения реакций, происходящих на пластинках. Какие процессы будут проходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводниках.
а) Zn + CuSO4 
ZnSO4 + Cu
(Цинковая пластина постепенно растворяется, на ней выделяется мет. медь)
Zn 0 – 2e 
Zn 2+ (восстановитель) φ 0 = –0,76 В
Cu 2+ + 2e Cu 0 (окислитель) φ 0 = 0,34 В
E = φ 0 (окислителя) –φ 0 (восстановителя)
E = 0,34 – (–0,76) = 1,1 В
(железная пластина растворяется, на ней выделяется металлическая медь)
Fe 0 *– 2e Fe 2+ (восстановитель) φ 0 = –0,44 В
Cu 2+ + 2e Cu 0 (окислитель) φ 0 = 0,34 В
E = φ 0 (окислителя) –φ 0 (восстановителя)
E = 0,34 В – (–0,44 В) = 0,78 В
Zn + Fe 2+ = Zn 2+ + Fe и Zn – 2e = Zn 2+ – анод
Fe 2+ + 2e = Fe – катод
Составить схему процесса атмосферной коррозии оцинкованного железа.
Решение: Оцинкованное железо – это железо, покрытое цинком. Стандартные электродные потенциалы (таблица) железа равен –0,44В, цинка равен –0,76В. Т.к. потенциал цинка отрицательнее потенциала железа φ 0 (Zn/Zn 2+ ) = –0,76 В;
φ 0 (Fe/Fe 2+ ) = –0,44 В, то цинк является анодом в коррозионном процессе.
А(–):Zn – 2e – Zn 2+
К(+):(Fe)O2 + 4e – +2Н2О 4ОН –
Суммарная реакция с учетом электролитов:
2Zn + O2 + 2H2O 2Zn(OH)2
Задачи
161. Как происходит атмосферная коррозия лужёного и оцинкованного железа при нарушении целости покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
162. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако, если к медной пластинке, опущенной в кислоту, прикоснуться цинковой, то начнется бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнения протекающей химической реакции.
163. Хромированная деталь автомобиля состоит из железа, покрытого тонким слоем никеля, который, в свою очередь, покрыт слоем хрома. Расположите эти металлы в ряд по лёгкости окисления. Для чего нужен слой хромового покрытия? Какую роль играет покрытие?
164. Как происходит атмосферная коррозия луженой меди при нарушении цельности покрытия. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
165. Если пластинку из чистого цинка опустить в разбавленную кислоту, то начинающееся выделение водорода вскоре почти прекращается. Однако при прикосновении к цинку медной палочкой, на последней начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнение протекающей химической реакции.
166. В чем заключается сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты никеля в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
167. Если на стальной предмет нанести каплю воды, то коррозии подвергается средняя, а не внешняя часть смоченного металла. После высыхания капли в ее центре появляется пятно ржавчины. Чем это можно объяснить? Какой участок металла, находящийся под каплей воды, является анодным и какой катодным? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов.
168. Если гвоздь вбить во влажное дерево, то ржавчиной покрывается та его часть, которая находится внутри дерева. Чем это можно объяснить? Анодом или катодом является эта часть гвоздя? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов.
169. В раствор соляной кислоты поместим цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.
170. Почему химически чистое железо является более стойким против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в сильнокислой среде.
171. Какое покрытие металла называется анодным и какое катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытия железа. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью во влажном воздухе и в сильнокислой среде.
172. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении цельности покрытия во влажном воздухе и в соляной кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
174. Две железные пластинки, частично покрытые одна оловом, другая медью, находятся во влажном воздухе. На какой из этих пластинок быстрее обрадуется ржавчина? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этих пластинок. Каков состав продуктов коррозии?
175. В обычных условиях во влажном воздухе оцинкованное железо при нарушении цельности покрытия не ржавеет, тогда как при температуре выше 70°С оно покрывается ржавчиной. Чем это можно объяснить? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии оцинкованного железа в первом и во втором случаях.
176. Как влияет рН среды на скорость атмосферной коррозии железа и цинка? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов атмосферной коррозии этих металлов.
177. Если пластинку из чистого железа опустить в соляную кислоту, 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? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
178. Цинковую и железную пластинки опустили в раствор сульфата меди. Составьте электронные и ионные уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут происходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводником?
179. В раствор электролита, содержащего растворенный кислород, опустили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии происходит интенсивнее? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
180. Железные бочки применяют для транспортировки концентрированной серной кислоты, но после освобождения от кислоты бочки часто совершенно разрушаются вследствие коррозии. Чем это можно объяснить? Что является анодом и что катодом? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов.
181. Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если цельность никеля нарушена? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?
182. В чем сущность электрохимической теории коррозии металлов? Почему технический цинк взаимодействует с кислотой более интенсивно, чем химически чистый цинк?
183. Почему технические металлы подвергаются коррозии в большей степени, чем химически чистые металлы? Приведите примеры электрохимической защиты металлов от коррозии.
184. Приведите характеристику способов защиты металлов от коррозии, анодным покрытием; катодным покрытием; методом протекторов.
185. Железная пластинка, склепанная с медной, погружена в разбавленную H2SО4. На какой пластинке будет выделяться водород? Происходящие процессы изобразите электронными уравнениями.
Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 114 ; Нарушение авторских прав
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.