Коррозия металлов. Коррозия - это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой

Коррозия - это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Электрохимическая коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов, это разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока. Примером коррозионных процессов электрохимического характера является разрушение деталей машин и различных металлических конструкций в почвенных, грунтовых, речных и морских водах, во влажной атмосфере, в технических растворах, под действием смазочно-охлаждающих жидкостей, применяемых при механической обработке металлов и т.д.

Причиной электрохимической коррозии является образование на поверхности металла большого количества микрогальванических пар, которые возникают по следующим причинам:

1. Наличие примесей металлов или других веществ, отличающихся по активности от основного металла.

2. Структурная неоднородность поверхности металла, что определяет наличие участков с разной активностью.

3. Неравномерность распределения деформаций в металле после термической и механической обработки и др.

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса:

анодный - окисление металла: Ме - nē = Meⁿ⁺

и катодный - восстановление ионов водорода в кислой среде:

2H⁺ + 2e = H₂ или

молекул кислорода, растворенного в воде, в случае атмосферной коррозии:

2H₂O + O₂ + 4ē = 4OH^-.

Ионы или молекулы, которые восстанавливаются на катоде, называются деполяризаторами. При атмосферной коррозии - коррозии во влажном воздухе при комнатной температуре - деполяризатором является кислород.

Пример 8. Как происходит коррозия цинка, находящегося в контакте с кадмием в нейтральном и кислом растворах? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?

Решение. При таком контакте возникает гальванический элемент. Цинк имеет более отрицательный потенциал (-0, 763 В), чем кадмий (-0, 403) (табл. 10.1), поэтому он является анодом, а кадмий - катодом.

Анодный процесс: Zn - 2ē = Zn²⁺.

Катодный процесс: в кислой среде: 2H⁺ + 2ē = H₂;

в нейтральной среде: 2H₂O + O₂ + 4ē = 4OH^-.

Так как ионы Zn²⁺ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии в нейтральной среде будет Zn(OH)₂.

Скорость коррозии тем больше, чем сильнее различаются электродные потенциалы металлов, т.е. чем дальше они расположены друг от друга в ряду напряжений. Кроме того, скорость коррозии повышается при увеличении концентрации электролита и повышении температуры.

Защита от коррозии. Все методы защиты условно делятся на следующие группы:

а) легирование металлов (эффективный, хотя и дорогой метод повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивность металла вследствие образования на их поверхностях прочных оксидных пленок. В качестве таких компонентов применяют хром, никель, вольфрам и др.;

б) защитные покрытия (металлические, неметаллические);

в) электрохимическая защита (этот метод основан на торможении анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции металла с более отрицательным значением электродного потенциала - протектора, а также катодной или анодной поляризацией за счет тока от внешнего источника);

г) изменение свойств коррозионной среды (для снижения агрессивности среды уменьшают концентрацию компонентов, опасных в коррозионном отношении, например снижают концентрацию Н⁺- ионов – подщелачивание, удаляют кислород и др.).

Пример 9. Какие процессы протекают при коррозии оцинкованного и луженого железа а) в кислой среде; б) на воздухе?

Решение. 1. Оцинкованное железо получают, покрывая железо тонким слоем цинка. При таком контакте возникает гальванический элемент. Цинк имеет более отрицательный потенциал (-0, 763 В), чем железо (-0, 44 В) (табл. 10.1), поэтому он является анодом, а железо - катодом. а) Схема ГЭ записывается в кислой среде:

(-) Zn ½ HCl ½ Fe (+).

Анодный процесс: Zn - 2ē = Zn²⁺;

катодный процесс: 2H⁺ + 2ē = H₂.

Следовательно, цинк в этом случае коррозирует вместо железа. Подобная защита металла, при которой он играет роль катода в процессе электрохимической коррозии, называется катодной защитой, а цинк в этом случае является анодным покрытием.

б) Для коррозии на воздухе схема ГЭ: (-) Zn½ H₂O, O₂½ Fe (+).

Анодный процесс: Zn - 2ē = Zn²⁺;

катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4ē = 4OH^-.

Цинк защищает железо от коррозии даже после нарушения целостности покрытия.

2. Так называемую «белую жесть» получают, покрывая тонким слоем олова листовое железо. Сравнение электродных потенциалов железа (-0, 44 В) и олова (-0, 13 В) показывает, что железо окисляется легче олова, поэтому железо в этой паре играет анода.

a) В кислой среде: (-) Fe ½ HCl ½ Sn (+).

Анодный процесс: Fe - 2ē = Fe²⁺;

катодный процесс: 2H⁺ + 2ē = H₂.

б) Во влажной атмосфере: (-) Fe½ H₂O, O₂½ Sn (+).

анодный процесс: Fe - 2ē = Fe²⁺;

катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4ē = 4OH^-.

Суммарный процесс: 2Fe + 2H₂O + O₂ = 2Fe²⁺ + 4OH^-.

2Fe + 2H₂O + O₂ = 2Fe(OH)₂ (продукт коррозии). 4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ = 4Fe(OH)₃.