Электрохимическая коррозия металлов

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 20. 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 коррозионный гальванический микроэлемент. Цинк имеет более отрицательный потенциал (-0,763 В), чем кадмий (-0,403) (табл. 12.1), 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:

1. Легирование металлов. Это 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.);

2. Защитные покрытия (металлические, неметаллические). Металлические покрытия подразделяются на анодные и катодные. При анодном покрытии металл покрывается более активным металлом, расположенным в ряду напряжения левее, например железо – цинком, и вэтом случае при коррозии идет окисление цинка. При катодном покрытии металл покрывается менее активным металлом, например железо - оловом, и в этом случае при коррозии тдет окисление железа;

3. 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);

4. 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 21.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. 7.1), 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 корродирует 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: (-) Zn ½ H₂O, O₂ ½ 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: (-) Fe ½ H₂O, O₂ ½ 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 .

Олово защищает железо лишь до тех пор, пока защитный слой остается неповрежденным. Стоит только его повредить, как на железо начинают воздействовать воздух и влага. Олово даже ускоряет коррозию железа, потому что служит катодом в электрохимическом процессе коррозии. Подобная защита металла, при которой он играет роль анода в процессе электрохимической коррозии, называется анодной защитой, а олово в этом случае является катодным покрытием.

Пример 22.Как будет протекать процесс коррозии в том случае, если железную водосточную трубу прибить к дому алюминиевыми гвоздями?

Решение.Сравнение электродных потенциалов железа (-0,44 В) и алюминия (-1,7 В) показывает, что алюминий этой паре является анодом, а железо - катодом. Схема ГЭ:

(-) Al ½ H₂O, O₂ ½ Fe (+).

Таким образом, вблизи алюминиевого гвоздя труба будет защищена от коррозии. Однако алюминиевый гвоздь должен в этих условиях быстро корродировать, и в конце концов труба упадет. Продуктом коррозии будет белый порошок гидроксида алюминия.

Анодный процесс: Al - 3ē= Al³⁺ , х4

катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4ē = 4OH^-. х3

Суммарный процесс: 4Al + 6H₂O + 3O₂ = 4Fe²⁺ + 12OH^-.

4Al + 6H₂O + 3O₂ = 4Al(OH)₃ (продукт коррозии).