Электрохимическая коррозия металлов

 

 

Министерство образования и науки РФ

Пензенский Государственный Университет

Кафедра «Приборостроение»

 

 

 

 

 

 

Реферат

"Электрохимическая  коррозия металлов"

 

 

 

 

 

 

Проверил:

доцент

Наумов Л.В.

 

Выполнила:

ст-ка гр. 10ПГ-1

Уханова Юлия

 

 

 

 

 

Пенза 2014

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………………3

1. Химический и электрохимический механизмы растворения метало в электролитах…………………………………………………………………………..4

1.1. Термодинамическая возможность электрохимической коррозии металлов………………………………………………………………………….……5

1.2. Катодные процессы при электрохимической коррозии металлов…………………………………………………………………….…………6

1.3. Гомогенный и гетерогенный  пути протекания электрохимической  коррозии металла………………………………………………………………………..……….8

1.4. Схема и особенности электрохимического коррозионного процесса………………………………………………………………………………11

2. Анодный процесс электрохимической коррозии металлов…………………………………………………………………..………….13

2.1. Анодная реакция ионизации  металла…………………………………….……13

2.2. Анодные реакции, протекающие  с участием металла и водного  раствора………………………………………………………………………..……..15

3. Защита металлов от коррозии в различных средах………………………………..15

3.1. Защита металлов от коррозии  в нейтральных электролитах……………...…15

3.2. Защита металлов от коррозии в растворах кислот……………………..…….16

4. Пассивность металлов………………………………………………………...……..17

4.1. Определение пассивности металлов……………………………….…..………17

4.2. Пассиваторы и депассиваторы (активаторы)………………………...………..18

4.3. Перепассивация металлов………………………………………………...…….19

4.4 Повышение коррозионной стойкости металлов и сплавов на основе повышения их пассивируемости…………………………………...……………….20

5. Анодная электрохимическая защита металлов……………..……………………..22
6. Защитное электрохимическое действие несплошных катодных покрытий……..23

Заключение……………………………………………………………………….…….24

Список использованной литературы……………………………………….………25

 

 

Введение

В современном мире используется большое количество металлических конструкций и материалов, которые подвергаются коррозионным процессам. Это приводит к большим проблемам в их эксплуатации. Технический прогресс во многих отраслях промышленности тормозится из-за сложности противодействия с данным явлением. Ведь любой коррозионный процесс приводит к изменениям в свойствах конструкционных материалов. Результатом процесса является «коррозионный эффект», ухудшающий функциональные характеристики металла оборудования, среды и технических систем, расценивающийся как «эффект повреждения» или «коррозионная порча».

Очевидно, что экономические потери, связанные с коррозией металлов, определяются не столько стоимостью прокорродировавшего металла, сколько стоимостью ремонтных работ, убытками за счет временного прекращения функционирования инженерных систем, затратами на предотвращение аварий, в некоторых случаях абсолютно недопустимых с точки зрения экологической безопасности. Оценки затрат, связанных с коррозией (по данным зарубежных источников) приводят к выводу, что общие годовые расходы на борьбу с последствиями коррозии составляют 1,5-2% валового национального продукта. Часть этих затрат неизбежна; было бы нереально полностью исключить все коррозионные разрушения. Тем не менее, можно значительно сократить коррозионные потери за счет лучшего использования на практике накопленных знаний о коррозионных процессах и методов защиты от коррозии, которыми антикоррозионные службы располагают на данный момент.

Поэтому цель работы состоит в обобщении знаний о коррозии и в частности об электрохимической коррозии металлов; в изучении сущности явлений электрохимической коррозии, ее распространенность в природе и жизнедеятельности человека, поиска оптимальных способов защиты металлов от коррозии

1. Химический и электрохимический механизмы растворения металлов в электролитах.

Первопричиной коррозии металлов, в том числе и электрохимической коррозии, является их термодинамическая неустойчивость.

При взаимодействии с электролитами металлы самопроизвольно растворяются, переходя в более устойчивое окисленное (ионное) состояние. Большой теоретический и практический интерес представляет механизм этого саморастворения металлов, т.е. механизм коррозионного процесса и характер коррозионного разрушения.

Химический и электрохимический механизмы растворения металлов в электролитах.

Самопроизвольный переход металлов в окисленное (ионное) состояние при взаимодействии с другими веществами может протекать по двум различным механизмам:

1) химическому;

2) электрохимическому.

Химический механизм в виде проходящей на одном и том же участке поверхности, в одну стадию и независящей от потенциала металла химической реакции без участия свободных электронов, когда металл, отдавая окислителю валентные электроны, вступает с ним в химическое соединение или образует ионы, может иметь место и в электролитах:

Разложение амальгам щелочных металлов растворами с высоким рН (В.Н.Коршунов и З.А. Иофа)

Me (Hg ) + H2O = Me+ + ½ H2 + OH- +Hg ;

Травление кремния в концентрированной щелочи ( С.У. Изидинов, Т.И.Борисова, В.И.Веселовский)

Si + 2H2O = SiO2 + 2H2 ;

Растворение железа, хрома и их сплавов в 0,1-н. H2SO4 ( Я.М.Колотыркин и Г.М.Флорианович)

Me + 2H2O = Me n+ +nOH- + n/2 H2 ;

Растворение алюминия в 50%-ной CH3COOH (Н.А.Михайлова, Н.П.Жук, И.А.Бартеньева и А.В.Турковская)

4Al + 3O2 + 12H+= 4Al3+ +6H2O;

Электрохимический механизм в виде протекающей с участием свободных электронов электрохимической реакции, при которой ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды проходят не в одном акте и их скорости зависят от величины электродного потенциала металла, имеет место в подавляющем большинстве случаев коррозии металлов в электролитах и является, таким образом, преобладающим.

Возможность подразделения процесса растворения металлов в электролитах на два сопряженных процесса – анодный и катодный – облегчает в большинстве случаев его протекание по сравнению с химическим взаимодействием. При электрохимическом взаимодействии окислитель играет лишь роль деполяризатора, отнимающего валентные электроны металла и обеспечивающего переход металла в ионное состояние, но не вступает с ним при этом в химическое соединение.

1.1 Термодинамическая возможность электрохимической коррозии металлов

Принципиальная возможность или невозможность самопроизвольного протекания процесса электрохимической коррозии металла, также как и химической коррозии, определяется знаком изменения свободной энергии процесса. Возможно самопроизвольное протекание только коррозионных процессов, которое сопровождается убылью изобарно-изотермического потенциала, т.е. Gт< 0. При электрохимической коррозии металлов для расчетов более удобно пользоваться электрохимическими данными – электродными потенциалами. Термодинамически возможен процесс электрохимической коррозии, для которого соблюдается условие

ΔGТ= -nEТF < 0,

где ΔGт– изменение изобарно-изотермического потенциала данного коррозионного процесса, кал/г-атом Ме;

n – число грамм-эквивалентов;

Eт = (Vk)обр-(Va)обр – э. д. с. гальванического элемента, в котором обратимо осуществляется данный коррозионный процесс, В; 

[(Vк)обр –обратимый потенциал катодной реакции в данных условиях, В; (Va)обр = (V Me)обр – обратимый потенциал металла в данных условиях (для сплавов – обратимый потенциал анодной составляющей сплава в данных условиях)];

F = 23 062 кал/г-экв - число Фарадея.

Таким образом, принципиальная возможность протекания процесса электрохимической коррозии металла определяется соотношением обратимого потенциала металла в данных условиях.

Самопроизвольное протекание электрохимического коррозионного процесса возможно, если

(Va)обр. = (V Me)обр < (Vk)обр ,

т.е. для электрохимического растворения металла необходимо присутствие в электролите окислителя – деполяризатора , обратимый окислительно-восстановительный потенциал которого положительнее обратимого потенциала металла в данных условиях.

При соблюдении этого условия Ет > 0 , a ΔGт < 0.

1.2   Катодные процессы при электрохимической коррозии металлов

Процесс катодной деполяризации электрохимической коррозии металлов может осуществляться:

 

1)  ионами:

H +H2О + e = H + H2О = ½ H2 + H2О

Ag +mH2О + e = Ag + mH2О

Cu 2+mH2О + e = Cu +mH2O

Fe 3+mH2O + е = Fe 2+mH2O

S2O82- + 2e = S2O84- = 2SO82-

2HSO3- + 2Н + + 2е = S2O42- + 2H2O

NO3- + 3H + + 2e = HNO2 + H2O

2HNO2 + 4H + + 4e = H2N2O2 + 2H2O

Cr2O72- + 14Н + + 6e = 2Cr 3+ + 7H2O

2)  нейтральными молекулами;

O2 + 4e + 2H2O = 4OH -

H2O2 + 2e = 2OH -

Cl2 + 2e = 2Сl -

I2 + 2e = 2I -

Br2 + 2e = 2Вr -

 

 

3)  нерастворимыми пленками;

CuО + 2е + Н2O = Сu + 2OН -

Fe3O4 + 2е + Н2O = 3FeO + 2OH -

Fe(ОН)3 + е = Fe(OH)2 + ОН -

 

4)  органическими соединениями

RO + 2е + 4Н + = RН2 + Н2O

R + 2е + 2Н + = RН2

 

где R - радикал или органическая молекула.

Обратимые окислительно-восстановительные потенциалы катодных реакций (Vк) oбр = (Vок-в) oбр характеризующие возможность протекания последних, выражаются уравнением

 

          где (Vк) oбр = (Vок-в) oбр - стандартный окислительно-восстановительный потенциал катодных деполяризующих реакций в водных растворах (обратимый окислительно-восстановительный потенциал при  ),  
          aок и aв - активность окислителя и восстановителя соответственно; 
          р и q - стехиометрические коэффициенты окислителя и восстановителя соответственно в окислительно-восстановительной реакции.

Наибольшее значение в большинстве конкретных случаев электрохимической коррозии металлов имеют катодные реакции: кислородная деполяризация и водородная деполяризация (деполяризация водородными ионами).

1.3  Гомогенный и гетерогенный пути протекания электрохимической коррозии металлов

Современная теория электрохимической коррозии металлов исходит из возможности протекания процесса как гомогенно-электрохимическим, так и гетерогенно-электрохимическим путем (локальные элементы), из которых второй (гетерогенно-электрохимический) в практических случаях коррозии преобладает.

В теории необратимых электродных потенциалов металлов А.Н.Фрумкина, в которой сформулирован электрохимический механизм саморастворения (коррозии) металлов в электролитах, рассматривалось растворение металла с однородной (гомогенной) поверхностью, т.е. предполагалось, что скорость протекающих на поверхности электрохимических реакций одинакова на всех участках и что все точки поверхности обладают одним и тем же значением потенциала (т.е. что поверхность является строго эквипотенциальной). Автор этой теории считает, что такое допущение вполне законно для жидкого металла, например для поверхности ртути или амальгамного электрода, которая может служить образцом однородной поверхности. Относительно твердого металла это допущение может служить лишь известным приближением. Даже если твердый металл химически вполне однороден, разные участки его поверхности не являются вполне однородными физически. Разные точки поверхности, различающиеся своим положением в решетке отдельных кристаллитов, обладают различной энергией и различными свойствами, что отражается на кинетике электрохимических реакций, протекающих в этих точках. Особенно резкое отклонение от принятой упрощенной картины получается в том случае, когда металл содержит в себе инородные включения и когда вследствие этого на его поверхности имеются разделенные участки с различными физическими и химическими свойствами.

Таким образом, гомогенная трактовка протекания электрохимического коррозионного процесса, являющаяся вполне законной для жидкого металла, при переходе к твердому металлу может служить только известным приближением являющейся упрощенной картинкой при наличии в металле инородных включений и пригодным только для металлов повышенной частоты или для количественной оценки случаев более или менее равномерного характера разрушения корродирующего металла, т.е. когда общая величина коррозии представляет интерес.

По этой теории, в стационарных условиях суммарные скорости анодного ia и катодного ik процессов саморастворения (коррозии) металлов равны, т.е.