Коррозия металлов химия: Коррозия металлов — урок. Химия, 9 класс.

alexxlab | 03.04.2023 | 0 | Разное

Коррозия металлов в химии

Онлайн калькуляторы

На нашем сайте собрано более 100 бесплатных онлайн калькуляторов по математике, геометрии и физике.

Справочник

Основные формулы, таблицы и теоремы для учащихся. Все что нужно, чтобы сделать домашнее задание!

Заказать решение

Не можете решить контрольную?!
Мы поможем! Более 20 000 авторов выполнят вашу работу от 100 руб!

Различают коррозию в газах (газовая коррозия), происходящую при высоких температурах в отсутствии воздействия влаги на поверхности металлов, и электрохимическую коррозию (коррозия в растворах электролитов, а также коррозия во влажной атмосфере). В результате газовой коррозии на поверхности металлов образуются оксидные, сульфидные и т.д. пленки. Этому виду коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания и т.д.

В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводить как к образованию нерастворимых продуктов, так и переходу металла в раствор в виде ионов.

Этому типу коррозии подвергаются трубопроводы, находящиеся в земле, подводные части кораблей и т.д.

Любой раствор электролита – водный раствор, а в воде содержатся кислород и водород, способные к восстановлению:

O₂ + 4H⁺ +4e = 2H₂O (1)

2H⁺ +2e=H₂ (2)

Эти элементы являются окислителями, которые вызывают электрохимическую коррозию.

При написании процессов, происходящих при электрохимической коррозии важно учитывать стандартные электродные потенциалы (ЭП). Так, в нейтральной среде ЭП процесса 1 равен 0,8B, поэтому окислению кислородом подвергаются металлы ЭП которых меньше, чем 0,8B (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до серебра).

ЭП процесса 2 — -0,41В, значит окислению водородом подвергаются только те металлы, потенциал которых ниже, чем -0,41В (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до кадмия).

На скорость коррозии большое влияние оказываю примеси, которые может содержать тот или иной металл. Так, если в металле имеются примеси неметаллического характера, а их ЭП выше, чем ЭП металла, то скорость коррозии существенно повышается.

Виды коррозии

Различают несколько видов коррозии: атмосферную (коррозия во влажном воздухе при н.у.), коррозию в грунте, коррозия при неравномерной аэрации (доступ кислорода к разным частям металлического изделия, находящегося в растворе, неодинаков), контактная коррозия (соприкосновение 2х металлов, с разными ЭП в среде, где присутствует влага).

При коррозии на электродах (аноде и катоде) происходят электрохимические реакции, которые можно записать соответствующими уравнениями. Так, в кислой среде электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией, т.е. на катоде выделяется водород (1). В нейтральной среде электрохимическая коррозия протекает с кислородной деполяризацией — на катоде происходит восстановление воды (2).

А (анод) (-): Me — ne →Meⁿ⁺ – окисление

К (катод) (+):2H⁺ +2e=H₂↑ — восстановление (1)

А (анод) (-): Me — ne →Meⁿ⁺ – окисление

К (катод) (+): O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH^— — восстановление (2)

В случае атмосферной коррозии на электродах происходят следующие электрохимические реакции (причем на катоде, в зависимости от среды могут протекать различные процессы):

А (анод) (-): Me→Meⁿ⁺ +ne

К (катод) (+): O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH^— (в щелочной и нейтральной среде)

К (катод) (+): O₂ + 4H⁺ + 4e → 2H₂O (в кислой среде)

Защита от коррозии

Для защиты от коррозии применяют следующие методы: использование химически стойких сплавов; защита поверхности металлов покрытиями, в качестве которых чаще всего используют металлы, покрывающиеся на воздухе оксидными пленками, устойчивыми к действию внешней среды; обработка коррозионной среды; электрохимические методы (катодная защита, метод протекторов).

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Коррозия металлов

Металлы и сплавы имеют ряд ценных свойств и имеют широкое применение, но с течением времени их свойства могут изменяться из-за отрицательного воздействия окружающей среды.

Коррозия (от. лат. corrosio – разъедание) – это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия их с окружающей средой.

Коррозия – это необратимый процесс, она наносит огромный ущерб экономике, потому что в результате коррозии металлы становятся менее прочными и менее пластичными, нарушается герметичность труб и аппаратов, что может привести к утечке нефти, бензина, газа или к порче продуктов питания.

Все металлы – восстановители, явление коррозии – это проявление восстаногвительных свойств металлов.

Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химичекую коррозию вызываю вещества-неэлекторлиты, она протекает в сухих газах при повышенной температуре и не сопрровождается возникновением электрического тока. Такой газовой коррозии подвергаются металлы при термической обработке. Например, нагретые до высокой температуры детали из железа и его сплавов (вращающиеся валы, шестерни и т.д.) могут реагировать с газообразными компон6ентами атмосферы (O₂, O₃, H₂S, SO₂, NO₂). При этом возможны самые различные процессы химической коррозии железа:

2Fe + O₂ = 2FeO

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃

8Fe + 6NO₂ = 4Fe₂O₃ + 3N₂

2Fe + 2H₂S + O₂ = 2FeS + 2H₂O

В составе природного газа возможна примесь – сероводород, который вступает в реакцию с металлической трубой, по которой транспортируют газ, сопла ракетных двигателей взаимодействуют с окислителем топлива, детали нефтедобывающих конструкций взаимодействуют с нефтью и продуктами её пераработки.

Наличие в воздухе газообразных галогенов или галогенововдородов (например, на химических производствах) ускоряет процесс химической коррозии железа и его сплавов.

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

Fe + 2HBr = FeBr₂ + H₂↑

В результате химической коррозии образуются, как правило, оксидные плёнки, в тех местах, где было соприкосновение металла с агрессивной средой.

Например, на поверхности щелочных и щелочноземельных металлов  в процессе окисления кислородо воздуха образуются толстые рыхлые оксидные плёнки, через которые проникает кислород, поэтому они не защищают металл от коррозии. А на поверхности таких металлов, как алюминий, цинк, хром, никель и других металлов, образуются сплошные тонкие оксидные плёнки, которые защищают металл от окружающей среды.

Поэтому имеено такие металлы используют как легирующие добавки к сталям и для нанесения защитных покрытий на изделия, работающие в условиях газовой коррозии.

Химичекая коррозия протекает также в таких неэлектролитах, как бензин, керосин, сероуглерод и других. Поэтому также наблюдается коррозия бензобаков, нефтепроводов, нефтехимического оборудования.

Электрохимическая коррозия протекает в растворах электролитов: кислоты, основания, соли, морская и речная вода, влажная почва, и сопровождается возникновением электрического тока.

Приведём несколько примеров. Известно, что химически чистые металлы устойчивы к воздействию внешней среды. Так, если враствор соляной кислоты поместить химически чистый цинк, то сначала реакция протекает быстро, а потом замедляется. Это происходит из-за того, что

ионы цинка переходят в раствор и скапливаются на поверхности металла, препятствуя проникновению катионов водорода к поверхности металла. Кроме этого, в кристаллической решётке цинка накапливаются электроны, которые затрудняют переод ионов цинка в раствор.

Если цинк будет находится в контакте с медью, то растворение цинка ускорится, так как медь менее активный металл, чем цинк и с соляной кислотой не взаимодействует, поэтому в кристаллической решётке меди электроны не накапливаются, при этом свободные электроны цинка переходят на поверхность меди и восстанавливают ионы водорода.

2Н⁺ + 2ē = Н₂↑

Поэтому данная корозия и называется электрохимической, потому что наряду с химическими процессами протекакют и электрические

(перенос электронов от одного металла к другому).

В результате концентрации избыточных электронов на поверхность меди цинк снова окисляется и его ионы переходят в раствор.

Zn – 2ē = Zn²⁺

Таким образом, усиление коррозии цинка в контакте с медью объясняется возникновением гальваническго элемента, в котором роль анода принадлежит цинку, а роль катода – меди.

Как правило, роль анода выполняет более активный металл, на аноде происходит окисление металла:

Me – nē = Meⁿ⁺

На катоде, наоборот, частицы окислителя принимают электроны, которые поступают с катода. Роль катода выполняют менее активные металлы или примесные включения.

Например, если частицы оксителя это ионы водорода, то на катоде идёт следующий процесс:

2Н⁺ + 2ē = Н₂↑

В нейтральной среде в качестве окислителя выступает растворённый кислород:

О₂ + 4ē + 2Н₂О = 4ОН^–

Таким образом, в кислой среде преобладает процесс  восстановления водорода, а если среда щелочная или нейтральная, то окислитель кислород.

Процесс коррозии железа и его сплавов называется ржавлением. Чаще всего мы встречаемся с атмосферной коррозией, вызванной присутствием кислорода и паров воды. Продукт процесса коррозии железа – ржавчина – не имеет определённого состава.

Под действием окружающей среды разрушается не только железо и его сплавы, но и другие металлы, как серебро и медь.

Всем известно, что сос временем серебро темнеет, из-за образования чёрного сульфида серебра (I), который образуется за счёт присутствия в атмосфере даже следов сероводорода.

2Ag + H₂S = Ag₂S↓ + H₂↑

4Ag + 2H₂S + O₂ = 2Ag₂S↓ + 2H₂O

Если в атмосфере присутствуют следы озона, то серебрянные изделия также чернеют из-за образования оксида серебра (I).

Все типичные металлы в главных подгруппах I и II групп ПСХЭ Д.И. Менделеева имеют малую коррозионную стойкость. Металлы побочной подгруппы I группы – стойкие. Это Cu, Ag, Au. Металлы побочной подгруппы II группы более устойчивы, так как на их поверхности под действием кислорода внешней среды образуются прочные оксидные плёнки, металлы III группы, главной подгруппы, как Al, защищён оксидной плёнкой, которая обладает высокими защитными свойствами, однако может разрушаться в кислотах и щелочах.

Металлы IV группы, главной подгруппы Sn и Pb стойки к коррозии, покрыты прочной оксидной плёнкой.

Металлы V, VI, VII, VIII групп побочных подгрупп способны к пассивации, обладают большой коррозионной стойкостью, но наибольшей устойчивостью обладают металлы VIII группы, побочной подгруппы Os, Ir, Pt.

То есть, такие металлы, как золото и платина, являются малоактивными, поэтому в меньшей мере подвержены коррозии, их так и называют – благородные металлы, они не теряют свой блеск даже в агрессивной атмосфере.

Из неблагородных металлов высокой коррозионной стойкостью обладает титан и сплавы на его основе. Например, титановые изделия сохраняли свои свойства в течении 10 лет пребывания в морской воде.

Материальные потери, которые приносит коррозия очень велики. Ежегодно четверть выплавляемого во всём мире железа уничтожается коррозией. Поэтому необходимы определённые способы защиты от неё.

Существуют различные способы защиты от коррозии. Один из распространённых способов  – это легирование металлов, то есть получение сплавов, устойчивых к коррозии, как нержавеющая сталь.

Для защиты от коррозии используются защитные покрытия. Это могут быть неметаллические покрытия (лаки, краски, эмали, плёнки из масел и нефтепродуктов), химические (фосфатные, оксидные, нитридные), а также металлические (оцинковывание, никелирование, хромирование, меднение, золочение, лужение – покрытие оловом), проводят обработку среды (нагревание воды для уменьшения растворимости газов, пропускание воды через железную стружку для удаления кислорода или используя сульфит натрия), осуществляют химическое покрытие (оксидирование, азотирование, науглероживание поверхности, добавление ингибиторов коррозии: соли органических кислот, фосфаты, силикаты, карбонаты и др. )

Например, металл цинкуют в водной среде, в случае работы с серной кислотой металл покрывают свинцом, белая жесть применяется для консервирования.

Различают такие металлические покрытия, как катодные и анодные.

Если защищаемый металл покрыт менее активным металлом, то это катодное покрытие. Для железа катодным покрытием служит оловянное. При нарушении целостности катодного покрытия железо разрушается, а олово остаётся защищённым.

На аноде происходит окисление атомов железа, а на катоде в кислой среде происходит восстановление ионов водорода.

Fe – 2ē = Fe²⁺

2H⁺ + 2ē = H₂↑

В нейтральной среде (влажный воздух, вода) на аноде окисляются  атомы железа, а на катоде восстанавливается кислород. В растворе при этом образуется гидроксид железа (II), который окисляется затем кислородом до гидроксида железа (III).

Fe – 2ē = Fe²⁺

O₂ + 4ē +2H₂O = 4OH^–

Fe²⁺ + 2OH^– = Fe(OH)₂↓

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃↓

При высыхании продуктов коррозии образуется ржавчина – Fe₂O₃ · nH₂O. Часто для разрушения окалины-ржавчины на оружейном металле применяют «травильные супы» — раствор серной кислоты с добавлением пивных дрожжей, крахмала, муки.

Анодное покрытие – это покрытие защищаемого металла более активным металлом. Для железа – это цинковое прокрытие. При нарушении этого анодного покрытия анод – цинк разрушается, а катод – железо – остаётся защищённым. В качестве активного металла используют магний, алюминий, цинк.

Протекторная защита заключается  в том, что к защищаемой металлической конструкции присоединяют протекторы из более активного металла.

В этом гальваническом элементе протектор выполняет рол анода, а защищаемый металл – роль катода. Протектор разрушается и защищает тем самым металл. В качестве протектора выступают цинк, магниевые сплавы. Протекторым способом защищают трубопроводы и ёмкости, которые находятся по землёй, коруса морских судов и карабельные винты.

Ещё один способ защиты от коррозиии – это создание шлифованных поверхностей, чтобы не задерживалась влага и лучше образовывалась оксидная плёнка, так как поверхностный слой становится однородным. А такж используют такой метод, как пассивация металлов, то есть изготовление сплавов с добавлением металлов: Ni, Al, Mn, Mo, W, V, имеющих защитные оксидные плёнки.

Таким образом, процесс взаимодействия металлов и сплавов с компонентами окружающей среды, в результате которого происходит разрушение металлов, назвается коррозией.

Различают химическую и электрохимическую коррозию. В случае электрохимической коррозии всегда образуется электрический ток, наблюдается разрушение более активного металла, который выступает в роли анода, а менее активный металл – в роли катода.

Скорость коррозии зависит от от восстановительной способности контактирующих металлов. Чем сильнее он6и отличаются по восстановительной способности, тем больше скорость реакции. Существуют различные методы защиты от коррозии: использование различных покрытий, а также использование металлов более активных, чем защищаемый металл.

 

Коррозия | Химия: Atoms First

Цели обучения

К концу этого модуля вы сможете:

• Давать определение коррозии
• Перечислите некоторые методы, используемые для предотвращения или замедления коррозии

Коррозия обычно определяется как разрушение металлов в результате электрохимического процесса. Образование ржавчины на железе, потускнение серебра и сине-зеленая патина на меди — все это примеры коррозии. Общая стоимость коррозии в Соединенных Штатах значительна и оценивается более чем в полтриллиона долларов в год.

Статуя Свободы: изменение цвета

Статуя Свободы — достопримечательность, которую признает каждый американец. Статую Свободы легко узнать по высоте, положению и уникальному сине-зеленому цвету (рис. 1). Когда эта статуя была впервые доставлена ​​из Франции, ее внешний вид не был зеленым. Он был коричневым, цвета его медной «кожи». Так как же Статуя Свободы изменила цвет? Изменение внешнего вида было прямым результатом коррозии. Медь, которая является основным компонентом статуи, медленно окислялась на воздухе. Окислительно-восстановительные реакции металлической меди в окружающей среде протекают в несколько стадий. Металлическая медь окисляется до оксида меди (I) (Cu ₂ O), который имеет красный цвет, а затем к оксиду меди(II), который имеет черный цвет.

2Cu( s ) + [латекс]\frac{1}{2}[/latex]O ₂ ( г ) ⟶ Cu ₂ O( s ) 9 03 Cu 2 O( s ) + [латекс]\frac{1}{2}[/latex]O ₂ ( г ) ⟶ 2CuO( s )     (черный)

Уголь, который часто с высоким содержанием серы, широко сжигался в начале прошлого века. В результате триоксид серы, углекислый газ и вода вступили в реакцию с CuO 9 .0005

2CuO( s ) + CO ₂ ( g ) + H ₂ O( l ) ⟶ Cu ₂ CO ₃ (OH) ₂ ( s )           ( Зеленый)
3CUO ( S ) + 2CO ₂ ( G ) + H ₂ O ( L ) ⟶ CU ₂ (CO ₃ ) ₂ (OH)

( s )     (синий)
4CuO( s ) + SO ₃ ( г ) + 3H ₂ O( l ) ⟶ Cu ₄ SO ₄ (OH) ₆ ( s )          (зеленый)

Эти три соединения ответственны за характерную сине-зеленую патину, наблюдаемую сегодня. К счастью, образование патины создало на поверхности защитный слой, предотвращающий дальнейшую коррозию медной оболочки. Формирование защитного слоя — это форма пассивации, которая обсуждается далее в следующей главе.

Рисунок 1. (а) Статуя Свободы покрыта медной кожей и изначально была коричневой, как показано на этой картине. (b) Воздействие элементов привело к образованию сине-зеленой патины, наблюдаемой сегодня.

Возможно, наиболее известным примером коррозии является образование ржавчины на железе. Железо ржавеет под воздействием кислорода и воды. Основные этапы ржавления железа, по-видимому, включают следующее (рис. 2). При контакте с атмосферой железо быстро окисляется.

Anode: Fe ( S ) ⟶ Fe ²⁺ ( AQ )+ 2E ^– E ^° _{FE ²⁺ /Fe} = –0,44 V _{²⁺ /Fe} = –0,44 V _{9000 40004444 4.}

4 4.

4 4.

4 4.

4 4.

4 4.

4 4.

4 4.

4 4. /Fe = –0. 44. кислорода воздуха в кислых растворах.

cathode: O ₂ ( g ) + 2H ⁺ ( aq ) + 4e ⁻ ⟶ 2H ₂ O( l )          E ^° _{O 2 /O ²} = +1,23 В

В целом: 2FE ( S ) + O ₂ ( G ) + 4H ⁺ ( AQ ) ⟶ 2FE ²⁺ ( AQ ) ⟶ 2FE ²⁺ ( AQ ) ⟶ 2FE ²⁺ ( AQ ) ⟶ 2FE ²⁺ ( AQ ) ) + 2H ₂ O( l )          E ^° _ячейка = +1,67 В

То, что мы называем ржавчиной, представляет собой гидратированный оксид железа (III), который образуется при дальнейшей реакции ионов железа (II) с кислородом.

4FE ²⁺ ( AQ ) + O ₂ ( G ) + (4 + 2 x ) H ₂ O ( L ) ⟶ 2FE ₂ O _{3 ) ⟶ 2FE 2 O 3 ). · x H 2 O( s ) + 8H ⁺ ( aq )}

Число молекул воды является переменным, поэтому оно представлено как x . В отличие от патины на меди, образование ржавчины не создает защитного слоя, поэтому коррозия железа продолжается, поскольку ржавчина отслаивается и подвергает свежее железо воздействию атмосферы.

Рисунок 2. Когда краска царапается на окрашенной железной поверхности, возникает коррозия и начинает образовываться ржавчина. Скорость спонтанной реакции увеличивается в присутствии электролитов, таких как хлорид натрия, используемый на дорогах для растапливания льда и снега или в соленой воде.

Один из способов предохранить железо от коррозии — красить его. Слой краски предотвращает контакт воды и кислорода, необходимых для образования ржавчины, с железом. Пока краска остается неповрежденной, железо защищено от коррозии.

Другие стратегии включают сплав железа с другими металлами. Например, нержавеющая сталь — это в основном железо с небольшим количеством хрома. Хром имеет тенденцию собираться вблизи поверхности, где он образует оксидный слой, защищающий железо.

Оцинкованное железо или оцинкованное железо использует другую стратегию. Цинк легче окисляется, чем железо, потому что у цинка более низкий восстановительный потенциал. Поскольку цинк имеет более низкий восстановительный потенциал, он является более активным металлом. Таким образом, даже если цинковое покрытие поцарапается, цинк все равно окислится раньше железа. Это говорит о том, что этот подход должен работать и с другими активными металлами.

Еще один важный способ защитить металл — сделать его катодом в гальваническом элементе. Это катодная защита , которую можно использовать не только для железа, но и для других металлов. Например, ржавчину подземных резервуаров и труб для хранения железа можно предотвратить или значительно уменьшить, соединив их с более активным металлом, таким как цинк или магний (рис. 3). Это также используется для защиты металлических частей водонагревателей. Более активные металлы (более низкий восстановительный потенциал) называются жертвенными анодами потому что по мере изнашивания они корродируют (окисляются) на аноде. Защищаемый металл служит катодом и поэтому не окисляется (корродирует). Когда аноды должным образом контролируются и периодически заменяются, полезный срок службы резервуара для хранения железа может быть значительно увеличен.

Рисунок 3. Одним из способов защиты подземного резервуара для хранения железа является катодная защита. Использование активного металла, такого как цинк или магний, в качестве анода эффективно превращает резервуар для хранения в катод, предотвращая его коррозию (окисление).

Ключевые понятия и резюме

Коррозия – это разрушение металла, вызванное электрохимическим процессом. Ежегодно тратятся большие суммы денег на устранение последствий коррозии или ее предотвращение. Некоторые металлы, такие как алюминий и медь, образуют защитный слой при коррозии на воздухе. Тонкий слой, образующийся на поверхности металла, предотвращает контакт кислорода с большим количеством атомов металла и, таким образом, «защищает» оставшийся металл от дальнейшей коррозии. Железо корродирует (образует ржавчину) при воздействии воды и кислорода. Ржавчина, образующаяся на железном металле, отслаивается, обнажая свежий металл, который также подвергается коррозии. Одним из способов предотвращения или замедления коррозии является нанесение покрытия на металл. Покрытие предотвращает контакт воды и кислорода с металлом. Краска или другие покрытия замедляют коррозию, но они неэффективны, если их поцарапать. Оцинкованное или гальванизированное железо использует тот факт, что цинк более склонен к окислению, чем железо. Пока покрытие остается, даже если оно поцарапано, цинк окислится раньше железа. Еще одним методом защиты металлов является катодная защита. В этом методе легко окисляемый и недорогой металл, часто цинк или магний (жертвенный анод), электрически соединяется с металлом, который необходимо защитить. Более активный металл является жертвенным анодом и является анодом в гальваническом элементе. «Защищенный» металл является катодом и остается неокисленным. Одним из преимуществ катодной защиты является то, что расходуемый анод можно контролировать и при необходимости заменять.

Упражнения

1. Какой элемент каждой пары металлов более подвержен коррозии (окислению)?
   1. Мг или Ca
   2. Au или Hg
   3. Fe или Zn
   4. Ag или Pt
2. Рассмотрим следующие металлы: Ag, Au, Mg, Ni и Zn. Какой из этих металлов можно использовать в качестве расходуемого анода при катодной защите подземного стального резервуара-хранилища? Сталь в основном состоит из железа, поэтому используйте -0,447 В в качестве стандартного восстановительного потенциала для стали.
3. Алюминий ( E ∘ _{Al ³⁺ /Al} = −2,07 В) окисляется легче, чем железо (E∘ _{Fe ³⁺ / Fe} = −0,477 В), и все же, когда оба подвергаясь воздействию окружающей среды, необработанный алюминий имеет очень хорошую коррозионную стойкость, в то время как коррозионная стойкость необработанного железа плохая. Объясните это наблюдение.
4. Если образец железа и образец цинка вступают в контакт, цинк подвергается коррозии, а железо – нет. Если образец железа соприкасается с образцом меди, железо подвергается коррозии, а медь — нет. Объясните это явление.
5. Предположим, у вас есть три разных металла, A, B и C. Когда металлы A и B вступают в контакт, B подвергается коррозии, а A не подвергается коррозии. Когда металлы А и С вступают в контакт, А подвергается коррозии, а С не подвергается коррозии. Основываясь на этой информации, какой металл подвергается коррозии, а какой не подвергается коррозии при контакте В и С?
6. Почему расходуемый анод из металлического лития был бы плохим выбором, несмотря на его E ∘ _Li+/Li = −3,04 В, который, по-видимому, способен защитить все другие металлы, перечисленные в стандартной таблице восстановительного потенциала?

Показать выбранные ответы

катодная защита: метод защиты металла с использованием расходуемого анода и эффективного получения металла, который нуждается в защите катода, таким образом предотвращая его окисление

коррозия: разрушение металла посредством электрохимического процесса способ защиты железа путем покрытия его цинком, который будет окисляться раньше железа; оцинкованное железо

расходуемый анод: более активный, недорогой металл, используемый в качестве анода в катодной защите; часто из магния или цинка

Коррозия – Химия

Электрохимия

OpenStaxCollege

[латексная страница]

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Давать определение коррозии
• Перечислите некоторые методы, используемые для предотвращения или замедления коррозии

Коррозия обычно определяется как разрушение металлов в результате электрохимического процесса. Образование ржавчины на железе, потускнение серебра и сине-зеленая патина на меди — все это примеры коррозии. Общая стоимость коррозии в Соединенных Штатах значительна и оценивается более чем в полтриллиона долларов в год.

Статуя Свободы: изменение цвета
Статуя Свободы — достопримечательность, узнаваемая каждым американцем. Статую Свободы легко узнать по высоте, осанке и уникальному сине-зеленому цвету ([ссылка]). Когда эта статуя была впервые доставлена ​​из Франции, ее внешний вид не был зеленым. Он был коричневым, цвета его медной «кожи». Так как же Статуя Свободы изменила цвет? Изменение внешнего вида было прямым результатом коррозии. Медь, которая является основным компонентом статуи, медленно окислялась на воздухе. Окислительно-восстановительные реакции металлической меди в окружающей среде протекают в несколько стадий. Металлическая медь окисляется до оксида меди (I) (Cu ₂ O), который имеет красный цвет, а затем к оксиду меди(II), который имеет черный цвет

\(\text{2Cu}\left(s\right)+\phantom{\rule{0. 2em}{0ex }}\frac{1}{2}{\text{O}}_{2}\left(g\right)\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}⟶\phantom{\rule{0.2em }{0ex}}{\text{Cu}}_{2}\text{O}\left(s\right)\phantom{\rule{5em}{0ex}}\left(\text{red}\right )\)

\({\text{Cu}}_{2}\text{O}\left(s\right)+\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}\frac{1}{ 2}\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}{\text{O}}_{2}\left(g\right)\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}⟶\phantom{ \rule{0.2em}{0ex}}\text{2CuO}\left(s\right)\phantom{\rule{5em}{0ex}}\left(\text{black}\right)\)

Уголь, часто содержащий большое количество серы, активно сжигался в начале прошлого века. В результате триоксид серы, диоксид углерода и вода прореагировали с CuO

\(\text{2CuO}\left(s\right)+{\text{CO}}_{2}\left(g\ справа) + {\ текст {H}} _ {2} \ текст {O} \ влево (l \ вправо) \ фантом {\ правило {0.2em} {0ex}} ⟶ \ фантом {\ правило {0.2em} { 0ex}}{\text{Cu}}_{2}{\text{CO}}_{3}{\text{(OH)}}_{2}\left(s\right)\phantom{\rule {5em}{0ex}}\text{(зеленый)}\)

\(\text{3CuO}\left(s\right)+{\text{2CO}}_{2}\left(g\right ) + {\ text {H}} _ {2} \ text {O} \ left (l \ right) \ phantom {\ rule {0. 2em} {0ex}} ⟶ \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex }}{\text{Cu}}_{2}{{\left(\text{CO}}_{3}\right)}_{2}{\text{(OH)}}_{2}\ влево (с \ вправо) \ фантом {\ правило {5em} {0ex}} \ текст {(синий)} \)

\(\text{4CuO}\left(s\right)+{\text{SO}}_{3}\left(g\right)+{\text{3H}}_{2}\text{ O}\left(l\right)\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}⟶\phantom{\rule{0.2em}{0ex}}{\text{Cu}}_{4}{\text {SO}}_{4}{\text{(OH)}}_{6}\left(s\right)\phantom{\rule{5em}{0ex}}\text{(зеленый)}\)

Эти три соединения ответственны за характерную сине-зеленую патину, наблюдаемую сегодня. К счастью, образование патины создало на поверхности защитный слой, предотвращающий дальнейшую коррозию медной оболочки. Формирование защитного слоя — это форма пассивации, которая обсуждается далее в следующей главе. 9{\ текст {+}} \ влево (вода \ вправо) \)

Количество молекул воды различно, поэтому оно представлено как x . В отличие от патины на меди, образование ржавчины не создает защитного слоя, поэтому коррозия железа продолжается, поскольку ржавчина отслаивается и подвергает свежее железо воздействию атмосферы.

Как только краска царапается на окрашенной железной поверхности, возникает коррозия и начинает образовываться ржавчина. Скорость спонтанной реакции увеличивается в присутствии электролитов, таких как хлорид натрия, используемый на дорогах для растапливания льда и снега или в соленой воде.

Один из способов уберечь железо от коррозии — красить его. Слой краски предотвращает контакт воды и кислорода, необходимых для образования ржавчины, с железом. Пока краска остается неповрежденной, железо защищено от коррозии.

Другие стратегии включают сплав железа с другими металлами. Например, нержавеющая сталь — это в основном железо с небольшим количеством хрома. Хром имеет тенденцию собираться вблизи поверхности, где он образует оксидный слой, защищающий железо.

Оцинкованное или оцинкованное железо использует другую стратегию. Цинк легче окисляется, чем железо, потому что у цинка более низкий восстановительный потенциал. Поскольку цинк имеет более низкий восстановительный потенциал, он является более активным металлом. Таким образом, даже если цинковое покрытие поцарапается, цинк все равно окислится раньше железа. Это говорит о том, что этот подход должен работать и с другими активными металлами.

Еще одним важным способом защиты металла является использование его в качестве катода в гальваническом элементе. Это катодная защита, которую можно использовать не только для железа, но и для других металлов. Например, ржавчину подземных резервуаров и труб для хранения железа можно предотвратить или значительно уменьшить, соединив их с более активным металлом, таким как цинк или магний ([ссылка]). Это также используется для защиты металлических частей водонагревателей. Более активные металлы (с более низким восстановительным потенциалом) называются жертвенными анодами, потому что по мере их износа они подвергаются коррозии (окислению) на аноде. Защищаемый металл служит катодом и поэтому не окисляется (корродирует). Когда аноды должным образом контролируются и периодически заменяются, полезный срок службы резервуара для хранения железа может быть значительно увеличен.

Одним из способов защиты подземного резервуара для хранения железа является катодная защита. Использование активного металла, такого как цинк или магний, в качестве анода эффективно превращает резервуар для хранения в катод, предотвращая его коррозию (окисление).

Коррозия – это разрушение металла, вызванное электрохимическим процессом. Ежегодно тратятся большие суммы денег на устранение последствий коррозии или ее предотвращение. Некоторые металлы, такие как алюминий и медь, образуют защитный слой при коррозии на воздухе. Тонкий слой, образующийся на поверхности металла, предотвращает контакт кислорода с большим количеством атомов металла и, таким образом, «защищает» оставшийся металл от дальнейшей коррозии. Железо корродирует (образует ржавчину) при воздействии воды и кислорода. Ржавчина, образующаяся на железном металле, отслаивается, обнажая свежий металл, который также подвергается коррозии. Одним из способов предотвращения или замедления коррозии является нанесение покрытия на металл. Покрытие предотвращает контакт воды и кислорода с металлом. Краска или другие покрытия замедляют коррозию, но они неэффективны, если их поцарапать. Оцинкованное или гальванизированное железо использует тот факт, что цинк более склонен к окислению, чем железо. Пока покрытие остается, даже если оно поцарапано, цинк окислится раньше железа. Еще одним методом защиты металлов является катодная защита. В этом методе легко окисляемый и недорогой металл, часто цинк или магний (жертвенный анод), электрически соединяется с металлом, который необходимо защитить. Более активный металл является жертвенным анодом и является анодом в гальваническом элементе. «Защищенный» металл является катодом и остается неокисленным. Одним из преимуществ катодной защиты является то, что расходуемый анод можно контролировать и при необходимости заменять.

Какой член каждой пары металлов более подвержен коррозии (окислению)?

(a) Mg или Ca

(b) Au или Hg

(c) Fe или Zn

(d) Ag или Pt

Рассмотрим следующие металлы: Ag, Au, Mg, Ni и Zn. {° }=\text{−0,477 В}\right),\) и тем не менее, когда оба подвергаются воздействию окружающей среды, необработанный алюминий имеет очень хорошую коррозионную стойкость, в то время как коррозионная стойкость необработанного железа плохая. Объясните это наблюдение.

Если образец железа и образец цинка вступают в контакт, цинк подвергается коррозии, а железо – нет. Если образец железа соприкасается с образцом меди, железо подвергается коррозии, а медь — нет. Объясните это явление.

Оба примера включают катодную защиту. (Жертвенный) анод — это металл, который подвергается коррозии (окисляется или вступает в реакцию). В случае железа (-0,447 В) и цинка (-0,7618 В) цинк имеет более отрицательный стандартный восстановительный потенциал и поэтому служит анодом. В случае железа и меди (0,34 В) железо имеет меньший стандартный восстановительный потенциал и поэтому подвергается коррозии (служит анодом). 9{°}=\text{−3,04 В},\), который, по-видимому, способен защитить все другие металлы, перечисленные в стандартной таблице потенциалов восстановления?

Хотя восстановительный потенциал лития делает его способным защищать другие металлы, этот высокий потенциал также свидетельствует о том, насколько реактивным является литий; у него будет спонтанная реакция с большинством веществ.