ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА . Составление уравнений процессов коррозии.

^ ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА .

Составление уравнений процессов коррозии. Термодинамическая возможность коррозии в указанных условиях.

Теоретическая часть

Коррозия — это разрушение металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. При этом ме­таллы окисляются и образуются продукты, состав которых зависит от условий коррозии. 

2.Коррозия в щелочной среде без доступа кислорода 

Задание 
Определить возможность коррозии, составить схему коррозионного элемента, указать полярность электродов, указать вид деполяризации и записать уравнения катодного и анодного процессов для гальванопары алюминий-железо, находящейся в щелочной среде (pH → 14) при нормальных условиях без доступа кислорода воздуха. 
Решение 
Рассмотрим расположение алюминия и железа в электрохимическом ряду напряжений металлов: 

__Li____K____Na___Mg___Al____Ti___Mn___Zn_____Cr___Fe___Cd____Co____Ni___Sn___Pb___H₂____Sb___Cu___Ag____Pd___Pt___Au 
-3,04_-2,93_-2,71_-2,36_-1,66_-1,63_-1,18_-0,76__-0,74_-0,44_-0,40__-0,28_-0,25_-0,14_-0,13__0,00__0,24__0,34__0,80__0,99__1,20_1,50 

Номинально железо имеет по сравнению с алюминием больший потенциал (-1,66 В  

Вид деполяризации определяют по наличию в коррозионной системе деполяризатора – катионов водорода (воды) или кислорода. В кислой среде (доступ кислорода не указан) деполяризация – водородная, в атмосферных условиях – кислородная, в щелочной среде (доступ кислорода не указан) – водородная. 

Термодинамическую возможность коррозии оценивают путем сравнения стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалами водородного и кислородного электродов, рассчитанных по формулам E_H2 = -0,059 • pH и E_O2 = 1,23 -0,059 • pH (с учетом вида деполяризации). Если потенциал металла меньше потенциала водородного или кислородного электрода, то коррозия термодинамически возможна, если потенциал металла больше – соответственно, наоборот. Для определения фактической возможности коррозии следует учитывать склонность металлов к пассивации в той или иной коррозионной среде. 

Ниже приведены значения потенциалов водородного и кислородного электродов и указаны катодные реакции восстановления деполяризатора. 

В щелочной среде: 
E_H2 = -0,059 • pH = -0,059 • 14 = -0,83 В____________2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^- 
E_O2 = 1,23 -0,059 • pH = 1,23 -0,059 • 14 = 0,40 В____O₂ + 2H₂O + 4e = 4OH^- 

Схема коррозионного элемента и электродные реакции представлены ниже. 

E_H2 = -0,059 • 14 = -0,83 В. 
Термодинамически возможна коррозия только алюминия (-1,66 В  
Фактически возможна коррозия только алюминия (железо пассивируется в щелочах). 
анод ( - ) Al | H₂O, OH^- | Fe ( + ) катод 
Анодная реакция: Al = Al³⁺ + 3e 
Катодная реакция: 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^- 

Суммарная реакция: 2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂ 

3. Коррозия в кислой среде с доступом кислорода 

Задание 
Определить возможность коррозии, составить схему коррозионного элемента, указать полярность электродов, указать вид деполяризации и записать уравнения катодного и анодного процессов для гальванопары алюминий-железо, находящейся в кислой среде (pH → 0) при нормальных условиях с доступом кислорода воздуха. 
Решение 
Рассмотрим расположение алюминия и железа в электрохимическом ряду напряжений металлов: 

__Li____K____Na___Mg___Al____Ti___Mn___Zn_____Cr___Fe___Cd____Co____Ni___Sn___Pb___H₂____Sb___Cu___Ag____Pd___Pt___Au 
-3,04_-2,93_-2,71_-2,36_-1,66_-1,63_-1,18_-0,76__-0,74_-0,44_-0,40__-0,28_-0,25_-0,14_-0,13__0,00__0,24__0,34__0,80__0,99__1,20_1,50 

Номинально железо имеет по сравнению с алюминием больший потенциал (-1,66 В  

Вид деполяризации определяют по наличию в коррозионной системе деполяризатора – катионов водорода (воды) или кислорода. В кислой среде (доступ кислорода не указан) деполяризация – водородная, в атмосферных условиях – кислородная, в щелочной среде (доступ кислорода не указан) – водородная. 

Термодинамическую возможность коррозии оценивают путем сравнения стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалами водородного и кислородного электродов, рассчитанных по формулам E_H2 = -0,059 • pH и E_O2 = 1,23 -0,059 • pH (с учетом вида деполяризации). Если потенциал металла меньше потенциала водородного или кислородного электрода, то коррозия термодинамически возможна, если потенциал металла больше – соответственно, наоборот. Для определения фактической возможности коррозии следует учитывать склонность металлов к пассивации в той или иной коррозионной среде. 

Ниже приведены значения потенциалов водородного и кислородного электродов и указаны катодные реакции восстановления деполяризатора. 

В кислой среде: 
E_H2 = -0,059 • pH = -0,059 • 0 = 0,00 В____________2H⁺ + 2e = H₂ 
E_O2 = 1,23 -0,059 • pH = 1,23 -0,059 • 0 = 1,23 В____O₂ + 4H⁺ + 4e = 2H₂O 

Схема коррозионного элемента и электродные реакции представлены ниже. 

E_O2 = 1,23 -0,059 • pH = 1,23 -0,059 • 0 = 1,23 В. 
Термодинамически возможна коррозия обоих металлов с ксилородной деполяризацией (-1,66 В  
Фактически возможна коррозия обоих металлов (оба металла неустойчивы в кислотах при доступе кислорода воздуха). 
анод ( - ) Al | H2O, H⁺, O₂ | Fe ( + ) катод 
Анодная реакция: Al = Al³⁺ + 3e 
Катодная реакция: O₂ + 4H⁺ + 4e = 2H₂O 
Суммарная реакция: 4Al + 12H⁺ + 3O₂= 4Al³⁺ + 6H₂O 

4. Коррозия в кислой среде без доступа кислорода 

Задание 
Определить возможность коррозии, составить схему коррозионного элемента, указать полярность электродов, указать вид деполяризации и записать уравнения катодного и анодного процессов для гальванопары алюминий-железо, находящейся в кислой среде (pH → 0) при нормальных условиях без доступа кислорода воздуха. 
Решение 
Рассмотрим расположение алюминия и железа в электрохимическом ряду напряжений металлов: 

__Li____K____Na___Mg___Al____Ti___Mn___Zn_____Cr___Fe___Cd____Co____Ni___Sn___Pb___H₂____Sb___Cu___Ag____Pd___Pt___Au 
-3,04_-2,93_-2,71_-2,36_-1,66_-1,63_-1,18_-0,76__-0,74_-0,44_-0,40__-0,28_-0,25_-0,14_-0,13__0,00__0,24__0,34__0,80__0,99__1,20_1,50 

Номинально железо имеет по сравнению с алюминием больший потенциал (-1,66 В  

Вид деполяризации определяют по наличию в коррозионной системе деполяризатора – катионов водорода (воды) или кислорода. В кислой среде (доступ кислорода не указан) деполяризация – водородная, в атмосферных условиях – кислородная, в щелочной среде (доступ кислорода не указан) – водородная. 

Термодинамическую возможность коррозии оценивают путем сравнения стандартных потенциалов каждого из металлов с потенциалами водородного и кислородного электродов, рассчитанных по формулам E_H2 = -0,059 • pH и E_O2 = 1,23 -0,059 • pH (с учетом вида деполяризации). Если потенциал металла меньше потенциала водородного или кислородного электрода, то коррозия термодинамически возможна, если потенциал металла больше – соответственно, наоборот. Для определения фактической возможности коррозии следует учитывать склонность металлов к пассивации в той или иной коррозионной среде. 

Ниже приведены значения потенциалов водородного и кислородного электродов и указаны катодные реакции восстановления деполяризатора. 

В кислой среде: 
E_H2 = -0,059 • pH = -0,059 • 0 = 0,00 В____________2H⁺ + 2e = H₂ 
E_O2 = 1,23 -0,059 • pH = 1,23 -0,059 • 0 = 1,23 В____O₂ + 4H⁺ + 4e = 2H₂O 

Схема коррозионного элемента и электродные реакции представлены ниже. 

E_H2 = -0,059 • 0 = 0,00 В. 
Термодинамически возможна коррозия обоих металлов с водородной деполяризацией (-1,66 В  
Фактически возможна коррозия обоих металлов (оба металла неустойчивы в кислотах). 
анод ( - ) Al | H2O, H⁺ | Fe ( + ) катод 
Анодная реакция: Al = Al³⁺ + 3e 
Катодная реакция: 2H⁺ + 2e = H₂ 
Суммарная реакция: 2Al + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂

Примеры решения задач Задача 1
Хром находится в контакте с медью. Какой из металлов будет окисляться при коррозии, если эта пара металлов попадает в кислую среду (НСl) ? Дайте схему образующегося при этом гальванического элемента.

медь – катодом (E⁰ (Cu²⁺/Cu⁰) = 0,337 В 
Хромовый анод растворяется; а на медном катоде выделяется водород. Схема работающего гальванического элемента:
(-)2Cr/Cr³⁺|| HCl (Cu)3H₂/6H⁺ (+) .Cледовательно, окисляется хром. 

Ответ: (-)2Cr/Cr³⁺|| HCl (Cu)3H₂/6H⁺ (+) .

Задача 2
Вычисление массы металла, окисляющегося при коррозии.
При нарушении целостности поверхностного слоя медного покрытия на алюминии будет коррозия вследствие работы гальванопары:
(-)2Al/2Al³+|| H₂SO₄ (Cu)3H₂/6H⁺(+) .
За 45 с работы этой гальванопары на катоде выделилось 0,09 л водорода. Какая масса алюминия растворилась за это время, и какую силу тока дает эта гальванопара?

I = m F /M_э ,где I – сила тока, А; 
m – масса растворившегося за 1 с более активного электрода
или выделившегося за 1с вещества на катоде; 
F – постоянная Фарадея; 
М_э – молярная масса эквивалента элемента, из которого сделан более активный электрод, или элемента, выделяющегося на катоде.

За 1 с на катоде выделяется 0,09:45 = 0,002 (л) Н₂

Гальванический элемент дает ток силой
I = 0,002∙96500/11,2 = 17,2 (А).
Молярная масса эквивалента алюминия равна 9 г/моль.
За 45 с работы гальванопары алюминия растворилось:
m_A1 = 9∙17,2∙45/96500 = 0,072 (г).
Ответ: I = 17,2 А, m_A1 = 0,072 г

Задачи расчетного задания
1. Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

2. Медь не вытесняет водород из разбавленных кислот. Почему? Однако, если к медной пластинке, опущенной в кислоту, прикоснуться цинковой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнение протекающей химической реакции.

3. Как происходит атмосферная коррозия луженого железа и луженой меди при нарушении покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

4. Если пластинку из чистого цинка опустить в разбавленную кислоту, то начавшееся 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 уравнения протекающей химической реакции.

5. В чем сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

6. Железное изделие покрыли никелем. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

7. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары «магний – никель». Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

8. В раствор хлороводородной (соляной) кислоты поместили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.

9. Почему химически чистое железо более стойко против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в кислой среде.

10. Какое покрытие металла называется анодным и какое – катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытий железа. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью, во влажном воздухе и в кислой среде.

11. Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

12. Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

13. Две железные пластинки, частично покрытые одна оловом, другая медью, находятся во влажном воздухе. На какой из этих пластинок быстрее образуется ржавчина? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этих пластинок. Каков состав продуктов коррозии железа?

14. Какой металл целесообразней выбрать для протекторной защиты от коррозии свинцовой оболочки кабеля: цинк, магний или хром? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов атмосферной коррозии. Каков состав продуктов коррозии?

15. Если опустить в разбавленную серную кислоту пластинку из чистого железа, 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.

16. Цинковую и железную пластинки опустили в раствор сульфата меди. Составьте электронные и ионно-молекулярные уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут проходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводником?

17. Как влияет среда на скорость коррозии железа и цинка? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов атмосферной коррозии этих металлов.

18. В раствор электролита, содержащего растворенный кислород, опустили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка проходит интенсивнее? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.

19. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары «алюминий – железо». Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?

20. Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем никеля, если покрытие нарушено? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов коррозии?
21. Какие металлы (Fе, Ag, Ca) будут разрушаться в ат­мосфере влажного воздуха, насыщенного диоксидом угле­рода? Ответ дайте на основании вычисления изменения энергии Гиббса ∆G⁰₂₉₈ соответ­ствующих процессов.
22. Алюминий склепан с медью. Какой из металлов бу­дет подвергаться коррозии, если эти металлы попадут в кис­лотную среду? Составьте схему гальванического элемента, образующегося при этом. Подсчитайте ЭДС и ∆G⁰₂₉₈ этого элемента для стандартных условий.

23. Какой металл может служить протектором при защите железа от коррозии в водном растворе с рН=10 в контакте с воздухом. Напишите уравнения реакций протекающих процессов.

24. В чем заключается сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте уравнение анодного и катодного процессов. 

25. Приведите примеры катодных и анодных покрытий для кобальта. Составьте уравнения катодных и анодных процессов во влажном воздухе и в растворе солей при нарушении целостности покрытия.

26. К какому типу покрытий относятся олово на стали и на меди? Какие процессы будут протекать при атмосферной коррозии луженых стали и меди при нейтральной реакции среды и температуре 298 К? Напишите уравнения катодных и анодных процессов.

27. Напишите уравнения электродных процессов, протекающих при катодной защите стальных труб.

28. Объясните, почему в атмосферных условиях цинк корродирует, а золото нет. Подтвердите это расчетами.

29. Приведите примеры металлов, которые могут корродировать с выделением водорода в водном растворе, имеющем а) рН = 2, б) рН = 7, в) рН = 10.

30. Почему в железной бочке можно хранить концентрированную и нельзя хранить разбавленную серную кислоту? Почему никель устойчив в щелочных растворах?