Лабораторна робота 16 Корозія металів

Мета роботи: вивчення умов виникнення корозійних гальванічних елементів та впливу різних факторів на швидкість електрохімічної корозії металів.

16.1. Короткі теоретичні відомості

Корозія металів – це процес довільного руйнування металів під впливом середовища, в якому вони перебувають. За механізмом руйнування металу розрізняють хімічну та електрохімічну корозію.

Хімічна корозія відбувається під час взаємодії металів з агресивними газами-окисниками (F₂, Cl₂, О₂, SO₂) при високих температурах, що виключає конденсацію вологи на поверхні металу. При цьому здійснюється прямий, безпосередній обмін електронами метала і окисника.

Хімічної корозії зазнають деталі та вузли двигунів внутрішнього згоряння, газових турбін, печей, теплообмінників і т.д. Наведемо два приклади здійснення хімічної корозії сталевих виробів у кисневмісному середовищі при наявності домішок сполук сульфуру:

2Fe + O₂ + 2H₂S = 2FeS + 2H₂O;

2Fe + 3O₂ + 3SO₂ = Fe₂(SO₄)₃.

У багатьох випадках хімічна корозія металу уповільнюється внаслідок утворення захисних оксидних плівок, які власне є продуктами корозії.

Більш поширеним видом руйнування металів є електрохімічна корозія.

Електрохімічна корозія – довільне руйнування металів у розчинах електролітів чи у вологому повітрі внаслідок виникнення та роботи корозійних гальванічних елементів. Суттєвою відмінністю електрохімічної корозії є просторове розділення ділянок, на яких окиснюється метал (анод) та ділянок, де здійснюється відновлення окисників (катод). Тому руйнування металів в такому випадку пов’язане з виникненням електричного струму між електродами корозійного гальванічного елементу.

У випадку контакту двох металів з різною активністю виникає контактний корозійний гальванічний елемент:

Анод: метал більш активний | Н₂О, електроліт | метал менш активний: Катод

Активність металу при контакті його з розчином електроліту визначають, користуючись значеннями стандартних потенціалів металічних електродів: чим активнішим є метал, тим меншим значенням характеризується його електродний потенціал. Наприклад, залізо є більш активним металом, ніж свинець, оскільки потенціал залізного електрода є меншим, ніж потенціал свинцевого електрода:

φ⁰_Fe²⁺_/Fe = 0,44 В, φ⁰_Pb²⁺_/Pb = 0,13 В, отже φ⁰_Pb²⁺_/Pb > φ⁰_Fe²⁺_/Fe.

Якщо розглянути конструкцію, що утворена із спресованих заліза та свинцю у кислому середовищі при наявності кисню, то схема корозійного гальванічного елемента буде такою:

А Fe | H⁺, O₂, H₂O | Рb К

рН < 7.

Корозійний процес при наявності кисню буде можливий, якщо потенціал катодної системи, на якій буде відновлюватись кисень, більший, ніж потенціал металу, який руйнується на анодних ділянках. Потенціал катодної системи у кисневмісних середовищах можна розрахувати, застосовуючи рівняння Нернста для кисневого електрода:

φ(O₂, Me/H₂O) = 1,23 – 0,059pH.

Якщо застосувати для кислого розчину значення рН = 5, то:

φ(O₂, Me/H₂O) = 1,23 – 0,0595 = 0,935 В > φ⁰_Fe²⁺_/Fe = 0,44 В.

Отже, умова корозійного руйнування заліза задовольняється, тому під час роботи корозійного гальванічного елемента будуть проходити такі електрохімічні реакції:

А Fe – 2e = Fe²⁺ | 2

К O₂ + 4H⁺ + 4e = 2H₂O | 1

Поєднуючи рівняння катодних та анодних процесів, можна скласти окисно-відновну реакцію, довільне проходження якої зумовлює корозію металу:

2Fe + O₂ + 4Н⁺ = 2Fe²⁺ + 2H₂O.

При зміні характеру середовища на нейтральне (водний розчин солей, які не гідролізують, наприклад, KCl, NaNO₃, K₂SO₄) виникне такий корозійний гальванічний елемент:

А Fe | O₂, H₂O, KCl | Рb К

pH = 7

При його роботі перебігають такі електродні процеси:

А Fe – 2e = Fe²⁺

К O₂ + 2H₂O + 4e = 4ОН^

Сумарна окисно-відновна реакція корозійного процесу має вигляд:

2Fe + 2H₂O + O₂ = 2Fe(ОH)₂.

Утворений гідроксид феруму (ІІ) зазнає подальшого окиснення

4Fe(ОH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(ОH)₃.

Таким чином, корозійні процеси у кисневмісних середовищах супроводжуються поглинанням молекулярного кисню O₂.

Якщо кисень швидко використовується під час корозії або взагалі відсутній (наприклад, у замкнених системах), корозія здійснюється з виділенням водню Н₂.

У найбільш спрощеному вигляді електродні процеси в корозійних гальванічних елементах для безкисневого середовища можуть бути представлені рівняннями:

А Мe⁰ – ne = Meⁿ⁺

К 2Н⁺ + 2e = H₂⁰ (pH < 7) або

2H₂O + 2e = H₂⁰ + 2ОН^ (pH ≥ 7)

Корозія з виділенням водню можлива, якщо потенціал металічного електрода анодної ділянки менший від потенціалу водневого електрода, який визначає потенціал катодних ділянок

φ_Meⁿ⁺_/Me < φ(H⁺/H₂,Me) = 0,059pH.

Електрохімічна корозія відбувається і у відсутності контакту декількох металів.

Наявні у металі домішки карбідів, нітридів, силіцидів, що є більш стійкими до окиснення, можуть виконувати роль катодів у мікрокорозійних гальванічних елементах, загальна схема яких має вигляд:

А Me | H₂O, O_x | R К

де R – домішка, неметалічне включення.

Утворенню мікрокорозійних гальванічних елементів сприяє анізотропія властивостей кристалів металу, а також різниця температур та інших фізичних умов різних ділянок металу, неоднорідність розчину, в якому відбувається корозія (нерівномірність аерації, різниця концентрацій іонів), неоднакова механічна обробка різних ділянок одного й того ж металу. Спільна дія великої кількості таких мікрокорозійних гальванічних елементів руйнує метал.