- •Электрохимические процессы
- •1. Гальванический элемент понятие об электродном потенциале
- •Гальванический элемент (гэ) даниэля-якоби
- •Электродвижущая сила элемента (эдс)
- •Водородная шкала потенциалов
- •Потенциалы металлических электродов
- •Потенциалы газовых электродов
- •Коррозия металлов
- •7.2.1.Химическая коррозия
- •7.2.2. Электрохимическая коррозия
- •Механизм электрохимической коррозии
- •Термодинамика электрохимической коррозии
- •Основные случаи возникновения коррозионных гальванических пар
- •7.2.3 Защита металлов от коррозии
- •7.3. Электролиз
- •7.3.1. Общие понятия
- •7.3.2. Электролиз расплавов электролитов
- •7.3.3. Электролиз растворов электролитов
- •7.3.4 Электролиз с растворимыми анодами
- •7.3.5. Законы электролиза
- •7.3.6. Применение электролиза
- •Химические источники тока
- •Энергия химическая энергия электрическая
- •Эффективность преобразования энергии из одних форм в другие
- •Гальванические элементы
- •Параметры гальванических элементов
- •Сухие гальванические элементы
- •Марганцово-цинковый элемент
- •Воздушно (кислородно) - цинковый элемент
- •Ртутно-цинковый гальванический элемент
- •Свинцовый элемент
- •Топливные элементы. Электрохимические генераторы
- •Кислородно-водородный топливный элемент
- •Электрохимические генераторы
- •Практическое применение топливных элементов
- •Электрохимические аккумуляторы
- •Характеристики перспективных аккумуляторов
- •Свинцовый аккумулятор
- •Никель - железный аккумулятор
- •Никель - кадмиевый аккумулятор
- •Другие типы перспективных аккумуляторов
Основные случаи возникновения коррозионных гальванических пар
а) Коррозия при контакте двух металлов
В результате соприкосновения разных металлов в присутствии электролита возникает электрохимическая коррозия. Электролитом может быть морская или природная вода, в которой всегда присутствуют соли, растворенные газы (CO2, SO2) и т.д. Сплав эвтектического типа из двух различных металлов.
Рассмотрим возможность коррозии изделия из железа, находящегося в контакте с медью, в растворе электролита (рН = 10), содержащего O2.
На любом металле, находящемся в электролите, за счет процессов обмена возникает электродный потенциал, величина которого отражает физико-химическую природу металла и электролита. В большинстве случаев состав электролита и внешние условия отличаются от стандартных, поэтому возникающие потенциалы не будут стандартными. Однако, в первом приближении, для ответа на поставленный вопрос можно пользоваться значениями стандартных электродных потенциалов.
Так как в контакте находятся железо и медь со стандартными электродными потенциалами:
= -0,44 В; = +0,34 В,
то при замыкании в электролите двух тел, имеющих различные потенциалы, пойдет электрический ток - перемещение электронов от более отрицательного электрода (железа) к более положительному электроду (меди). При этом железо будет разрушаться: ионы Fe2+ переходят из металлической решетки в электролит. Электроны, поступающие к меди, расходуются в процессе восстановления. Какой именно процесс восстановления будет протекать на поверхности меди, зависит от состава электролита.
Таким образом, при контакте железа и меди, находящихся в электролите, возникает коррозионная гальваническая пара:
(-) Fe | водный раствор электролита | Cu (+)
при работе которой возможно протекание следующих электрохимических реакций:
(-) A (Fe) : = -0,44 В
(+) K (Cu) : (рН = 10) = -0,59 В
(рН = 10) = +0,64 В
С термодинамической точки зрения в таких условиях возможна коррозия железа только с кислородной деполяризацией, так как < . Как и для любого химического источника электрической энергии, можно, суммируя анодный и катодный процессы, получить уравнение окислительно-восстановительной реакции, самопроизвольное протекание которой обусловливает коррозию металла:
2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)2
Образующийся гидроксид железа (II) подвергается последующему окислению:
4Fe(OH)2 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3
При этом образуется ржавчина (xFe2O3yH2O).
Антикоррозионные свойства существенно зависят от чистоты металла и однородности сплава. Так наличие примеси (Ме2) на поверхности основного металла (Ме1) при контакте с электролитом обусловливает возникновение гальванических микроэлементов вида:
Me1 | электролит | Me2
В этих элементах металл с меньшей величиной электродного потенциала выполняет функцию анода и разрушается.
б) Коррозия металла с токопроводящими неметаллическими примесями
Если в металле имеются включения неметаллов, оксидов, нитридов или карбидов, также протекает электрохимическая коррозия. Например, сталь наряду с кристаллами собственно железа содержит кристаллы цементита Fe3C, которые по отношению к железу выступают в роли катода в микрогальваническом элементе:
Чугун легко ржавеет в присутствии влаги из-за образования в наружном слое микроэлементов из железа и графита (в ряду электродных потенциалов углерод стоит после железа). В этих случаях микровключения как химически неактивные по сравнению с металлом образования выполняют функцию катода, а металл - анода. Схема такого микрогальванического элемента имеет вид:
металл | электролит | неметаллические включения
В ходе работы этого гальванического элемента на электродах протекают следующие электрохимические реакции:
(-) A (металл) : Me - n = Men+
(+) K (неметаллические включения) 2H2O + 2 = H2 + 2OH-
O2 + 2H2O + 4 = 4OH-
в) Разрушение металлов при неодинаковой аэрации
Коррозия металлов возможна при неодинаковом доступе воздуха (аэрации) к его различным частям. Поверхность металла, находящегося во влажном воздухе, бывает покрыта каплями воды из-за конденсации водяного пара. В этом случае возможно возникновение гальванического элемента за счет неодинакового окисления металла. По краям капли (хорошо аэрируемый участок) за счет взаимодействия с кислородом образуется оксидный слой, пассивирующий металл и выполняющий роль катода. В середине капли доступ воздуха к металлу затруднен, и этот участок (менее окисленный) выполняет функцию анода, т.е. образуется микрогальванический элемент:
Менее окисленный участок металла (анод) |
электролит |
Более окисленный участок металла (катод) |
По этой причине наблюдается ржавление проволочных тросов изнутри, а не снаружи.
г) Разрушение металлов при неодинаковой концентрации электролита
Различные концентрации электролита могут вызвать коррозию, создавая гальваническую пару даже на одном металле. При этом функцию анода выполняет участок металла, погруженный в раствор с меньшей концентрацией электролита.
д) Различный уровень механических напряжений в одной и той же детали