4096

внимание на то, какой ион является окислителем в соляной кислоте, и какой – в

азотной.

Fe + HCl → FeCl2 + H2↑;

Fe + HNO3 → Fe (NO3)3 + NO↑ + H2O;

Cu + HNO3 → Cu (NO3)2 + NO↑ + H2O.

Ориентируясь на значения стандартных электродных потенциалов, объясните,

почему медь не растворяется в разбавленной соляной кислоте, а в азотной растворяется и почему железо растворяется в обеих кислотах.

Взаимодействие металлов с щелочами

В две пробирки налейте по 5–10 капель раствора NаOH или КОН и опустите кусочки алюминия и цинка. Обе пробирки слегка нагрейте на водяной бане. Наблюдайте выделение водорода. Составьте уравнения реакций,

учитывая, что получаются соответствующие гидроксокомплексы.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Каковы особенности электронного строения атомов металлических элементов? Чем объясняется относительно слабая связь валентных электронов атомов металлов с ядром?

2.Какие металлы нельзя хранить на воздухе? Почему? Напишите уравнения реакций этих металлов с кислородом.

3.Какие оксиды образуют металлы? Приведите примеры.

4.Какие металлы и почему взаимодействуют со щелочами?

5.Чем обусловлена способность металлов взаимодействовать с кислотами?

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИИ ЦИНКА И ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

ИНГИБИРОВАНИЕМ

Цель работы:

1Ознакомиться с явлениями коррозии металлов и их сплавов.

2Ознакомиться с методами защиты металлов и их сплавов от коррозии.

3Исследовать влияние ингибитора на скорость коррозии цинка в соляной кислоте.

4Рассчитать ингибиторный эффект и степень защиты от коррозии металлической поверхности.

Теоретическая часть

Для получения металлов из их природных соединений требуется большая затрата энергии (за исключением химически стойких металлов: золота, платины, серебра, ртути). Энергия, затраченная на получение металлов, накапливается в них как свободная энергия Гиббса и делает их химически активными веществами, переходящими в результате взаимодействия с окружающей средой в состояние положительно заряженных ионов.

Например, в металлургическом процессе происходит восстановление ионов до атомарного состояния

Me n ne Meo .

В процессе использования металлов, при котором необходимым условием является контакт металла с окружающей средой, происходит окисление металлов, т.е. происходят коррозионные процессы, связанные с разрушением

процессах растет ( S>0).

Коррозия наносит большой ущерб всем отраслям промышленности, которые связаны с использованием металлов, сплавов или изделий из них. Наибольшие потери от коррозии металлических изделий имеет топливноэнергетический комплекс – 29 %, сельское и лесное хозяйство – 20 %, химическая и нефтехимическая промышленность – 15 %, металлообработка – 52 %, прочие отрасли – 30 %.

Имеются два механизма коррозии: химическая и электрохимическая. Химическая коррозия протекает в отсутствие электролитов при температурах, исключающих возможность образования насыщенного пара воды. К ней относятся высокотемпературная (или газовая) коррозия и коррозия в неэлектролитах. Примером газовой коррозии является окисление металлических поверхностей кислородом воздуха при высоких температурах. Например, химической коррозии подвержены детали и узлы машин, работающие при высоких температурах – двигатели поршневого и турбинного типов, ракетные двигатели. Коррозия в органических жидкостях также относится к химической коррозии. Химическая коррозия - это взаимодействие окислителя с металлической поверхностью, не приводящее к образованию гальванических пар, генерирующих электрический ток.

Электрохимическая коррозия протекает в электролите и характеризуется действием макро- и микрогальванических пар, в результате которого между анодными и катодными участками протекает электрический ток. Примером электрохимической коррозии является коррозия в растворах кислот, щелочей, солей, атмосферная коррозия, коррозия в речной и морской воде. Примером электрохимической коррозии также является разрушение кузова автомобиля, металлических поверхностей машин и механизмов, работающих в атмосферных условиях, а также коррозия внутренних поверхностей сушильных камер при сушке древесины.

Скорость коррозии ( ) может измеряться толщиной слоя растворенного металла ( h) за единицу времени (t) по формуле

выражают в мм/час, мм/год. Это глубинный показатель коррозии. Кроме этого, скорость коррозии (Vк) может быть выражена как изменение

массы металла m за определенное время () на определенной площади поверхности (S) по формуле

Vк выражают в г/м2 ч. Это весовой показатель коррозии.

Влажность атмосферы и рН имеют большое значение для коррозионных

процессов. Водородный показатель является одним из факторов, влияющих на

увеличивается. Методы защиты металлических поверхностей от коррозии.

Коррозионная стойкость металлов определяется природой самого

металла и коррозионной среды. Следовательно, защита металла от коррозии

зависит, в первую очередь, от этих факторов.

Ингибирование

Сущность этого метода состоит в добавлении в коррозионную среду ингибиторов, то есть специальных веществ, замедляющих коррозию. При действии ингибиторов в процессе замедления коррозии участвуют электролит, ионы растворяющегося металла и продукты взаимодействия ингибитора со средой. Ингибиторами могут быть азотсодержащие органические соединения (амины, аминокислоты, амиды, алкалоиды, белки), серосодержащие (сульфокислоты), а также продукты конденсации альдегидов и аминов. Неподеленная пара электронов у азота или серы создает условия для адсорбции ингибиторов на активных участках металла, пассивируя их. Стойкие, длительно действующие ингибиторы должны иметь высокую температуру кипения и низкую упругость пара для того, чтобы десорбция их с металлической поверхностью происходила медленно.

Ингибиторами могут быть неорганические соединения: хроматы, бихроматы, нитраты. Они адсорбируются на поверхности металла, образуя оксидную пленку, предохраняющую металл от дальнейшего растворения. Некоторые ингибиторы взаимодействуют с ионами металлов, перешедшими в раствор, образуя на анодных участках трудно растворимые продукты коррозии - карбонаты, фосфаты, силикаты.

Неметаллические покрытия

Наиболее распространены масляные краски, лаки, эмали, полимерные пленки. Масляные краски могут просто механически защищать металлическую поверхность от коррозии. Кроме механической защиты многие краски содержат ингибиторы коррозии и тогда краски несут двойную нагрузку: защитную (механически) и ингибиторную (за счет имеющихся в краске компонентов, обладающих ингибиторным эффектом).

Промышленное значение имеют масляные, спиртовые, асфальтовые лаки и нитролаки. Лаки обладают высокими защитными свойствами в условиях атмосферной коррозии. Коррозионная стойкость спиртовых лаков мала. Нитролаки весьма стойки во влажной атмосфере, но токсичны, взрывоопасны и горючи. Эмалевые лаки эластичны, прочны, обладают хорошей стойкостью в холодной и горячей воде, в растворах солей. Из полимерных материалов имеют применение полихлорвиниловые и фенолоальдегидные пластмассы.

Реактивы и оборудование

1U-образная трубка.

2Набор электродов и пластин из различных видов стали.

3Вольтметр.

4Соединительные проводники.

5Набор растворов кислот и солей.

6Измерительная бюретка с резиновой трубкой и воронкой.

7Реакционная пробирка с пробкой и газоотводной трубкой.

8Наждачная и фильтровальная бумага.

Экспериментальная часть

Наблюдение за явлениями коррозии металлов и выяснение роли ингибитора в коррозии металлов проводится на установке, представленной на рис. 1. В реакционный сосуд поместить кусочек цинка. Туда же добавить 4…5 мл 2 н раствора соляной кислоты. После выдержки (2…3 минуты) цинк начинает реагировать с кислотой. Закрыть пробирку с кислотой и цинком пробкой, соединенной газоотводной трубкой с бюреткой. Проверить герметичность прибора. Для этого опускать или поднимать воронку вместе с кольцом на 10…15 см. Если уровень воды в бюретке не меняется, то прибор герметичен, и можно приступать к опыту. Если уровень воды в бюретке резко меняется, то необходимо уплотнить пробки в бюретке и реакционном сосуде до достижения герметичности установки.

Рис. 1. Установка для исследования влияния ингибитора на коррозию цинка:

1 – бюретка для измерения;

2 – воронка;

3 – резиновая трубка;

4 – газоотводная трубка;

5 – реакционный сосуд

Записать уровень воды в бюретке на время начала измерения с точностью до 0,1 мл.

Водород, выделяющийся в результате взаимодействия цинка с соляной кислотой, вытесняет из бюретки воду. Воронку при этом следует опускать и во время опыта стараться держать воду в воронке и бюретке на одном уровне, чтобы давление газа внутри прибора было все время близким к атмосферному.

Отсчет следует проводить 10 минут, фиксируя изменение положения столба воды в бюретке через каждые 2 минуты. Объем выделяющегося водорода занести в табл. 3.

Таблица 3

Экспериментальные данные определения скорости коррозии металла

Постройте график зависимости объема выделившегося водорода (V) от времени ( ) и по тангенсу угла наклона определите скорость коррозии металла. Среднюю скорость коррозии (Ко) можно рассчитать по формуле

Kо V , (5)

где Ко – скорость коррозии без ингибитора, мл/мин; V – объем выделившегося водорода, – время протекания реакции, мин.

Следующим этапом эксперимента является введение в электролит ингибитора. Каждой группе студентов преподаватель дает определенное количество ингибитора (от 1 до 5 мл). Студенты помещают ингибитор в рабочий электролит с условием, что суммарный объем должен быть равным объему электролита в предыдущем опыте. Время нахождения металла в электролите постоянно и равно 10 мин. По результатам опыта следует рассчитать величину ингибиторного эффекта и степень защиты от коррозии. Полученные данные занести в табл.4.

Ингибиторный эффект ( ) показывает, во сколько раз ингибитор уменьшает скорость коррозии и вычисляется по формуле

где К и Ко – скорость коррозии в присутствии ингибитора и без него. Степень защиты от коррозии (Z) вычисляется по формуле

Сделайте вывод о скорости коррозии и об эффективности действия ингибитора, основываясь на величинах Ко, и Z.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Сформулируйте понятие коррозии. Химическая и электрохимическая коррозия.

2.Какие процессы происходят на электродах в гальваническом коррозионном элементе?

3.Математическое выражение для определения скорости коррозии.

4.Ингибирование коррозионных процессов. Какие ингибиторы вы знаете?

Лабораторная работа № 3

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ В КИСЛОЙ СРЕДЕ. ОКСИДИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

Цель работы:

1.Изучить влияние кислой среды на процесс коррозии металлов.

2.Ознакомиться с процессом оксидирования стали как методом защиты от коррозии.

3.Составить схемы коррозионных элементов и определить их ЭДС.

Теоретическая часть

Основной целью имеющегося многообразия лакокрасочных и металлических покрытий направлено на защиту металлов от коррозии, т.е. разрушения под воздействием факторов окружающей среды.

Коррозионные процессы заключаются в окислении металлов,

Meo ne Me n ,

приводящему к их разрушению и большому ущербу для всех отраслей промышленности, использующих металлы, сплавы и изделия из них. Наибольшие потери от коррозии металлических изделий имеет топливноэнергетический комплекс – 29 %, сельское и лесное хозяйство – 20 %,

электролитов при температурах, исключающих возможность образования насыщенного пара воды, при этом взаимодействие окислителя с металлической поверхностью не приводит к образованию гальванических пар, генерирующих электрический ток. К химической относятся высокотемпературная (или газовая) коррозия и коррозия в неэлектролитах. Примером газовой коррозии является окисление металлических поверхностей кислородом воздуха при высоких температурах. Например, химической коррозии подвержены детали и узлы машин, работающие при высоких температурах – двигатели поршневого и турбинного типов, ракетные двигатели. Коррозия в органических жидкостях также относится к химической коррозии.

Электрохимическая коррозия протекает в электролите и характеризуется действием макро- и микрогальванических пар, в результате которого между анодными и катодными участками протекает электрический ток. Примером электрохимической коррозии является коррозия в растворах кислот, щелочей, солей, атмосферная коррозия, коррозия в речной и морской воде. Разрушению подвергаются кузова автомобилей, металлические поверхностей машин и механизмов, работающих в атмосферных условиях, а также коррозия внутренних поверхностей сушильных камер при сушке древесины.

Скорость коррозии ( ) измеряется либо толщиной слоя растворенного металла ( h) за единицу времени (t) и выражается в мм/час, мм/год (глубинный показатель коррозии)

либо изменением массы металла m за определенное время ( ) на определенной площади поверхности (S) по формуле

При этом Vк выражают в г/м2 ч. Это весовой показатель коррозии.

Таблица 5 Величина pH в сушильных камерах в зависимости от породы деревьев,

начальной влажности древесины (Wнач,%) и режима сушки

Влажность атмосферы и рН среды, в которой происходит эксплуатация металлического оборудования, определяют тип и скорость коррозионных процессов. Например, при увеличении влажности в камерах для сушки древесины рН среды понижается, как показано в табл. 5. При понижении рН скорость коррозии металлов увеличивается.

В табл. 6 приведена десятибалльная шкала коррозионной стойкости по ГОСТ 5272-68.

Устойчивость различных типов сталей и сплавов представлена в табл. 7.