Захист металів від корозії

Для захисту металів від корозії використовують такі методи:

• використання хімічно стійких сплавів (неіржавіючі сталі тощо);

• захист поверхні металу різними покриттями;

• електрохімічні методи захисту;

• обробка корозійного середовища.

Серед хімічно стійких сплавів найбільше використовують неіржавіючі хромонікелеві сталі, сплави міді і нікелю.

Покриття металів поділяють на металеві, неметалеві і утворені хімічною (електрохімічною) обробкою. Серед металевих розрізняють катодне і анодне покриття. Прикладом анодного покриття може служити покриття сталевих виробів більш електрохімічно активним металом – цинком. Таке покриття ефективно захищає метал навіть у випадку порушення суцільності покриття. Прикладом катодного покриття може служити покриття заліза електрохімічно менш активним металом – оловом (лужена жерсть). Таке покриття захищає метал тільки при суцільному шарі покривного металу. До неметалевих відносять покриття лаками, фарбами, емалями, полімерами, смолами. Широко застосовують хімічну обробку поверхні (оксидування, фосфатування, хроматування) з метою утворення щільних захисних плівок.

До електрохімічних методів захисту відносять катодний захист і метод протекторів. При катодному захисті металева конструкція приєднується до негативного полюса джерела струму і стає катодом, а позитивний полюс під’єднують до масивного металевого заземлення. Метод протекторівполягає у приєднанні до конструкції, що потребує захисту від корозії, шматка більш активного металу (цинк, магній), який поляризується анодно. В такому разі метал конструкції стає катодом, а процес окиснення відбувається на металі-протекторі.

Обробка корозійного середовища проводиться для обмеженого об’єму рідини (котли, трубопроводи). До неї відносяться деаерація води (видалення розчиненого кисню), застосування інгібіторів – речовин, що різко уповільнюють корозію. Як інгібітори використовують нітрит натрію, хромати і дихромати, фосфати, уротропін, деякі високомолекулярні сполуки.

Тестові завдання:

1. Як змінюються окисно-відновні властивості простих речовин в залежності від положення відповідних елементів в періодичній системі Д.І.Менделєєва?

2. Покажіть на прикладах, як змінюються окисно-відновні властивості сполук елементів в залежності від його ступеня окиснення.

3. По яким ознакам можна віднести ту чи іншу речовину лише до окисників, лише до відновників, або до речовин, що проявляють подвійні властивості. Наведіть приклади.

4. Як складається рівняння окисно-відновних процесів методом електронного балансу?

5. Що лежить в основі електронно-іонного методу складання окисно-відновних реакцій?

6. На прикладі відновлення перманганату калію покажіть вплив середовища на протікання окисно-відновних реакцій.

7. Як по положенню металу в електрохімічному ряду напруг визначити його відношення до води, водних розчинів кислот і солей?

8. Які фактори визначають характер катодного та анодного процесів при електролізі водних розчинів електролітів?

9. Електроліз розплаву хлориду магнію.

10. Електроліз розчину сульфату калію.

11. Електроліз розчину сульфату купруму.

12. Електроліз розчину хлориду купруму.

13. Електроліз розплаву лугу.

14. Електроліз розчину лугу.

15. Визначити ступінь окиснення елементів у наступних сполуках і іонах: SO₂; SO₃; H₂S; CS₂; H₂SO₄; K₂CrO₄; Fe(CrO₂)₂; Cr₂O₃; K₂Cr₂O₇;Na₃[Al(OH)₆]; SO₃^2–; MnO₄^–; SO₄^2–; PO₄^3–; P₂O₇^4–; MnO₄^2–.

16. Які з приведених процесів представляють собою окислення, а які – відновлення: S  SO₄^2–; S  S^2–; Sn  Sn⁴⁺; Br₂  2Br^–; 2H⁺  H₂; V²⁺  VO₃^–; Cl^–  ClO₃^–; IO₃^–  I₂; MnO₄^–  MnO₄^2–; Mn²⁺  MnO₄^–; NH₄⁺  N₂; NO₃^–  NO; NO₂  NO₃^–; NO₂  NO₂^–.

17. Розставити коефіцієнти та вказати окисник і відновник в окисно-відновних реакціях: NH₄NO₃  N₂O + H₂O SO₂ + Br₂ + H₂O  HBr + H₂SO₄ Cu + H₂SO₄  CuSO₄ + SO₂ + H₂O I₂ + KOH  KIO₃ + KI + H₂O Cl₂ + NaOH  NaCl + NaClO + H₂O H₂SO₃ + H₂S S + H₂O P + KOH + H₂O  PH₃ + KH₂PO₂ KMnO₄ + MnSO₄ + H₂O  MnO₂ + K₂SO₄ + H₂SO₄ Rb + H₂O  RbOH + H₂ S + KOH  K₂S + K₂SO₃ + H₂O HClO₃  ClO₂ + HClO₄; AgNO₃  Ag + NO₂ + O₂ Cl₂ + H₂S + H₂O  H₂SO₄ + HCl NH₃ + O₂  NO + H₂O FeSO₄ + KMnO₄ + H₂SO₄  Fe₂(SO₄)₃ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O Fe(OH)₂ + O₂ + H₂O  Fe(OH)₃ H₂O₂ + KMnO₄ + H₂SO₄  O₂ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O K₂SO₃ + KMnO₄ + KOH  K₂SO₄ + K₂MnO₄ + H₂O K₂Cr₂O₇ + H₂S + H₂SO₄  S + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O HBr + H₂SO₄  Br₂ + SO₂ + H₂O C + H₂SO₄  CO₂ + SO₂ + H₂O Cu + HNO₃  Cu(NO₃)₂ + NO + H₂O Zn + HNO₃  Zn(NO₃)₂ + N₂ + H₂O Mg + HNO₃  Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + H₂O KClO₃ + FeSO₄ + H₂SO₄  KCl + Fe₂(SO₄)₃ + H₂O KBrO + MnCl₂ + KOH  KBr + K₂MnO₄ + KCl + H₂O FeCl₃ + H₂S  S + FeCl₂ + HCl H₂O₂ + I₂  HIO₃ + H₂O PbO₂ + H₂O₂  Pb(OH)₂ + O₂ KClO₃ + H₂O₂  KCl + O₂+ H₂O N₂H₄ + AgNO₃ + KOH  N₂ + Ag + KNO₃ + H₂O H₂O + As₂S₃ + HNO₃  H₃AsO₄ + H₂SO₄ + NO MnO₂ + O₂ + KOH  K₂MnO₄ + H₂O FeSO₄ + Br₂ + H₂SO₄  Fe₂(SO₄)₃ + HBr + H₂O C + HNO₃  NO₂ + CO₂ + H₂O PbS + HNO₃  PbSO₄ + NO₂ + H₂O HBr + KMnO₄  MnBr₂ + Br₂ + KBr + H₂O K₂S + K₂MnO₄ + H₂O  S + MnO₂ + KOH KI + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄  I₂ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O Zn + H₃AsO₃ + H₂SO₄  AsH₃ + ZnSO₄ + H₂O KI + H₂O₂  I₂ + KOH + H₂O KClO₃  KCl + O₂ NaNO₃  NaNO₂ + O₂ (NH₄)₂Cr₂O₇  N₂ + Cr₂O₃ + H₂O NaClO₃ + H₂S  H₂SO₄ + NaCl + H₂O

Розрахункові задачі:

Приклад 1. Скільки часу потрібно пропускати через розчин кислоти струм силою 10 ампер, щоб одержати 5,6 л водню (при н.у.)?

Рішення: Знаходимо кількість електрики, що повинна пройти через розчин, щоб з нього виділилося 5,6 л водню. Відомо, що 1 екв. водню займає при н.у. об’єм 11,2 л, Отже, кількість електрики

Q = (96500 • 5,6) / 11,2 = 48250 Кл

Визначимо час проходження струму:

t = Q / I = 48250 / 10 = 4825 с = 1 год 20 хв 25 с

Приклад 2. При протіканні струму через розчин нітрату аргентуму на катоді за 10 хв. виділилося 1 г срібла. Визначите силу струму, що пройшов через розчин.

Рішення. Маса 1 екв. срібла становить 107,9 г. Для виділення 1 г срібла через розчин повинно пройти

Q = 96500 / 107,9 = 894 Кл.

Звідси сила струму I = 894 Кл / (10 • 60 с) » 1,5A

1. Визначити еквівалентну масу сірководню, якщо він окислюється до сірчаної кислоти.

2. Визначити еквіваленту масу H₂SO₄ в наступних реакціях:

• Zn + H₂SO₄ ZnSO₄ + H₂

• HBr + H₂SO₄(конц.) Br₂ + SO₂ + H₂O

• HI + H₂SO₄(конц.) I₂ + H₂S + H₂O

3. Гальванічний елемент складається з металічного цинку, зануреного в 0,1 М розчин нітрату цинку і металевого свинцю, зануреного в 0,02 М розчин нітрату свинцю. Визначити е.р.с. елементу (E^o_Zn = –0,76 ев; E^o_Pb = –0,13 ев). Написати рівняння електродних процесів.

4. В якому напрямку будуть переміщуватися електрони у зовнішньому ланцюгу наступних гальванічних елементів: а) Mg | Mg²⁺ || Pb²⁺ | Pb; б) Pb | Pb²⁺ || Cu²⁺ | Cu; в) Cu | Cu²⁺ || Ag⁺ | Ag. Який метал буде розчинятися у кожному випадку?

5. Напишіть рівняння процесів, що проходять при електролізі водних розчинів наступних солей на інертних електродах: Na₂SO₄, NaCl, CuCl₂, Cu(NO₃)₂, Ca(NO₃)₂, KI, KNO₃, CuSO₄, AgNO₃.

6. При електролізі розчину CuCl₂ на аноді виділилося 560 мл газу (н.у.). Знайти масу міді, що виділилася на катоді.

7. Чому рівна еквівалентна маса кадмію, якщо для виділення 1 г кадмію із розчину його солі треба пропустити через розчин 1717 кл електрики?

8. За 10 хв з розчину платинової солі струм силою 5А виділив 1,517 г Pt. Визначити еквівалентну масу платини.

9. При проходженні через розчин солі тривалентного металу струму силою 1,5 А на протязі 30 хв на катоді виділилося 1,071 г металу. Визначити атомну масу металу.

Лабораторна робота:

Дослід 1. Гальванічний елемент.

Вимiряйте ЕРС гальванiчного елементу, складеного з двох напiвелементiв по схемi Cu|CuSO₄ || ZnSO₄|Zn.

Порiвняйте результат з розрахованим теоретично по формулi ЕРС = Е⁰Сu²⁺/Cu – Е⁰Zn²⁺/Zn.

Вкажiть, яка реакцiя протiкає в такому елементi i який з електродiв є катодом, а який – анодом.

Дослiд 2. Електролiз розчину CuSO₄.

Прилад для проведення процесу електролiзу (електролiзер) представляє собою U-подiбну трубку з розчином електролiту, в який опущено два електроди: один з них пiдключений до позитивного полюса зовнiшнього джерела струму, а другий – до негативного. Струм (24 В) пропускається через розчин протягом кiлькох хвилин.

Заповніть електролізер розчином CuSO₄, опустіть в розчин електроди та ввімкніть джерело струму. Вкажiть, якi процеси вiдбуваються на катодi i на анодi, напишiть вiдповіднi рiвняння реакцiй.

Помiняйте мiсцями електроди в електролiзерi i пропускайте струм. Що відбувається з мiддю на анодi i яка речовина виділяється на катодi? Напишiть рiвняння процесiв, що протiкають при електролiзi CuSO₄ з мiдним анодом. Пояснiть, як можна використовувати явище електролiзу для встановлення полюсiв.

Дослiд 3. Спостереження процесу електрохiмiчної корозiї.

Вiзьмiть двi залiзнi дротинки, добре вiдчищенi наждаком. Однiєю дротинкою щільно обмотайте невелику цинкову пластинку, iншою –- шматочок олова. Опустiть пластинки в двi пробiрки, заповненi наполовину дистильованою водою, туди ж добавте 2 краплi 2 н. розчину H₂SO₄ i 2-3 краплi розчину K₃[Fe(CN)₆]. Через деякий час в однiй з пробiрок спостерiгайте синє забарвлення. Пояснiть появу iонiв Fe²⁺ в розчинi. Чому в розчині з парою залiзо–цинк синє забарвлення не з’являється? Який метал буде руйнуватися першим в процесi корозiї в наступних парах: алюмiнiй–мiдь, мiдь–нiкель, залiзо–нiкель?

Дослiд 4. Окисно-відновні реакції.

Проведiть нижчеописанi окисно-вiдновнi реакції, опишiть явища, що спостерiгаються, складiть рiвняння цих реакцiй, користуючись методом електронного балансу, пояснiть з допомогою таблицi потенцiалiв напрям протiкання реакцiй.

а) Налийте в 3 пробiрки по 3-4 краплi водного розчину перманганату калiю, добавте в одну з них 3-4 краплi 2 н. розчину сiрчаної кислоти, в другу – 3-4 краплi 2 н. розчину лугу, в третю – 3-4 краплi води; потiм у всi пробiрки додайте по 3-4 краплi розчину сульфiту натрію. Вiдмiтьте колiр розчинів, пояснiть явища, що спостерiгаються, запишiть рiвняння реакцiй, використовуючи електронно-iонний метод. З допомогою таблицi окисно-вiдновних потенцiалiв пояснiть напрямок реакцiй в дослiдi.

б) Налийте в двi пробiрки по 3-4 краплi 2 н. розчину бiхромату калiю, добавте в одну з пробiрок 3-4 краплi 2 н. розчину сiрчаної кислоти, в другу – 3-4 краплi 2 н. розчину лугу. Звернiть увагу на змiну кольору розчину в другiй пробiрцi. Добавте у всi пробiрки сульфiт натрiю. Напишiть рiвняння реакцiй, використовуючи схеми:

Cr₂O₇^2– + H⁺ + SO₃^2– → 2Cr³⁺ + SO₄^2–

CrO₄^2– + OH^– + SO₃^2– → CrO^2– + SO₄^2–

Використовуючи величини вiдновних потенцiалiв пояснiть, чому iон СrO₄^2– в даному дослiдi перетворюється в СrO^2– .

в) Налийте в пробiрку 1 мл розчину сiрководневої води, добавте 1 мл сульфiту натрiю. Запишіть рівняння реакції, при написанні рiвняння цiєї реакцiї використайте схему:

SO₃^2– + H₂S → S + H₂O

г) Закрiпiть в штативi над листком паперу скляну лійку, обгорнувши її знизу азбестом, насипте в неї 5 г бiхромату амонiю i злегка нагрiйте. Вiдбувається реакцiя розкладу (NH₄)₂Cr₂O₇ → N₂ + Cr₂O₃ + 4H₂O. Напишiть рiвняння процесiв окислення i вiдновлення, використовуючи метод електронного балансу.