МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Утверждено на заседании
кафедры химии 10.06.2011 г.
Коррозия металлов. Методы защиты металлов от коррозии
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по дисциплине "Химия"
для бакалавров 1-го курса
"Строительство", "Стандартизация и метрология", "Товароведение", "Технология художественной обработки материалов", "Техносферная безопасность", "Эксплуатация транспортно-технических машин и комплексов", "Технология транспортных процессов" всех профилей
Ростов-на-Дону
2011
УДК 541.2
Методические указания по теме «Методы защиты металлов от коррозии».- Ростов-н∕Д: Рост. гос., строит. ун-т. 2011 - 14 с.
Рассмотрены контроль коррозионного процесса, методы защиты металлов и принцип их выбора. В экспериментальной части дана методика выполнения лабораторной работы.
Составитель: канд.хим.наук, доц. Л.М. Астахова
Редактор Т.М.Климчук
Темплан 2011 г., поз.
Подписано в печать
Формат 60х84/16. Бумага писчая. Ризограф.
Уч.-изд.л. 0,5. Тираж 100 экз. Заказ
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета
344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
© Ростовский государственный
строительный университет, 2011
1. Коррозия металлов
В силу широчайшего использования различных металлических конструк-ций, аппаратов, приборов коррозионный процесс наносит огромный ущерб на-родному хозяйству. Любой вопрос новой техники сейчас же вызывает необходи-мость решения проблем в области корро-зии. Защита металлов от коррозии не-возможна без знания закономерностей течения этого процесса.
К о р р о з и я - это процесс самопроизвольного разрушения металлов вследствие их взаимодействия с окружающей средой.
Свободный металл (Ме○) является термодинамически неустойчивой формой по сравне-нию с ионной (Ме+n) – ведь в природе металлы, как правило, встреча-ются не в самородном состоянии, а в виде минералов и руд (соли или оксиды ме-таллов).Этим и объясняется само-произвольное разрушение большинства метал-лов. Судить о степени термодинамической не-стабильности можно по величине стандартного электродного потенциала – чем отрицатель-нее эта величина, тем в большей степени металл будет подвержен коррозионному разруше-нию (см. таблицу).
Коррозионный процесс относится к окислительно-восстановительным и включает в себя две сопряженные реакции – окисление и восстановление, например Ме○ + Ок○ → Ме+n + Ок−n ,
где окисление: Ме○ − ne → Ме+n ;
восстановление: Ок○ + ne → Ок−n .
В зависимости от механизма протекания этих сопряженных реакций коррозия бывает химической или электрохимической.
Химическая коррозия подразумевает процесс взаимодействия металла с окружающей средой за счет гетерогенной химической реакции (атом металла непосредственно взаимо-действует с молекулой реагента и переходит в ионное состояние без переноса электрона через компактный металл). К химической коррозии относятся окисление металлов при вы-соких температурах в газовой атмосфере либо разрушение металла при его соприкоснове-нии с растворами неэлектролитов.
Электрохимическая коррозия протекает с разделением анодной (окисле-ние) и катодной (восстановление)реакций либо в пространстве (по поверхности), либо во времени (если они протекают в одной точке п оверхности). Возникает эта коррозия на границе раздела фаз «металл - электролит» и сопровождается перемещением электронов с одних участков ме-талла к другим, т.е. появлением электрического тока. К ней относят:
- атмосферную коррозию во влажной газовой или воздушной атмосфере;
- подземную коррозию;
- жидкостную коррозию;
- электрокоррозию под действием блуждающих токов и др.
В зависимости от характера разрушений, сопровождающих процесс элект-рохимической коррозии, различают с п л о ш н у ю коррозию, захватывающую всю поверхность металла, и м е с т н у ю, локализующуюся на отдельных участках:
- коррозия пятнами (диаметр поражения велик по сравнению с его глубиной);
- язвенная коррозия (диаметр поражения мал, велика глубина проникновения);
- питтинговая коррозия (точечное поражение, проходящее часто через всю толщу металла) и др.
Скорость коррозии может быть выражена различными способами, однако чаще пользуются весовым, глубинным и токовым показателями.
Весовой или массовый показатель скорости коррозии численно равен потере массы за единицу времени, отнесенную к единице площади:
кор
= ∆ m/τ•S
(г/см2
ч).
Глубинный показатель оценивает скорость коррозии по глубине проник-новения коррозионного разрушения в толщу металла за определенный проме-жуток времени: Пгл (мм/год).
Токовый показатель - плотность тока: i (А/см2).
Стандартные электродные потенциалы некоторых металлов (Е○) и общая термодинамическая характеристика их коррозионной стойкости по отношению к водным растворам
|
Термодинамическая стабильность металла |
Металл и его электродный потенциал (Е○, В) |
|
1. Металлы повышенной нестабильности (неблагородные). Могут корродировать даже в нейтральных средах, не содержащих окислителей |
Li (-3,045) Na (-2,714) Cr(II)(-0.913) K (-2,925) Mg (-2,370) Zn (-0,762) Ba(-2,900) Be (-1,850) Cr(III)(-0,740) Ca(-2,870) Al (-1,670) Fe(II)(-0,440) |
|
2. Металлы нестабильные. Устойчивы в ней-тральных средах при отсутствии кислорода, в кислых средах могут корродировать и в от-сутствие кислорода
|
Cd (-0,402) Pb (-0,126) Co (-0,277) Fe(III) (-0,037) Ni (-0,250) Sn(II) (-0,136) |
|
3. Металлы промежуточной стабильности (полублагородные). В отсутствие О2 и окис-лителей устойчивы в кислых и нейтральных средах
|
Sn(IV) (+0,007) Ag (+0,799) Cu(II) (+0,337) Cu(I) (+0,521) Hg(I) (+789) |
|
4. Металлы высокой стабильности (благород-ные) не корродируют в нейтральных средах при наличии О2. Могут корродировать в кислых средах при наличии О2 или окислителей
|
Hg(II) (+0,854) Pd (II) (+0,987) Ir (II) (+1,156) Pt (III) (+1,190) |
|
5. Металлы полной стабильности. Устойчивы в кислых средах при наличии О2 . Могут растворяться в комплексообразователях при наличии окислителей |
Au (III) (+1,500) Au(I) (+1,680) |
Рассмотрим электрохимическую коррозию на примере действия серной кислоты на технический цинк, содержащий примеси железа. В этом случае на поверхности цинка возникает множество микрогальванопар, в которых цинк яв-ляется анодом (т.к. электродный потенциал цинка (-0,762 В) отрицательнее электродного потенциала железа (-0,44 В), а железо – катодом. Анодный про-цесс в этом случае – окисление цинка, катодный – восстановление окислителя, присутствующего в электролите (катионы водорода):
на аноде Zn○ - 2e = Zn+2 ионизация цинка (окисление);
на катоде 2Н+ + 2e = Н2↑ восстановление катионов водорода.
Поверхность цинка (анод) разрушается, высвободившиеся электроны перетека-ют к включениям железа (катод), на которых выделяется газообразный водород.
Помимо электрохимического растворения цинк может растворяться и в результате химического процесса: Zn○ + 2Н+ = Zn+2 + Н2↑ . Однако опыт показывает, что скорость растворения цинка в этом случае значительно ниже, чем скорость ионизации цинка как анода гальванопары. Вторичный процесс обусловлен взаимодействием образовавшихся катионов металла и кислотного остатка, присутствующего в электролите: Zn+2 + SO4-2 = ZnSO4. Таким обра-зом протекает коррозионный процесс в кислых средах.
Течение коррозионного процесса в нейтральных средах отличается от вышерассмотренного. Например: коррозия технического железа, покрытого пленкой влаги, на воздухе или электролите с нейтральной реакцией среды. Анодный процесс аналогичен – ионизируется металл; на катоде в этом случае восстанавливаются молекулы кислорода, растворенного в воде:
на аноде Fe○ - 2e = Fe+2 ионизация железа (окисление);
на катоде О2 + 2Н2О + 4е = 4ОН- восстановление кислорода.
Возможные вторичные процессы:
Fe+2 + 2ОН- = Fe(ОН)2, 4 Fe(ОН)2 + О2 + 2Н2О = 4Fe(ОН)3 .
Нередко продукты коррозии оказываются малорастворимыми и своим при-сутствием на поверхности металла защищают его от дальнейшего разрушения – пассивируют металл. Это могут быть оксиды, гидроксиды, соли.
П а с с и в а ц и е й или пассивностью металла называется такое его сос-тояние, в каком он не подвергается коррозионному разрушению. Это состояние может быть достигнуто как за счет действия соответствующих окислителей, так и в случае анодной поляризации. Целый ряд металлов уже в естественных усло-виях имеет на своей поверхности оксидную пленку, которая надежно защищает от воздействия агрессивных агентов окружающей среды. Такие металлы называ-ются самопассивирующимися. К ним относятся: алюминий (с термодинамичес-
кой точки зрения активный металл, но за счет поверхностной оксидной пленки коррозионностойкий), титан, ванадий, молибден, хром, никель и др.