Отчет по лабораторной работе №4 (2 семестр) / коррозия.doc

Коррозия металлов

Цель работы - ознакомление с химической и электрохимической коррозией металлов.

Теоретическая часть

Коррозией металлов называется самопроизвольное разрушение металлов, происходящее в результате химического или электрохимического воздействия внешней среды.

По механизму процесса различают коррозию химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия не сопровождается возникновением электрического тока и происходит при взаимодействии с металлами сухих газов и жидкостей, не являющихся электролитами.

Практически химическая коррозия проявляется чаще всего как газовая коррозия металлов при высоких температурах. При этом металл химически взаимодействует с газами O₂; H₂O; CO₂;SO₂;H₂S и др. На поверхности металла образуется пленка продуктов коррозии, которая чаще всего представляет собой оксиды металлов. Если пленка препятствует проникновению коррозионной среды к поверхности металла, её называют защитной. Начальная стадия образования защитной пленки - чисто химический процесс. Дальнейшее течение процесса будет определяться скоростью диффузии атомов кислорода снаружи и ионов металла изнутри через защитную пленку.

При нагревании металлов (железа, меди) на воздухе тонкие, невидимые пленки оксидов начинают расти, и при толщине 400-500 Å становятся видимыми благодаря интерференции в них световых лучей. Вследствие этого возникают так называемые цвета побежалости: желтый, оранжевый, красный, фиолетовый, синий. Цвет пленки определяется её толщиной, а толщина зависит от температуры нагрева и от времени выдержки при данной температуре.

При дальнейшем нагреве железо и обычная углеродистая сталь быстро покрываются продуктами газовой коррозии, так называемой окалиной. Окалина имеет сложное строение. Толщина слоев различных оксидов в окалине зависит от условий коррозии: температуры, продолжительности нагревания и состава коррозионной среды. При температурах, превышающих 575 С, окалина состоит из слоев оксидов: FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ (с промежуточными слоями из твердых растворов, соприкасающихся оксидов). К поверхности железа ближе других примыкает слой монооксида железа FeO, или вюстита. Вюстит имеет решетку с избытком анионов (ионов кислорода) и недостатком катионов (ионов железа). Наличие незанятых катионных узлов облегчает диффузию. Последующие слои представляют собой магнетит Fe₃O₄ и гематит Fe₂O₃. Поскольку окалина состоит главным образом из вюстита, она не обладает защитными свойствами.

При нагревании железа в атмосфере водяного пара протекает процесс окисления железа, водород при этом выделяется в свободном состоянии.

На поверхности меди при нагревании её на воздухе также образуется пленка продуктов коррозии, состоящая из различных оксидов. К поверхности металла примыкает слой полуокиси меди Cu₂O, имеющий, подобно вюститу, решетку с недостатком катионов. Наружным слоем является слой монооксида меди CuO.

Наиболее распространена электрохимическая коррозия. Она протекает в электролитах и во влажных газах и представляет собой окислительно-восстановительные процессы на границе металл-электролит аналогично процессам, происходящим в гальваническом элементе.

По условиям протекания различают следующие виды электрохимической корро

зии:

1) коррозию в электролитах;

2) атмосферную коррозию;

3) электрокоррозию;

4) коррозию под напряжением и др.

Чаще всего встречается атмосферная коррозия. На поверхности технических металлов и сплавов в атмосферных условиях всегда есть тонная пленка влаги, адсорбированной из воздуха. Эта пленка в результате растворения в ней газов, содержащихся в воздухе (главным образом углекислого газа), становится электропроводной. Это обусловливает работу микрогальванических элементов на поверхности металла, где роль анодов играют структурные составляющие металла, обладающие более отрицательным электродным потенциалом (например, участки феррита), а роль катодов - структурные составляющие или примеси, электродный потенциал которых более электроположителен (например, цементит Fe₃C). Коррозионные элементы могут возникнуть при контакте двух различных, а также в результате любой микронеоднородности металлической поверхности: ликвация твердого раствора, различная ориентация отдельных зерен металла, наличие включений, границ зерен и другие факторы. Если на поверхности металла существует электропроводная пленка оксидов, сплошность которой нарушена, т.е. имеются оголенные участки металлической поверхности или поры в пленке, это также может являться причиной возникновения коррозионного элемента; при коррозии пленка будет представлять собой катод, металл-анод.

При электрохимической коррозии разрушению подвергаются лишь анодные участки поверхности. Здесь происходит переход ионов металла в электролит.

При коррозии железа на аноде протекает следующий процесс:

На катодных участках поверхности в нейтральных и щелочных средах осуществляется процесс ионизации кислорода, растворенного в электролите или в тонкой пленке влаги.

В подавляющем большинстве коррозионных процессов происходит именно эта реакция. В кислых средах на катоде разряжаются ионы водорода

Обе приведенные катодные реакции могут протекать совместно в зависимости от характера коррозионной среды и потенциалов электродов. Продукты электродных процессов в толще электролита или на поверхности металла в пленке влаги обычно взаимодействуют с образованием гидроксида железа (II) который в присутствии влаги и кислорода окисляется в гидроксид железа (III)

Состав продуктов коррозии стали (ржавчины) является неопределенным и может быть выражен общей формулой

При работе коррозионного элемента сила тока с течением времени уменьшается в результате изменения потенциалов электродов. Это явление называется поляризацией. Анодная поляризация - это смещение потенциала анода в положительную сторону в результате изменения концентрации ионов и, главным образом, вследствие образования на аноде оксидных пленок (явление пассивности). Катодная поляризация - это смещение потенциала катода в отрицательную сторону в результате затруднений в протекании катодной реакции (перенапряжение) и изменение концентрации кислорода у катода. Исследование процессов поляризации требует применения специальной аппарату ры.

Состав коррозионной среды оказывает больное влияние на скорость коррозии. Коррозия протекает тем более интенсивно, чем выше в растворе концентрация ионов водорода. Иную роль при коррозии железа играют ионы гидроксида. Эти ноны образуют с ионами железа труднорастворимые в щелочных средах гидроксиды. По этой причине железо в щелочных средах не корродирует.

Коррозия металлов может быть вызвана неравномерной концентрацией кислорода в растворе. Участки металлической поверхности, к которым доступ кислорода затруднен, являются анодными и подвергаются разрушению, в то время как участки поверхности, к которым доступ кислорода облегчен, играют роль катодов. Здесь легко протекает процесс ионизации находящегося в растворе кислорода.

Электрохимическая коррозия может быть значительно ускорена в присутствии небольшого количества веществ, называемых в соответствии с характером их действия ускорителями или стимуляторами.

Активными стимуляторами коррозии являются ионы галогенов. На поверхности металла в атмосферных условиях имеется оксидная пленка, которая может обладать защитным характером. Ионы галогена, адсорбируются на пленке и вытесняют кислород, как бы образуя хлорид, который переходит в раствор. В пленке возникают поры, облегчающие коррозию.

Состав коррозионной среды оказывает больное влияние на скорость коррозии. Коррозия протекает тем более интенсивно, чем выше в растворе концентрация ионов водорода. Иную роль при коррозии железа играют ионы гидроксида. Эти ноны образуют с ионами железа труднорастворимые в щелочных средах гидроксиды. По этой причине железо в щелочных средах не корродирует.

Коррозия металлов может быть вызвана неравномерной концентрацией кислорода в растворе. Участки металлической поверхности, к которым доступ кислорода затруднен, являются анодными и подвергаются разрушению, в то время как участки поверхности, к которым доступ кислорода облегчен, играют роль катодов. Здесь легко протекает процесс ионизации находящегося в растворе кислорода.

Электрохимическая коррозия может быть значительно ускорена в присутствии небольшого количества веществ, называемых в соответствии с характером их действия ускорителями или стимуляторами.

Активными стимуляторами коррозии являются ионы галогенов. На поверхности металла в атмосферных условиях имеется оксидная пленка, которая может обладать защитным характером. Ионы галогена, адсорбируются на пленке и вытесняют кислород, как бы образуя хлорид, который переходит в раствор. В пленке возникают поры, облегчающие коррозию.

Практическая часть

Электрохимическая коррозия

Опыт №1. Коррозия металлов при высоких температурах.

Цель работы: ознакомиться с коррозией металлов при высоких температурах.

Ход работы: С помощью наждачной бумаги хорошо очистить поверхность стальной пластинки. Взять тигельными щипцами стальную пластинку за один конец и нагрейте её с другого конца в бесцветном пламени горелки. При нагревании пластинку держать неподвижно относительно пламени горелки. Аналогичный опыт проделать с медной пластинкой.

Наблюдения: Сначала наблюдаем появление цветов побежалости. При более длительном нагревании поверхность пластинки принимает серый цвет окалины.

При проведении данного опыта с медной пластинкой наблюдаем, как цвета побежалости принимают чёрный цвет вследствие образования толстых слоёв непрозрачных оксидов меди.

Вывод: При высоких температурах процесс коррозии усиливается. Железная окалина имеет серый цвет, медная - чёрный.

Опыт №З. Коррозия при контакте двух различных металлов.

Цель работы: ознакомиться с коррозией при контакте двух различных металлов.

Ход работы: В трубку, согнутую под углом, налит разбавленный раствор серной кислоты.

В одно колено трубки вставляется полоса цинка. В другое колено вставляем медную проволоку, не соприкасая её с цинком.

Наблюдения: Выделение водорода на меди не наблюдается. Приводим металлы в соприкосновение. Наблюдаем выделение водорода на меди при контакте металлов. Наблюдаем выделение водорода.

(Zn) A: Zn - 2e Zn

(Cu) K: 2H + 2e H2

Вывод: При контакте металлов выделяется водород.

Опыт №4. Образование микро коррозийных элементов.

Цель работы: ознакомиться с образованием микро коррозионных элементов.

Ход работы: К кусочку гранулированного цинка прилили несколько миллилитров разбавленной серной кислоты, прилили в пробирку несколько капель раствора сульфата меди

Наблюдения: Сначала началось медленное выделение водорода. После того, как прилили в пробирку несколько капель раствора сульфата меди, увеличилась скорость выделения водорода. Медный купорос (СuSO4) изменяет цвет с глубоко синего на голубой. Zn из белого покрывается плёнкой (Cu).

(Zn) А: Zn - 2e Zn

(Cu) K: 2H +2e H2

Вывод: При взаимодействии цинка с серной кислотой и сульфатом меди, цинк покрывается плёнкой из меди.

Опыт №5. Ионы Cl как активные стимуляторы коррозии.

Цель работы: ознакомиться с влиянием ионов Cl на процесс коррозии.

Ход работы: В две пробирки поместить небольшое количество алюминиевых стружек и прилить к ним раствор сульфата меди, слегка подкисленный серной кислотой. В одну пробирку добавить несколько капель раствора NaCl.

Наблюдения: В первый момент ничего не наблюдается. После добавления NaCl начинается реакция. Наблюдается выделение пузырьков. Выделяется медь. В пробирке с NaCl процесс ускорился при выделении меди.

(Al) A: Al - 3e Al

(Cu) K: 2H + 2e H2

Вывод: Ионы Cl являются активными стимуляторами коррозии. При добавлении NaCl процесс коррозии усиливается, реакция идёт быстрее.

Опыт №6. Коррозия железа в различных электролитах

Цель работы: ознакомиться с коррозией железа в различных электролитах.

Ход работы: Наливаем в пять пробирок до 1/4 объема:

В каждую пробирку погружаем одновременно по железному гвоздю или по куску железной проволоки приблизительно одинаковой длины. Добавляем растворы красной или желтой кровяной соли.

Наблюдения: Растворы во всех пробирках сначала прозрачные, бесцветные.

Вывод: NaOH является ингибитором коррозии; Cl является окислителем.

Опыт №7. Роль кислорода воздуха в процессе атмосферной кор­розии железа.

Цель работы: ознакомиться с ролью кислорода воздуха в процессе коррозии железа.

Ход работы: Собрали прибор по рис. 3. В колбу, смоченную раствором по­варенной соли, поместили железные стружки, предварительно промытые и обезжиренные. Закрыли колбу пробкой с газоотводной трубкой. Конец трубки поместили в стакан с подкрашенной водой.

Наблюдения: По истечении некоторого времени подкрашенная вода в стакане начинает подниматься. Процесс протекает медленно.

Fe + O2 +H2O Fe + OH

Вывод: Кислород воздуха влияет на атмосферную коррозию железа, т.к. подкрашенная вода поднимается.

Опыт №8. Коррозия стали в результате неравномерной аэрации.

Цель работы: ознакомиться с коррозией стали в результате неравномерной аэрации.

Ход работы: На поверхность стальной пластинки наносим каплю ферроксил-индикатора, имеющего в 1л:

а) хлорида натрия 15 г;

б) агар-агара 2 г;

в) красной кровяной соли 10 г;

г) спиртового раствора фенолфталеина 1 мл.

Наблюдения: При нанесении капли ферроксил-индикатора на поверхность стальной пластинки она имеет синий цвет. По истечении некоторого времени цвет капли изменяется на розовый. Особо интенсивное окрашивание наблюдается по краю капли.

Fe + O2 +H2O Fe + OH

A: Fe - 2e Fe

K: 2H + 2e H

Вывод: Цвет капли ферроксил-индикатора изменяется на розовый, происходит коррозия стали в результате неравномерной аэрации.

Общий вывод: При высоких температурах процесс коррозии усиливается. Железная окалина имеет серый цвет, медная - чёрный. При контакте металлов выделяется водород. При взаимодействии цинка с серной кислотой и сульфатом меди, цинк покрывается плёнкой из меди. Ионы Cl являются активными стимуляторами коррозии. При добавлении NaCl процесс коррозии усиливается, реакция идёт быстрее. NaOH является ингибитором коррозии; Cl является окислителем. Кислород воздуха влияет на атмосферную коррозию железа, т.к. подкрашенная вода поднимается. Цвет капли ферроксил-индикатора изменяется на розовый, происходит коррозия стали в результате неравномерной аэрации.

Контрольные вопросы.

Состав коррозионной среды оказывает больное влияние на скорость коррозии. Коррозия протекает тем более интенсивно, чем выше в растворе концентрация ионов водорода. Иную роль при коррозии железа играют ионы гидроксида. Эти ноны образуют с ионами железа труднорастворимые в щелочных средах гидроксиды. По этой причине железо в щелочных средах не корродирует.

Коррозия металлов может быть вызвана неравномерной концентрацией кислорода в растворе. Участки металлической поверхности, к которым доступ кислорода затруднен, являются анодными и подвергаются разрушению, в то время как участки поверхности, к которым доступ кислорода облегчен, играют роль катодов. Здесь легко протекает процесс ионизации находящегося в растворе кислорода.

Электрохимическая коррозия может быть значительно ускорена в присутствии небольшого количества веществ, называемых в соответствии с характером их действия ускорителями или стимуляторами.

Активными стимуляторами коррозии являются ионы галогенов Cl ,Br ,J . На поверхности металла в атмосферных условиях имеется оксидная пленка, которая может обладать защитным характером. Ионы галогена, например ионы Cl , адсорбируются на пленке и вытесняют кислород, как бы образуя хлорид, который переходит в раствор. В пленке возникают поры, облегчающие коррозию.

Защита металлов от коррозии

Теоретическая часть

Цель работы - ознакомление с основными способами защиты металлов от коррозии.

Разнообразные способы защиты металлов и сплавов от коррозии можно разделить на три основных вида; нанесение покрытий, обработка среды и электрохимическая защита.

Наиболее распространенный метод - применение защитных покрытий, которые делятся на металлические, неорганические и органические. Все защитные покрытия, прежде всего, изолируют поверхность металла от агрессивной коррозионной среды; такая защита называется механической. Кроме того, металлические покрытия по характеру защиты могут быть анодными или катодными. Анодными называются такие покрытия, металл которых имеет более отрицательный электродный потенциал, чем основной металл (например, слой цинка на железе). В случае повреждения анодного покрытия в растворе электролита или в тонкой пленке влаги возникает коррозионный элемент, в котором анодом является металл покрытия, т.е. цинк. Цинк подвергается растворению, а на основном металле протекает катодный процесс. Таким образом, анодное покрытие защищает металл от коррозии не только механически, но и электрохимически (рис. 1).