Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Институт транспорта
Кафедра «Общей
и специальной химии»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по дисциплине «Химия»
к лабораторным занятиям по теме
«Металлы. Коррозия металлов.
Раздел Электрохимическая коррозия металлов»
для студентов специальностей
130503 «Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазопроводов и нефтегазохранилищ» (НТХ/ СТХ),
150202 «Оборудование и технология сварочного производства»
дневной формы обучения
Тюмень 2006
Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского государственного нефтегазового университета.
Составитель: канд. хим. наук, доцент Обухов В.М.
© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 2006г.
I. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Лабораторная работа выполняется для закрепления теоретических знаний. Поэтому к лабораторным занятиям допускаются студенты, получившие допуск от преподавателя.
При выполнении работы студент приобретает навыки проведения исследовательской работы.
Порядок выполнения работы.
1. Ознакомиться с методикой выполнения опыта.
2. Записать формулы реактивов, используемых в опыте.
3. Записать изменения, наблюдаемые в ходе эксперимента.
4. Составить химические уравнения протекающих реакций, используя таблицу растворимости веществ в воде.
5. Записать вывод. Вывод должен включать обоснованный ответ на цель работы.
|
|
Результаты работы оформляются в отчете. Отчет представляет собой отдельный двойной лист из тетради. На первой странице (титульной) указывается: группа, Ф.И. студента, название темы работы.
Форма отчета: на 2 и 3 страницах
| Реактивы | Наблюдения | Химические уравнения наблюдаемых процессов | Выводы |
Тема: Электрохимическая коррозия металлов
Цель работы: Изучение коррозии металлов в кислой среде.
Опыт № 1. Внести в пробирку 5 капель серной кислоты и кусочек цинка. Затем погрузить в кислоту медную проволочку, не касаясь цинка. В наблюдениях записать выделяется ли водород и с поверхности какого металла. При наблюдениях пробирку лучше наклонить под углом. Коснутся медной проволочкой цинка в пробирке. Записать наблюдения о скорости выделения водорода с поверхности металлов. Отнимите медную проволочку от цинка и снова наблюдайте изменение интенсивности выделения водорода.
Составить электрохимическую схему образовавшегося гальванического элемента. Какой металл будет анодом, а какой катодом? Указать на электрохимической схеме направление перехода электронов между металлами. Составить уравнение окислительно – восстановительного процесса в кислой среде.
Цель работы: Изучение коррозии металлов в нейтральной среде. Анодное и катодное защитное металлическое покрытие.
Опыт № 2. В пробирку микрошпателем внести несколько кристалликов соли Мора, добавить 5 капель воды и размешать стеклянной палочкой. К полученному раствору прибавить 3 капли красной кровяной соли (K3[Fe(CN)6]). Записать наблюдения. Составить молекулярное и ионно – молекулярное уравнения, используя схему реакции
|
|
FeSO4 + K3[Fe(CN)6] → K2SO4 + Fe3[Fe(CN)6]2
Как следует из качественного опыта, красная кровяная соль даёт возможность определить присутствие в растворе ионов железа (II).
Для изучения электрохимической коррозии в водной среде в две пробирки добавляют по 6 капель водного раствора сульфата натрия и по 2 капли красной кровяной соли. В первую – опустить кусочек цинка, а во вторую – кусочек меди. В обе пробирки ввести железную проволочку, чтобы она коснулась металла в пробирке. Записать наблюдения.
Составить электрохимическую схему образовавшихся гальванических элементов. Составить уравнения окислительно – восстановительного процесса коррозии в воде. Если принять железную проволочку за конструкцию, указать в каком случае имеет место анодное и катодное защитное металлическое покрытие
II. ВОПРОСЫДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ.
1. Химическая коррозия металлов.
2. Электрохимическая коррозия металлов.
3. Коррозия в кислой среде.
4. Коррозия в нейтральной среде в отсутствии и присутствии растворенного кислорода.
5. Коррозия в щелочной среде.
6. Методы защиты металлов от коррозии.
7. Анодное и катодное защитные металлические покрытия.
8. Электрохимические методы защиты металлов от коррозии.
9. Протекторная защита металлов от коррозии.
10. Электрозащита (катодная защита).
III. РАБОЧИЕ ЗАДАНИЯ.
Задание № 1
1. Хром находится в контакте с медью. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если металлы попадут в кислую среду. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
|
|
2.Подобрать металл для защиты поверхности из алюминия в среде “влажный воздух”. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. Указать тип защитного покрытия.
Задание № 2
1. Алюминий находится в контакте с цинком. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если металлы попадут в воду. Составить схему гальванического элемента, образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из железа в кислой среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу защитных покрытий относится выбранный металл.
Задание № 3
1. Железо покрыто серебро. Какой из металлов будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя покрытия, если конструкция находится в щелочной среде. Напишите уравнение процесса. Составьте схему гальванического элемента, образующего при этом.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из цинка в кислой среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу защитных покрытий относится выбранный металл.
Задание № 4
1. Магний находится в контакте с хромом. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если металлы попадут в разбавленную серную кислоту. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из свинца в среде “влажный воздух”. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу защитных покрытий относится выбранный металл.
Задание № 5
1. Бериллий находится в контакте с кобальтом. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если металлы попадут в воду. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из меди в щелочной среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу защитных покрытий относится выбранный металл.
Задание № 6
1. Железо покрыто титаном. Какой металл будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя, если металлы попадут в щелочную среду. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2.Подобрать металл для защиты поверхности из никеля в кислой среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу защитных покрытий относится выбранный металл.
Задание № 7
1. Цинк находится в контакте с оловом. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если металлы попадут в среду “влажный воздух”. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из хрома в хлороводородной кислоте. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу защитных покрытий относится выбранный металл.
Задание № 8
1. Свинец покрывает алюминий. Какой из металлов будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя, если металлы работают в воде. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из титана в растворе гидроксида калия. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. Какой тип защитного покрытия.
Задание № 9
1.Никель находится в контакте с хромом. Какой из металлов будет подвергаться коррозии, если эта пара металлов работает во “влажном воздухе”. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из кобальта в кислой среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу защитных покрытий относится выбранный металл.
Задание №10
1.Марганец покрывает алюминий. Какой из металлов будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя, если среда кислая. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из магния в растворе разбавленной серной кислоты. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу защитных покрытий относится выбранный металл.
Задание №11
1. Хром находится в контакте со свинцом. Какой из металлов будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя, если эта среда “влажный воздух”. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из марганца в кислой среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу покрытий относится выбранный металл.
Задание №12
1. Олово покрывает медь. Какой из металлов будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя, если среда щелочная. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из бериллия в кислой среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу покрытий относится выбранный металл.
Задание №13
1. Серебро находится в контакте с никелем. Какой металл будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя в воде. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из олова в среде “влажный воздух”. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу покрытий относится выбранный металл.
Задание №14
1. Титан покрывает магний. Какой из металлов будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя, если среда кислая. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из ванадия в щелочной среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу покрытий относится выбранный металл.
Задание №15
1.Свинец находится в контакте с никелем. Какой металл будет подвергаться коррозии в случае нарушения поверхностного слоя во “влажном воздухе”. Составьте схему гальванического элемента образующегося при этом. Напишите уравнение процесса.
2. Подобрать металл для защиты поверхности из висмута в кислой среде. Напишите уравнение коррозии при нарушении целостности защитного слоя. К какому типу покрытий относится выбранный металл.
IV. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
Коррозия - это процесс самопроизвольного разрушения металла под действием окружающей среды, протекающий на границе раздела фаз. Коррозия является окислительно-восстановительной реакцией, протекающей на поверхности металла. Металлы при коррозии окисляются, а вещества, в контакте с которыми протекает коррозия (кислород воздуха, газы, вода, растворы электролитов, органические вещества), восстанавливаются.
С точки зрения химии, различают:
1) химическую коррозию,
2) электрохимическую коррозию.
Химическая коррозия - это окислительно-восстановительный процесс, протекающий в отсутствие электролитов. Этот процесс протекает при высоких температурах в контакте с газами или парами, а также в неводных (органических) средах.
Например, окисление железа при температурах выше 2500С
2 Fe – 2e = Fe2+ реакция окисления
1 
O2 + 4e = 2O-2 реакция восстановления
2Fe + O2 = 2FeO
Химическая коррозия – гетерогенная окислительно–восстано-вительная реакция, сопровождающаяся передачей электронов от восстановителя к окислителю. На поверхности металла образуется слой оксида металла. Скорость коррозии определяется скоростью диффузии окислителя через пленку оксида. Скорость коррозии растет с повышением температуры и концентрации окислителя.
Электрохимическая коррозия – это окислительно–восстано-вительный процесс, протекающий в среде электролита. Электрохимическая коррозия – гетерогенная окислительно-восстановительная реакция, сопровождающаяся, кроме передачи электронов (химический процесс), переносом электронов (электрический процесс).
Электрохимическая коррозия возникает при контакте с электролитом двух металлов различной активности. Это возможно при сочетании в одном узле деталей из металлов различной активности (рис.1.а) или использовании деталей, изготовленных из сплава типа механической смеси (рис. 1.б).
При контакте металлов различной активности (железо – алюминий) более активный металл – алюминий (анод) окисляется и посылает электроны менее активному металлу – железу (катоду). Атомы металлов не способны связывать электроны (низкая электроотрицательность). В результате перехода электронов с анода на катод происходит выравнивание потенциалов, и процесс останавливается.
Однако, если конструкция из разных металлов находится в среде электролита, то реагенты окружающей среды способны принимать электроны. Возникает гальванический элемент, в котором более активный металл (анод) окисляется, электроны перемещаются по металлу к менее активному металлу (катоду) /направленное движение электронов/, на поверхности которого протекает процесс восстановления реагентов электролита.
Al а Fe б Zn
Pb
Рис. 1: а - узел, изготовленный из деталей разных металлов;
б - сплав из металлов типа механической смеси.
Реагенты (окислители), которые восстанавливаются, при электрохимической коррозии называют катодными деполяризаторами.
В водной среде электрохимическая коррозия может протекать с участием ионов водорода (водородная деполяризация):
2H + + 2e = H2
2H2O + 2e = H2 + 2OH-
или с участием кислорода, связываемого ионами водорода из воды (кислородная деполяризация):
O2 + 2H2O + 4e = 4OH-.
Характер процесса деполяризации при электрохимической коррозии зависит от среды, в которой протекает коррозия (кислой, нейтральной и щелочной).
При коррозии в кислой среде происходит водородная деполяризация на катоде. Коррозия конструкции, содержащей алюминий – железо, в среде хлороводородной кислоты происходит следующим образом:
e0Al/Al3+ = –0,76В, e0Fe/Fe2+ = –0,44В.
 |
(А) Al / HCl / Fe (К)
 |
Алюминий, как более активный металл (более низкое значение электродного потенциала окисления), в образовавшемся гальваническом элементе окисляется (анод). Электроны переходят на менее активный металл – железо (катод), где происходит водородная деполяризация.
А 2 Al – 3e = Al3+ реакция окисления
К 3 2H+ + 2e = H2 реакция восстановления
2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2
или в молекулярном виде
2Al + 6HСl = 2AlCl3 + 3H2.
При коррозии в нейтральной среде (pH = 7) в отсутствие растворенного кислорода также происходит водородная деполяризация на катоде
 |
(А) Al / H2O / Fe (К)
 |
А 2 Al – 3e = Al3+ реакция окисления
К 3 2H2O + 2e = H2 + 2OH- реакция восстановления
2Al + 6H2O = 2Al3+ + 3H2 + 6OH-
или в молекулярном виде
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2.
При коррозии в нейтральной среде (pH = 7) в присутствии растворенного кислорода или в щелочной среде (pH > 7) происходит кислородная деполяризация на катоде
 |
(А) Al /O2+H2O/ Fe (К)
 |
А 4 Al – 3e = Al3+ реакция окисления
К 3 O2 + 2H2O + 4e = 4OH- реакция восстановления
4Al + 3O2 + 6H2O = 4Al3+ + 12OH-
или в молекулярном виде
4Al + 3O 2 + 6H2O = 4Al(OH)3.
Возможность протекания электрохимической коррозии рассчитывается по Э.Д.С. электрохимического процесса
Э.Д.С. = e восстановления – e окисления.
Если Э.Д.С. имеет положительное значение, то коррозия возможна. Скорость коррозии теоретически тем выше, чем больше Э.Д.С. процесса.
Э.Д.С. электрохимической коррозии (скорость коррозии) определяется средой (электродным потенциалом восстановления окислителя) и активностью металла (электродным потенциалом окисления восстановителя).
Электродный потенциал процесса восстановления в зависимости от среды:
2H+ + 2e = H2 при pH = 1 e02H+/H2 = 0,00В
сильнокислая среда
2H2O + 2e = H2 + 2OH- при pH = 7 e0H2O/H2 = –0,41В
нейтральная среда
O2 + 2H2O + 4e = 4OH- при pH = 7 e0O2/OH- = +0,80В
нейтральная среда
при pH > 12 e0O2/OH- = +0,40В
сильнощелочная среда
Для одного и того же металла скорость коррозии будет возрастать: нейтральная среда в отсутствии растворенного кислорода – кислая среда – щелочная среда и нейтральная среда в присутствии растворенного кислорода.
Защита металлов от коррозии
Методы защиты металлов от коррозии можно разделить на три типа:
1. Защита поверхности металла покрытиями:
а) неметаллические покрытия,
б) металлические покрытия.
2. Электрохимические методы защиты поверхности:
а) протекторная защита,
б) электрозащита (катодная защита).
3. Использование ингибиторов коррозии.