Механизм электрохимической коррозии
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ИННОВАЦИОННЫЙ ЕВРАЗИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Контрольная работа
По дисциплине: Коррозия и защита металлов
Вариант № 8
Выполнил студент группы ЗМТЛ – 202 (С)
г. Павлодар, 2013 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение |
||
Механизм электрохимической коррозии |
||
Задача -1 |
||
Задача -2 |
||
Заключение |
||
Список использованных источников |
3 |
1 |
2 |
2 |
ВВЕДЕНИЕ
Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Их широкое внедрение в промышленное строительство и транспорт произошло на рубеже XVIII-XIX веков. В это время появился первый чугунный мост, спущено на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные дороги. Начало практического использования человеком железа относят к IX веку до нашей эры. Именно в этот период человечество перешло из бронзового века в век железный.
Термин коррозия происходит от латинского слова «corrodere», что означает «разъедать , разрушать». Коррозия - это самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды. Коррозия металлов - разрушение металлов вследствие физико-химического воздействия внешней среды, при котором металл переходит в окисленное (ионное) состояние и теряет присущие ему свойства.
Особое место в комплексе мероприятий по обеспечению бесперебойной эксплуатации оборудования отводится надежной защите его от коррозии и применению в связи с этим высококачественных химически стойких материалов.
Целью контрольной работы является изучение механизма электрохимической коррозии. Для ее достижения были поставлены следующие задачи: дать общую характеристику и классифицировать процессы коррозии, выявить условия возникновения коррозиционного процесса, изучить основы кинетической теории коррозии и ее приложение к коррозии идеально чистых металлов, коррозию технических металлов и методы защиты.
МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ
1) Общая характеристика процессов коррозии.
Коррозия металлов определяется
как процесс (и как результат)
самопроизвольного разрушения металлов
при их химическом, электрохимическом
или биохимическом
Коррозия - это не только нежелательный, но и самопроизвольный процесс, и в подавляющем большинстве случаев ее протекание не связано с подведением энергии от какого-либо внешнего ее источника. Эту особенность коррозии легко понять, если учесть, что корродируют обычно металлы (черные и цветные), встречающиеся в природе не в самородном состоянии, а как соответствующие минералы и руды. На извлечение этих металлов из руд или минералов расходуется большое количество энергии. Эти же металлы переходят в результате их коррозионного разрушения снова в окислы, сульфаты, карбонаты и другие соединения, в форме которых они обычно встречаются в природе. Процесс коррозии, поскольку он приводит к регенерации исходных соединений, термодинамически более устойчивых по сравнению с чистыми металлами, протекает с уменьшением свободной энергии и совершается самопроизвольно. Напротив, металлы, которые в природе обычно встречаются в чистом виде (золото, платина и другие), не корродируют, если только условия их использования не слишком отличаются от природных. Неудивительно поэтому, что разрушение многих металлов проходит со значительной скоростью и приносит колоссальный ущерб всем отраслям народного хозяйства.
2) Классификация процессов коррозии.
Различают химическую, биохимическую
и электрохимическую коррозию металлов.
Химическая коррозия металлов представляет
собой их самопроизвольное разрушение,
в основе которого лежат законы обычных
гетерогенных химических реакций. Разрушение
металлов под действием агрессивных
газов при высоких
Биохимическая коррозия, или биокоррозия, вызывается жизнедеятельностью различных микроорганизмов или использующих металл как питательную среду, или выделяющих продукты, действующие разрушающе на металл. Биокоррозия обычно накладывается на другие виды коррозии. Для ее развития наиболее благоприятны почвы определенных составов, застойные воды и некоторые органические продукты.
Электрохимическая коррозия
подчиняется законам
Особым случаем
В зависимости от характера
разрушений, сопровождающих процесс
электрохимической коррозии, различают
сплошную коррозию, захватывающую всю
поверхность металла, и местную,
локализующуюся на определенных участках.
Металлы, в зависимости от скорости
их коррозии в данной среде, разделяют
на устойчивые и неустойчивые. По тому,
с какой скоростью разрушается
металл в различных средах, их определяют
как агрессивные или
3) Условия возникновения коррозионного процесса.
Коррозия металлов представляет
собой частный случай неравновесных
электродных процессов; в то же время
ей свойственны некоторые
Если кусок какого-либо
металла М приведен в контакт
с водным раствором его соли МА,
то через некоторое время на границе
между металлом и раствором устанавливается
значение потенциала, которое в дальнейшем
будет сохраняться почти
Примером таких систем может служить серебро, опущенное в раствор нитрата серебра.
Положение существенно меняется,
если термодинамический электродный
потенциал металла имеет
Однако могут быть такие случаи, когда потенциал данного электрода не очень сильно отличается или от потенциала водородного электрода, или от потенциала соответствующего металлического электрода.
Следовательно, поведение корродирующего электрода отвечает поведению обратимого металлического электрода, а установившееся значение компромиссного потенциала близко к равновесному потенциалу соответствующего металлического электрода и должно изменяться с концентрацией ионов металла в соответствии с формулой Нернста.
Изменение рН раствора не влияет при этом заметно на величину стационарного потенциала. Таким образом, здесь стационарный потенциал коррозии се приводится к обратимому потенциалу металла.
В качестве примеров таких
систем можно привести разложение амальгам
и электрохимическое
Теперь уже компромиссный потенциал близок к потенциалу водородного электрода в данных условиях. Его величина закономерно изменяется с рН и почти не зависит от концентрации ионов металла. Таким образом, здесь стационарный потенциал приводится к потенциалу водородного электрода. Коррозия железа в слабокислых растворах служит примером подобного рода систем.
Необходимым условием электрохимической коррозии является совмещение на поверхности корродирующего металла реакций ионизации и разряда его ионов с какой-либо другой электродной реакцией, протекающей преимущественно в катодном направлении.
В водных средах, не содержащих
иных окислителей, кроме ионов водорода
и растворенного кислорода, это
условие выполняется в том
случае, если равновесный потенциал
металла отрицательнее
4) Основы кинетической теории коррозии и ее приложение к коррозии идеально чистых металлов.
Протекание процесса растворения металла указывает на то, что в данных условиях скорость ионизации больше скорости разряда его ионов:
В отсутствии внешнего тока и при условии сохранения неизменной величины потенциала такое соотношение скоростей возможно лишь в том случае, если скорость разряда водородных ионов на ту же величину больше скорости обратного процесса, то есть:
Скорость коррозии iс можно представить как разность между скоростью ионизации и скоростью разряда металлических ионов .
Это позволяет вычислить скорость коррозионного разрушения металла по данным, относящимся к кинетике реакции выделения и ионизации водорода в коррозионных условиях.
5) Коррозия технических металлов.
Все высказанные до сих пор соображения о коррозионном процессе относились к случаю электрохимического растворения идеально чистого металла с совершенно однородной по своим свойствам поверхностью. В реальных условиях коррозии подвергаются чаще всего технические металлы, содержащие примеси других металлов и неметаллических веществ. На их поверхности всегда можно обнаружить включения посторонних металлов. Кроме того, она обычно покрыта продуктами взаимодействия металла с окружающей средой, всевозможными загрязнениями. Естественно, что неоднородность поверхности и, прежде всего, присутствие на ней посторонних металлов с другими электрохимическими свойствами должны влиять на скорость коррозии и на характер ее протекания. Рассмотрим, например, как при этих условиях изменится скорость и характер коррозии цинка. Предположим, что в образцах цинка имеются включения или свинца, или серебра, или железа - обычные примеси в техническом цинке. Как следует из величин стандартных потенциалов, все эти металлы электроположительнее цинка. Поэтому можно предположить, что коррозии подвергается лишь цинк, а металлы-примеси остаются в неизменном виде. При этих допущениях коррозия должна протекать с водородной деполяризацией и ее скорость определяется кинетикой выделения водорода на корродирующем металле. В отличие от идеально чистого цинка, водород в этом случае может разряжаться не только на нем, но и на металле-примеси. Суммарная скорость выделения водорода, а следовательно, и суммарная скорость растворения цинка определяется поэтому кинетикой выделения водорода на основном металле и на включениях постороннего металла.
Таким образом, присутствие
в цинке примесей свинца - металла
с более высоким
Присутствие серебра в цинке должно увеличить скорость его коррозии. При выбранных условиях эта скорость возрастает в три с половиной раза. Однако увеличение скорости растворения не является единственным результатом загрязнения цинка серебром. Меняется и характер коррозии.
Серебро, обладая электроположительным потенциалом, не будет растворяться; на нем возможен лишь катодный процесс - выделение водорода. Цинк в присутствии включений серебра играет роль анода, и на нем сосредоточен весь процесс растворения. Кроме того, цинк выступает и в роли катода, обеспечивая выделение одной четвертой части от общего количества разряжающегося водорода.
Еще большего увеличения скорости
коррозии и еще более полного
разделения поверхности металла
на анодные и катодные участки
следует ожидать, когда цинк загрязнен
железом. В этом случае анодные и
катодные реакции оказываются
В этих условиях корродирующий технический цинк можно рассматривать как совокупность гальванических микроэлементов, в каждом из которых железо (катод) является положительным полюсом, а анодно растворяющийся цинк - отрицательным. Коррозию такого технического металла можно на этом основании рассматривать как результат действия локальных гальванических элементов.
По теории местных элементов скорость коррозии (или пропорциональный ей электрический ток, возникающий в результате работы локальных гальванических пар) зависит не только от электрохимических свойств электродов этих пар, но и от омического сопротивления той среды, в которой совершается процесс коррозии и которая отделяет анод от катода.
Когда нет коррозионного
процесса и сила тока равна нулю,
тогда начальные значения потенциалов
на аноде и катоде должны отвечать
обратимым потенциалам анодной
В теории локальных элементов
первоначально предполагалось, что
катодный и анодный процессы должны
быть обязательно пространственно
разделены, и каждый из них может
протекать лишь на вполне определенном
участке поверхности
Коррозионные диаграммы, построенные на основе представлений теории локальных элементов, удобны для качественного рассмотрения процесса коррозии и для оценки возможного влияния на него различных факторов. В то же время их использование при количественных расчетах скорости коррозии связано со значительными трудностями. Скорость коррозии определяется изменением веса образца за единицу времени, отнесенного к единице его поверхности, или (в электрических единицах) плотностью тока i. Коррозионные же диаграммы, построены в координатах потенциал - сила тока (не включают в себя величины плотности тока, непосредственно характеризующей скорость коррозии).
Для ее расчетов нужны поэтому
дополнительные данные. Задачу определения
скорости коррозии можно проще решить
на основе кинетической теории коррозии.
В этом случае катодную и анодную
поляризационные кривые снимают
непосредственно на образце, коррозию
которого изучают. Общую скорость коррозии
выражают силой тока, отнесенной к
единице всей поверхности металла,
без разделения ее на катодные и
анодные участки. При стационарном
потенциале скорость коррозии, выражаемая
силой тока анодного растворения
металла, отнесенная ко всей его поверхности
(включая и катодные зоны) должна
быть равна скорости катодного процесса,
например скорости выделения водорода.
Последняя в случае снятия катодной
поляризационной кривой будет равна
силе тока, деленной на всю поверхность
образца, включая анодные участки.
Таким образом, при стационарном
потенциале плотности тока для анодного
и катодного процессов при
указанном способе снятия поляризационных
кривых должны быть одинаковыми. При
этом предполагают, что омическими
потерями можно пренебречь и, следовательно,
рассматривать поверхность
Сопоставление величин скорости коррозии, рассчитанных на основании поляризационных измерений, с полученными непосредственно из убыли веса (или по объему выделившегося водорода в кислых средах) для свинца, никеля и железа показало, что оба ряда данных совпадают друг с другом в пределах ошибок опыта. Это позволило широко использовать метод поляризационных измерений при количественном изучении коррозионных процессов.
Стационарный коррозионный потенциал ес лежит обычно между обратимыми потенциалами анодного и катодного процессов, обусловливающих появление коррозии. Он всегда положительнее равновесного потенциала анодной реакции и отрицательнее равновесного потенциала катодной реакции. Поэтому при стационарном потенциале скорость ионизации металла больше скорости разряда металлических ионов , а скорость разряда иона водорода больше скорости ионизации его молекул . Такое соотношение скоростей сохраняется до тех пор, пока не будут достигнуты соответствующие равновесные потенциалы. В этом случае частные токи для каждого из двух процессов сделаются равными соответствующим токам обмена i0М и i0H. Скорость коррозии является функцией тока обмена катодной и анодной реакций. С увеличением тока обмена (при тех же равновесных потенциалах) скорость коррозии растет. Скорость коррозии должна меняться параллельно с изменением коэффициента переноса. Таким образом, коррозионная диаграмма позволяет связать скорость коррозии с основными кинетическими параметрами лежащих в ее основе электродных реакций. Эту связь можно выразить и аналитически. При стационарном потенциале скорость коррозии должна быть равна скорости растворения металла и в то же время скорости катодной реакции; в рассматриваемом случае - скорости катодного выделения водорода.
Другим важным случаем электрохимического разрушения металлов является их коррозия с кислородной деполяризацией. В связи с малой растворимостью кислорода в водных средах, а также в связи с тем, что его коэффициент диффузии значительно меньше коэффициента диффузии ионов водорода, скорость коррозии с кислородной деполяризацией обычно определяется диффузией.
Скорость коррозии в этом случае оказывается равной предельному току диффузии кислорода к поверхности корродирующего металла .
Скорость коррозии с кислородной
деполяризацией поэтому почти не
зависит (в известных пределах) от
природы растворяющегося
6) Методы защиты металлов от коррозии
В зависимости от характера
коррозии и условий ее протекания
применяются различные методы защиты.
Выбор того или иного способа
определяется его эффективностью в
данном конкретном случае, а также
экономической
Эффективность защиты выражают при помощи коэффициента торможения у или степени защиты Z.
Коэффициент торможения показывает,
во сколько раз уменьшается
Все методы защиты условно делятся на следующие группы:
- электрические методы;
- методы, связанные с изменением свойств корродирующего металла;
- методы, связанные с изменением свойств коррозионной среды;
- комбинированные методы.
Электрические методы защиты
основаны на изменении электрохимических
свойств металла под действием
поляризующего тока. Наибольшее распространение
получила защита металлов при наложении
на них катодной поляризации. При
смещении потенциала металла в сторону
более электроотрицательных значений
(по сравнению с величиной
ik =ia, то при более отрицательном значении е' это равенство нарушается.
Уменьшение скорости анодной реакции при катодной поляризации эквивалентно уменьшению скорости коррозии.
Внешний ток iвн , необходимый для смещения потенциала до значения е', представляет собой разницу между катодным и анодным токами,его величина выражается прямой. По мере увеличения внешнего тока потенциал смещается в более отрицательную сторону и скорость коррозии должна непрерывно падать. Когда потенциал корродирующего металла достигает равновесного потенциала анодного процесса аег, скорость коррозии сделается равной нулю ( ic = iа = 0), коэффициент торможения - бесконечности, а степень защиты - 100%. Плотность тока, обеспечивающая полную катодную защиту, называется защитным током iз. Величина защитного тока не зависит от особенностей протекания данной анодной реакции, в частности от величины сопровождающей ее поляризации, а целиком определяется катодной поляризационной кривой. Так, например, при переходе от водородной к кислородной деполяризации сила защитного тока уменьшается и становится равной предельному диффузионному току.