КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ ТА МЕТОДИ ЗАХИСТУ ВІД КОРОЗІЇ.
Мета роботи – ознайомлення студентів з основними типами корозії і способами захисту металів від корозії.
ВИМОГИ ДО ЗНАНЬ ТА УМІНЬ
Студент повинен знати:-у чому сутність хімічної та електрохімічної корозії;
-фактори, що впливають на корозію;
-методи захисту металів від корозії.
Студент повинен вміти: - визначити тип корозії;
-описати катодні і анодні процеси електрохімічної корозії;
- вибрати найбільш ефективні методи захисту металів від корозії.
ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА
Одним з факторів, що знижують надійність і машин і обладнання, є корозія металів. Більш за всіх страждають від корозії залізо та його сплави. Знайдено, що кожен рік губиться від корозії біля 25% виплавлених за такий самий строк металів і сплавів. Але метали від корозії не є єдиною шкодою, що вона робить: корозія робить великі предмети нездатними до використання.
В залежності від агресивності середовища розрізняють хімічну і електрохімічну корозію.
Хімічна корозіявідбувається в середовищах неелектролітів у результаті хімічної взаємодії. Розрізняють газову хімічну корозію,яка має місце у сухих газах (кисневі, хлороводні, сірчистому газі тощо) і рідинну, що протікає у рідинах (бензині, гаслі, мастилі) у відсутності вологи.
Електрохімічна корозія відбувається в середовищах електролітів і супроводжується виникненням електричного струму. Має місце у розчинах кислот, лугів, солей, морській воді, у вологому повітрі, якій містить розчинені гази. Це найбільш поширений вид корозії. Електрохімічне руйнування металів обумовлене появленню електричного струму в середині системи.
Метали, що застосовуються у техніці, містять домішки різних металів. Внаслідок зіткнення їх з агресивним середовищем утворюються гальванічні елементи, в яких більш активний метал безперервно руйнується, переходячи у розчин електроліту у вигляді катіонів. Тому електрохімічна корозія характеризується анодним окисленням металів.
Роботу вищезазначених гальванічних елементів можна пояснити на основі величин стандартних електродних потенціалів відповідних металів. Наприклад, під час контакту заліза з міддю виникає гальванічний елемент, в якому анодом є залізо, а катодом – мідь(мал.).
Схема корозії заліза з включенням міді.
Внаслідок роботи такого елементу мають місце такі окисно – відновні процеси:
На аноді: 2Fe + 4ē → 2Fe2+ (окислення)
Атоми заліза віддають електрони і переходять у розчин у вигляді Fe2+.
На катоді:О2 + 2Н2О + 4ē → 4ОН- (відновлення)
Електрони, що переходять з аноду на катод, відновлюють кисень, розчинений у плівці води на поверхні катоду.
Вторинні процеси: 2Fe2+ + 4OH- → 2Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + O2 + 2 H2o → 4Fe(OH)3
Йони Fe2+ сполучаються з іонами ОН- утворюючи білу іржу, яка окислюється киснем повітря у присутності вологи до бурої ржи Fe(OH)3. Склад іржи може змінюватися в залежності від умов її утворення. Частіш за все вона має склад Fe2O3·Н2О або 4Fe(OH)3. Крім того ржа містить Fe2O4 .
Корозія, яка супроводжується відновленням кисню, має місце у воді, повітрі і ґрунті. Коли у середовищі присутня значна кількість іонів водню, то окислювачем є іони Н+ (корозія у кислому середовищі):
2Н+ +2ē → Н2
Майже всі метали у техніці є неоднорідними і наявність у них різних домішок веде до виникнення на поверхні великої кількості мікрогальванічних пар. Роль електроліту виконує гігроскопічна волога, що утворює на поверхні металу плівки товщиною у декілька десятків молекулярних шарів.
Той компонент окисленого середовища, який здатний поглинати загублені металом електрони, називається деполяризатором.
Якщо деполяризаторами є катіони водню, то має місце воднева деполяризація, а якщо атоми кисню – киснева деполяризація.
Захист від корозії здійснюється різними способами в залежності від природи металу, його призначення та умов експлуатації. З одного боку, збільшують корозійну стійкість металу; з другого – знижують корозійну стійкість навколишнього середовища.
До основних методів захисту металів можна віднести такі: захисні покриття (неметалеві, металеві та хімічні); захист електричним струмом (електрохімічний), одержання сплавів, зміна агресивності середовища тощо.
Захисні покриття.Неметалеві – покривання поверхні металів фарбою, лаком, емаллю, смолою тощо.
Металеві – покривання одних металів іншими, можна здійснювати 4 способами:
1. Гальванічний спосіб.
2. Гарячий спосіб.
3. Спосіб металізації.
4. Спосіб алітірування.
В залежності від положення металів у ряді напруги, розрізняють анодне і катодне.
У випадку анодного покриття метал, що виконує роль покриття, має меншу величину стандартного електродного потенціалу, ніж метал, який підлягає захисту (наприклад, оцинковане залізо).
У випадку катодного покриття стандартний електродний потенціал покриття більший, ніж потенціал основного металу (наприклад, вилуджене залізо).
Хімічні – це покривання поверхні металу шаром оксидів або солей. Наприклад оксидування (вороніння) – утворення оксидів FeO, Fe2O3, AI2O3 тощо; фосфатування – утворення солей ортофосфорної кислоти Fe(Н2РО4)2, Mn(Н2РО4)2; пасивування поверхні металів йде під впливом концентрованої азотної кислоти.
Протекторний захист від корозії здійснюється шляхом прикріплення більш активного металу до конструкції, через певну відстань.
Захист електричним струмом (електрохімічний) застосовується для зменшення корозії підземних споруд. Ділянка, що потребує захисту, підключається до катоду зовнішнього джерела постійного струму, а анодом є брухт.
Дуже ефективним захистом є зміна складу метала за рахунок введення до його складу спеціальних легуючих домішок. Наприклад, нержавіючі сталі (вводять до складу сталі хром, марганець, нікель, вольфрам, молібден).
Зміна складу агресивного середовища.
Це досягається введенням у склад середовища речовин (інгібіторів), які уповільнюють корозію.
Інгібітори дають можливість знижувати швидкість взаємодії металу з агресивним середовищем. Інгібітори широко застосовуються у різних випадках. Під час кислотного травлення, з метою розчинення ржи, знімання оксидних плівок, вилучення накипу тощо, введення таких інгібіторів як УНЧ, ПБ-5, уротропіну (СН2)6N4 або тіосечовини (NН2)2СS у кількості 0,1-1% дозволяє у сотні разів уповільнити швидкість розчинення самого металу. Для зменшення ржавіння металу у воді та нейтральних розчинах електролітів застосовують бензоат натрію С6Н5СООNa або деякі аміни та їх азотистокислі солі.
ПАСПОРТ РОБОТИ
1. Сірчана кислота.
2. Хлористоводнева кислота.
3. Розчин хлориду барію.
4. Спиртовий розчин фенолфталеїну.
5. Спиртовий розчин йоду у йодиді калію.
6. Розчин уротропіну.
7. Метали: цинк, алюміній, магній, залізо, мідь.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА
Техніка безпеки.
При виконанні роботи необхідно пам’ятати, що ви працюєте з кислотами. Якщо кислота влучить на одяг або тіло, її треба швидко змити водою або слабким розчином соди.
Дослід 1. Корозія у розчинах електролітів.
Налийте у пробірку 2-3 мл 15% розчину хлориду натрію і 2-3 краплі фенолфталеїну і додайте відповідно до робочого місця такі матеріали:
Робоче місце № 1.Алюмінієву стружку.
Робоче місце № 2. Магнієву стружку.
Робоче місце № 3. Гранулу цинку.
Робоче місце № 4.Залізну стружку.
Підігрійте вміст означених пробірок. Спостерігайте зміну кольору розчину у пробірках. Напишіть відповідні рівняння хімічних реакцій.
Дослід 2. Вплив утворення гальванічної пари на процес розчинення металу у кислоті.
У 1-2 мл розчину сірчаної кислоти занурить:
Робоче місце №1. – гранулу цинку.
Робоче місце №2. – магнієву стружку.
Робоче місце №3. – алюмінієву стружку.
Робоче місце №4. – залізну стружку.
Спостерігайте зміни, що мають місце під час реакції. Напишіть рівняння реакцій.
Дослід 3. Гальванокорозія під час контакту двох металів.
До 1-2 мл хлористоводневої кислоти додайте:
Робоче місце №1. – цинкову пластинку, обмотану мідним дротом.
Робоче місце №2. – алюмінієвий дріт, обмотаний мідним дротом.
Робоче місце №3. – залізний дріт, обмотаний мідним дротом, систему підігріти.
Робоче місце №4. – залізний дріт, обмотаний алюмінієвим дротом.
Поясніть механізм роботи відповідної гальванічної пари. Напишіть рівняння реакцій.
Дослід 4. Захист металів від кислотної корозії за допомогою інгібіторів (уповільнювачів корозії).
У пробірку налийте 2-3 мл хлористоводневої кислоти і додайте:
Робоче місце №1. – магнієву стружку.
Робоче місце №2. – алюмінієву стружку (підігріти).
Робоче місце №3. – гранулу цинку (підігріти).
Робоче місце №4. – залізну стружку (підігріти).
Спостерігайте виділення водню.
Потім додайте 1 мл спиртового розчину йоду у йодиді калію.
Порівняйте інтенсивність виділення водню. Зробіть висновок, щодо ролі даного інгібітору. Напишіть рівняння реакції.
Дослід 5.Повторіть дослід 4 замінивши інгібітор (розчин йоду на уротропін).
Порівняйте інтенсивність виділення водню. Зробіть висновок, щодо ролі даного інгібітору.