Скорость коррозии железа будет наибольшей при его контакте с алюминием хромом кобальтом медью
Обновлено: 06.07.2024
Цели. Сформировать представления о коррозии с точки зрения окислительно-восстановительных процессов; показать значение коррозии для народного хозяйства; продолжить формирование у учащихся умений устанавливать причинно-следственные связи между строением и свойствами металлов.
Оборудование. Железные гвозди из поставленных ранее опытов по их коррозии в водопроводной воде и «морской» воде (гвоздь без контакта с другим металлом и гвозди в контакте с медью и цинком). (Эксперимент мог быть домашним заданием.)
Коррозия вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в которых металл в результате взаимодействия с каким-либо веществом из своего окружения превращается в нежелательное соединение. Одним из наиболее известных коррозионных процессов является ржавление железа. 20% железа, производимого ежегодно в США, идет на замену железных изделий, пришедших в негодность из-за ржавления.
Различают несколько видов коррозии.
А. По площади и характеру поражения: сплошная, точечная, язвенная, межкристаллическая.
Б. По природе агрессивных сред: воздушная, почвенная, морская, биологическая (вызванная водорослями, моллюсками, плесенью), коррозия в смазке, газовая.
В. По механизму возникновения: химическая, электрохимическая, электрическая (под действием блуждающих токов).
При химической коррозии идет окисление металла без возникновения цепи электрического тока:
Для поверхности алюминия этот процесс благоприятен, т.к. оксидная пленка плотно прилегает к поверхности металла и нет дальнейшего допуска кислорода к металлу.
Почему не рекомендуют варить овощи в алюминиевой посуде? (Кислая среда растворяет оксидную пленку, и алюминий в виде солей поступает в организм человека.)
Оксидная пленка железа очень рыхлая (вспомните какой-либо ржавый предмет – как только вы берете его в руки, остаются следы ржавчины) и не прилегает плотно к поверхности металла, поэтому кислород проникает все дальше и дальше, коррозия идет до полного разрушения предмета.
При электрохимической коррозии возникает электрическая цепь. При этом могут быть случаи коррозии как одного металла, так и металлов в контакте. Для возникновения электрохимической коррозии нужно наличие кислорода и воды.
Рассмотрим случай, когда контакта металлов нет, причем металл (железо) находится в воздухе.
Некоторые участки поверхности железа служат анодом, на котором происходит его окисление
(E° – стандартный электродный потенциал):
Fe (тв.) = Fe 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,44 B.
Образующиеся при этом электроны перемещаются по металлу к другим участкам поверхности, которые играют роль катода. На них происходит восстановление кислорода:
Этот процесс иллюстрируется на рис. 1.
Рис. 1.
Схема электрохимической коррозии железа
без контакта с другими металлами
В восстановлении кислорода участвуют ионы Н + . Если концентрация Н + понижается (при повышении рН), восстановление О2 затрудняется. Замечено, что железо, находящееся в контакте с раствором, рН которого выше 9–10, не корродирует.
В процессе коррозии образующиеся на аноде ионы Fe 2+ окисляются до Fe 3+ :
Поскольку роль катода обычно играет та часть поверхности, которая лучше всего обеспечена притоком кислорода, ржавчина чаще всего появляется именно на этих участках. Если вы внимательно осмотрите лопату, простоявшую некоторое время на открытом воздухе с налипшей на лезвии грязью, то заметите, что под грязью на поверхности металла образовались углубления, а ржавчина появилась повсюду, куда мог проникнуть О2.
С усилением коррозии в присутствии солей часто сталкиваются автомобилисты в тех местностях, где в зимнее время для борьбы с гололедицей дороги обильно посыпают солью. Влияние солей объясняется тем, что образуемые ионы создают электролит, необходимый для возникновения замкнутой электрической цепи.
Наличие анодного и катодного участков на поверхности железа приводит к созданию на ней двух неодинаковых химических окружений. Они могут возникнуть вследствие присутствия примесей или дефектов в кристаллической решетке (по-видимому, обусловленных напряжением внутри металла). В местах, где есть примеси или дефекты, микроскопическое окружение конкретного атома железа может вызвать некоторое увеличение или уменьшение его степени окисления по сравнению с «нормальными» атомами в кристаллической решетке. Поэтому такие места способны играть роль анодов или катодов. Сверхчистое железо, в котором количество подобных дефектов сведено к минимуму, намного меньше корродирует по сравнению с обычным железом.
Кутубская колонна
в Индии
Классический пример – знаменитая Кутубская колонна в Индии близ Дели, которая уже почти полторы тысячи лет стоит и не разрушается, несмотря на жаркий и влажный климат. Сделана она из железа, в котором почти нет примесей. Как удалось древним металлургам получить такой чистый металл, до сих пор остается загадкой.
В начале прошлого столетия по заказу одного американского миллионера была построена роскошная яхта «Зов моря». Днище ее было обшито монель-металлом (сплав меди и никеля), а рама руля, киль и другие детали были изготовлены из стали. Когда яхту спустили на воду, возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода (монель-металла), стального анода и раствора электролита – морской воды.
Последствия были ужасными! Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя, так что «Зов моря» остался в истории мореплавания как пример конструкторской недальновидности и самонадеянного невежества. Попробуем разобраться, что же произошло.
Рассмотрим контакт двух металлов на примере олова и железа.
Железо часто покрывают другим металлом, например оловом, цинком или хромом, чтобы защитить от коррозии. Так называемую «белую жесть» получают, покрывая тонким слоем олова листовое железо. Олово защищает железо до тех пор, пока защитный слой остается неповрежденным. Стоит его повредить, как на железо начинают воздействовать воздух и влага, олово даже ускоряет процесс коррозии, потому что служит катодом в электрохимическом процессе. Сравнение окислительных электродных потенциалов железа и олова показывает, что железо окисляется легче олова:
Fe (тв.) = Fe 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,44 B,
Sn (тв.) = Sn 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,14 B.
Поэтому железо служит в этом случае анодом и окисляется, как показано на рис. 2.
Рис. 2.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и олова
Оцинкованное железо получают, покрывая его тонким слоем цинка. Цинк защищает железо от коррозии даже после нарушения целостности покрытия. В этом случае железо в процессе коррозии играет роль катода, потому что цинк окисляется легче железа (рис. 3):
Zn (тв.) = Zn 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,76 B.
Следовательно, цинк играет роль анода и корродирует вместо железа.
Рис. 3.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и цинка
Блуждающие токи, исходящие от трамвая, метро, электрических железных дорог и различных электроустановок, работающих на постоянном токе, вызывают электрокоррозию. Такие токи разрушают подземные металлические сооружения, трубопроводы, электрокабели, приводят к появлению на металлических предметах, находящихся в земле, участков входа и выхода постоянного тока. Вследствие этого на металле образуются катодные и анодные зоны, причем анодные зоны, т.е. места выхода тока, подвергаются коррозии (рис. 4).
Рис. 4.
Схема электрокоррозии
под действием блуждающих токов:
1 – провод; 2 – рельс; 3 – влажный грунт;
4 – труба; 5 – электродвигатель трамвая;
6 – сопротивление в стыке рельса
Блуждающие токи достигают 300 А и действуют в радиусе нескольких десятков километров. Процесс в анодных зонах:
Fe – 2e = Fe 2+ .
Процессы в катодных зонах:
2H + + 2e = H2
Блуждающие токи от источников переменного тока вызывают слабую коррозию у подземных изделий из стали и сильную у изделий из цветных металлов.
Коррозия металлов протекает непрерывно и причиняет огромные убытки. Подсчитано, что прямые потери от коррозии железа составляют около 10% от его ежегодной выплавки. В результате коррозии металлические изделия теряют свои ценные технические свойства.
Ежегодные потери металла при коррозии оборудования, используемого только в животноводстве, составляют около 60 тыс. тонн. Поэтому защита металлов от коррозии – очень важная задача.
1. Защищаемый металл играет роль катода. Такой способ защиты называется катодным (другое название – протекторная защита). Тот металл, который заведомо будет разрушаться в паре, называется протектором. Примеры такой защиты – оцинкованное железо (железо – катод, цинк – анод), «белая жесть» (оловом покрывают листовое железо), контакт магния и железа (магний – протектор). Магниевый анод окружают смесью гипса, сульфата натрия и глины, чтобы обеспечить проводимость ионов. Труба играет роль катода в гальваническом элементе (рис. 5).
Рис. 5.
Катодная защита
железных водопроводных труб
2. Электрозащита. Конструкция, находящаяся в среде электролита, соединяется с другим металлом (обычно куском железа, рельсом и т.п.), но через внешний источник тока. При этом защищаемую конструкцию подключают к катоду, а металл – к аноду источника тока. В этом случае электроны отнимаются от анода источником тока, анод (защищающий металл) разрушается, а на катоде происходит восстановление окислителя. Электрозащита имеет преимущество перед протекторной защитой: радиус действия первой около 2000 м, второй – 50 м.
3. Если металл, например хром, создает плотную оксидную пленку, его добавляют в железо, и образуется сплав – нержавеющая сталь. Такие стали называются легированными.
Многие сплавы, которые содержат незначительное количество добавок дорогих и редких металлов, приобретают замечательную устойчивость к коррозии и прекрасные механические свойства. Например, добавки родия или иридия к платине так сильно повышают ее твердость, что изделия из нее – лабораторная посуда, детали машин для получения стекловолокна – становятся практически вечными.
4. Металл можно пассивировать – обработать его поверхность так, чтобы образовалась тонкая и плотная пленка оксида, которая препятствует разрушению основного вещества. Например, концентрированную серную кислоту можно перевозить в стальных цистернах, т.к. она образует на поверхности металла тонкую, но очень прочную пленку.
5. Ингибиторы (замедлители) коррозии тоже переводят металл в пассивное состояние, образуя на его поверхности тонкие защитные пленки. Пример такого замедлителя коррозии – гексаметилентетрамин (CH2)6N4. В последние годы разработаны летучие, или атмосферные, ингибиторы. Ими пропитывают бумагу, которой обертывают металлические изделия. Пары ингибиторов адсорбируются на поверхности металла и образуют на ней защитную пленку.
6. Защитить металл можно, препятствуя проникновению к нему влаги и кислорода, – например, нанося на металл слой краски или лака. (На покраску Эйфелевой башни уже затратили средств больше, чем при ее создании.)
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА
За неделю до урока были поставлены опыты по коррозии металлов в пробирках с водопроводной (№ 1–4) и «морской» (№ 5–8) водой (рис. 6).
Рис. 6.
Гвозди, помещенные в водопроводную
(пробирки с темными крышками) и «морскую»
(пробирки со светлыми крышками) воду
№ 1 и № 5 – железный гвоздь;
№ 2 и № 6 – железный гвоздь в контакте с цинком;
№ 3 и № 7 – железный гвоздь в контакте с медью;
№ 4 и № 8 – железный гвоздь, покрытый лаком для ногтей.
«Морскую» воду готовят, растворяя в ней соли кальция, магния и натрия.
Рис. 7 демонстрирует результаты опытов по коррозии металлов в «морской» воде.
Рис. 7.
Гвозди, вынутые через неделю
из «морской» воды
№ 5 – наличие слабой ржавчины; № 6 – гвоздь не подвергся коррозии, но цинк уменьшился в размере;
№ 7 – наличие сильной ржавчины, гвоздь уменьшился в размере;
№ 8 – гвоздь не подвергся коррозии (покрыт лаком).
1. Рассмотрите коррозию железа в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 1 и № 5). Где процесс протекает быстрее и чем вы это объясните?
(П р и м е р н ы й о т в е т. В «морской» воде более заметно выражены все проявления коррозии из-за агрессивности среды, которая создается растворимыми солями (гидролиз солей).)
2. Сравните результаты опытов по коррозии при контакте железа и цинка в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 2 и № 6).
(П р и м е р н ы й о т в е т. При контакте железа с цинком явление коррозии железа практически не выражено. В данном случае электрохимическая коррозия затронула цинк, как более активный металл.)
3. Сравните результаты опытов по коррозии при контакте железа и медной проволоки в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 3 и № 7).
(П р и м е р н ы й о т в е т. При контакте железа с медью усиливается разрушение железа вследствие электрохимической коррозии, т. к. железо более активный металл, чем медь (в электрохимическом ряду напряжений металлов железо стоит левее меди).)
4. Зарисуйте результаты опытов. Используя рис. 1–3, составьте схемы реакций, происходящих в каждом опыте.
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
1. Напишите схему коррозии на яхте «Зов моря».
2. Поставьте опыты по коррозии железных гвоздей в «Фанте» и в растворе соды. Через неделю принесите гвозди в школу, чтобы обсудить результаты опытов.
3. Рассмотрите процесс коррозии при соединении медной трубы с гальванизированной (оцинкованной) стальной трубой, если обе трубы находятся в земле.
4. Как будет протекать процесс коррозии в том случае, если железную водосточную трубу прибить к дому алюминиевыми гвоздями?
(О т в е т. В местах соприкосновения двух металлов образуется гальванический элемент. Металл, который окисляется легче, играет при этом роль анода, а второй металл – роль катода. Из сравнения стандартных электродных потенциалов алюминия и железа следует, что алюминий будет играть роль анода. Таким образом, вблизи алюминиевого гвоздя водосточная труба будет защищена от коррозии, потому что железо в этой паре играет роль катода. Однако алюминиевый гвоздь в этих условиях быстро корродирует, и в конце концов труба упадет.)
5. Почему цинк не используют при изготовлении консервных банок для покрытия им железа?
(О т в е т. Цинк менее пригоден, чем олово, при изготовлении консервных банок, т. к. расположен левее олова в ряду напряжений металлов, поэтому цинк легче подвергается действию кислот, содержащихся во фруктовых соках.)
Литература
Маршанова Г.Л. 500 задач по химии. М.: Издат-школа «РАЙЛ», 1997; Хомченко Г.П., Цитович И.Г. Неорганическая химия, М.: Высшая школа, 1987; Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; Химия. Пособие-репетитор. Под ред. А.С.Егорова. Ростов-на-Дону: Феникс, 1996; Венецкий С.И. Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1986.
1-контакт с золотом
2-контакт с магнием
Так как если второй металл является более активным, то процесс коррозии железа замедляется за счет коррозии более активного металла. Например, железо в контакте с цинком будет подвергаться коррозии значительно медленнее до тех пор, пока не разрушится весь цинк.
Если железо находится в контакте с менее активным металлом, то его коррозия резко усиливается. Например, железо в контакте с оловом подвергается коррозии значительно быстрее, чем чистое железо.
Новые вопросы в Химия
СРОЧНО написати рівняння реакцій гідролізу запропонованих солей. Визначити вид гідролізу та кислотність їх розчинів. Na 2 SO 4 , Ba 3 (PO 4 ) 2 , Na … 2 SO 3 , CH 3 COOK , NaI , AlCl
написати рівняння реакцій гідролізу запропонованих солей. Визначити вид гідролізу та кислотність їх розчинів. Na 2 SO 4 , Ba 3 (PO 4 ) 2 , Na 2 SO 3 , … CH 3 COOK , NaI , AlCl
Составьте схему образования существующей в парах серы молекулы S. помогите пожалуйста
(50 баллов) Гомолог метана массой 18 г при нормальных условиях занимает объем 5,6л (н.у.). Установите формулу соединения.Запишите структурные формулы … изомеров, назовите их, укажите класс органических соединений, к которым они относятся.
Выберите соединение с металлической связью: Выберите один ответ: K2O Ca O2 HBr Помогите пожалуйста
Срочно, даю 50 баллов:) 1. Как изменится скорость реакции А(газ) +2В(газ)=С(газ) при повышении концентрации А в 2 раза? Давления в 2 раза? 2. Реакция … при 40 градусах протекает за 180 сек. Температурный коэффициент равен 3. За сколько времени она завершится при 60 градусах?
На основании справочных данных рассчитайте энтальпию образования гидроксида кальция по реакцииCaO+H2O(ж)→Ca(OH)2 По энтальпии реакции определите ,к к … акому типу реакции относится данная реакция по тепловому эффекту
А3. Какие из утверждений о коррозии металлов верны?
А. Химическая коррозия металлов происходит в проводящей электрический ток среде.
Б. Для протекторной защиты металлической конструкции от коррозии к ней присоединяют кусок менее активного металла.
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) неверны оба суждения
А4. Восстановлением углем из оксида можно получить оба металла
2) кальций и желез.
4) натрий и барий
А5. Только газообразные продукты выделяются на катоде и аноде при электролизе с инертными электродами водных растворов обеих солей
A6. При электролизе водного раствора, содержащего хлорид марганца (II), нитрат цинка и бромид меди (II), металлы на катоде будут восстанавливаться в последовательности
А7. Электролиз водного раствора соли можно использовать для получения обоих металлов
2) кальция и стронция
3) кобальта и натрия
4) железа и цезия
А8. На графике показана зависимость количества вещества образующихся на электродах продуктов электролиза водного раствора нитрата серебра от времени (рис. 6).
Процессу выделения кислорода на стадии разложения нитрата серебра соответствует участок графика
А9. При электролизе водного раствора нитрата ртути (II) с инертными электродами на аноде выделилось 0,224 л (н. у.) газа. Масса металла, выделившегося на катоде, равна
А10. Гальванический элемент состоит из цинкового и медного электродов, погружённых в растворы своих солей. На катоде будет происходить реакция
В1. Восстановлением водородом из оксида можно получить металлы
В2. Установите соответствие между металлом и способом его электролитического получения.
1) водного раствора солей
2) расплава галогенида
3) водного раствора гидроксида
4) расплава нитрата
5) раствора глинозёма в расплавленном криолите
В3. Установите соответствие между формулой соли и продуктами, образующимися на катоде при электролизе с инертными электродами её водного раствора.
ПРОДУКТЫ НА КАТОДЕ
3) оксид серы (IV)
4) металл, водород
Часть С. Задания с развёрнутым ответом
С1. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из серебряного и кадмиевого электродов, погружённых в растворы своих солей. Напишите уравнения реакций катодного и анодного процессов и суммарной реакции, происходящей при работе элемента.
С2. Электролизу с инертными электродами подвергли 10%-й раствор сульфата натрия массой 200 г. Через некоторое время массовая доля соли в растворе составила 15%. Определите объёмы (н. у.) газов, выделившихся на катоде и аноде в процессе электролиза.
ВАРИАНТ 2
Часть А. Тестовые задания с выбором одного правильного ответа
А1. Для защиты железной конструкции от коррозии на ней следует укрепить пластинку из
А2. Процесс химической коррозии железа отражает уравнение реакции
А3. Коррозия детали, изготовленной из цинкового сплава, будет наибольшей при помещении её в воду,
1) насыщенную кислородом
2) содержащую ингибитор
3) насыщенную смесью кислорода и углекислого газа
4) освобождённую от растворённого кислорода
А4. Какие из приведённых утверждений о процессах получения металлов верны?
А. Сущность металлургических процессов заключается в восстановлении ионов металла с помощью различных восстановителей.
Б. Для очистки активных металлов от примесей используют электролиз их водных растворов с растворимым анодом.
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) неверны оба суждения
А5. При электролизе водного раствора хлорида меди (II) с инертными электродами на аноде происходит процесс
А6. При электролизе водного раствора, содержащего хлорид олова (II), нитрат железа (II) и нитрат серебра, металлы на катоде будут восстанавливаться в последовательности
A7. Электролиз водного раствора соли нельзя использовать для получения обоих металлов
3) железа и натрия
4) серебра и никеля
А8. На графике (рис. 7) показана зависимость количества вещества образующихся на электродах продуктов электролиза водного раствора нитрата серебра от времени.
Процессу выделения серебра на стадии электролиза раствора HNO3 соответствует участок графика
А9. При электролизе водного раствора нитрата калия с инертными электродами на аноде выделилось 25 л (н. у.) газа. Объём газа, выделившегося на катоде, равен при нормальных условиях
А10. Гальванический элемент состоит из кадмиевого и цинкового электродов, погружённых в растворы своих солей. На аноде будет происходить реакция
В1. Восстановлением водородом из оксида нельзя получить металлы
В2. Установите соответствие между металлом и способом его электролитического получения.
1) водного раствора солей
2) расплава галогенида
3) водного раствора гидроксида
4) расплава нитрата
5) раствора глинозёма в расплавленном криолите
В3. Установите соответствие между формулой соли и продуктами, образующимися на аноде при электролизе с инертными электродами её водного раствора.
ПРОДУКТЫ НА АНОДЕ
3) оксид углерода (IV) и этан
4) оксид серы (IV)
Часть С. Задания с развёрнутым ответом
С1. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из свинцового и магниевого электродов, погружённых в растворы своих солей. Напишите уравнения реакций катодного и анодного процессов и суммарной реакции, происходящей при работе элемента.
С2. Раствор ацетата натрия массой 200 г подвергли электролизу с инертным анодом до полного разложения соли. Для нейтрализации образовавшейся щёлочи потребовалось 32 мл 20%-го раствора соляной кислоты с плотностью 1,14 г/мл. Определите массовую долю ацетата натрия в исходном растворе.
Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.
Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.
Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.
Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.
С момента основания корпоративных блогов Zinker в них вышло более двадцати материалов. Вы почерпнули много полезного, узнали о том, как человечество боролось с коррозией на протяжении своей долгой и славной истории, научились выбирать защитные составы и разбираться, что нужно и чего не нужно делать, чтобы защитить металл от ржавчины. Пришло время очистить сознание и выйти на новый уровень. Сегодня в тексте будет много химии, немного физики и щепотка материаловедения – ведь мы расскажем вам о том, какие металлы более, а какие менее устойчивы к коррозии, и от чего зависит этот показатель.
Какие металлы более восприимчивы к ржавчине, и как их правильно защищать?Для начала – яснее очертим предмет разговора. Те, кто внимательно читал наш блог, уже знают, что коррозия по природе своей бывает весьма разнообразной. Но конкретно в данном случае нас интересует одна, самая разрушительная и часто встречающаяся ее разновидность: электрохимическая. Она возникает, когда металл взаимодействует с электролитом. Под последним может пониматься абсолютно любая среда, способная так или иначе проводить электрический ток – растворы щелочей и кислот, обыкновенная не дистиллированная вода и даже атмосферный воздух.
С научной точки зрения возникновения электрохимической коррозии обусловлено тягой практически всех металлов к растворению. При ее воздействии на поверхности металла образуется множество так называемых микрогальванических – иными словами, токопроводящих – элементов. Если Мы говорим о «чисто» металле, то он становится анодом, а функции катода берут на себя микроскопические загрязнения, примеси и так далее. Атомарная структура металла начинает разрушаться, и на его поверхность выделяются продукты коррозии – те самые неопрятного вида бурые пятнышки, корочки и потеки, которые нередко можно увидеть на старых трубах и других металлических изделиях. Говоря об электрохимической коррозии, важно помнить, что:
- Нас всех спасет химия. Если вы заранее знаете, что металлическому изделию предстоит работать в потенциально электрохимически-агрессивной среде (к примеру, подбираете водопроводную трубу или опору для забора на даче), перед тем, как отправляться в магазин или на рынок, проштудируйте такую штуку, как электрохимический ряд активности металлов. Все заучивать не надо. Достаточно запомнить, что все существующие в природе металлы делятся на четыре категории. А именно:
1. Металлы повышенной активности. В электрохимическом ряду они стоят слева. К ним относятся все металлы от щелочных до кадмия.
2. Средней активности – от кадмия до водорода.
3. Малой активности – висмут, сурьма, медь, серебро, ртуть, родий.
4. Благородные металлы – золото, платина, иридий и палладий.
Какие металлы более восприимчивы к ржавчине, и как их правильно защищать?Нас с вами, понятное дело, интересуют далеко не все из этих категорий – например, кадмий ни в строительстве, ни в быту не используется, да и делать водопроводные трубы или стойки для заборов из золота и платины вышло бы слишком накладно. Здесь главное запомнить принцип: чем левее находится металл в электрохимическом ряду, тем проще и быстрее он окисляется и разрушается под воздействием коррозии. Соответственно, от этого и нужно плясать: обстоятельно сформулировать ваши запросы, найти в интернете табличку и посмотреть, какой металл где стоит. К примеру, алюминий значится левее железа – значит, он будет ржаветь быстрее. В то же время железо само стоит левее никеля, а никель – левее свинца и так далее.
Какие металлы более восприимчивы к ржавчине, и как их правильно защищать?- Если изделие предполагается использовать в агрессивной среде, лучше отдавать предпочтение легированным металлам . Легирование, если вдруг кто не знает – это технологический процесс, во время которого в один металл (менее стойкий к коррозии) добавляется примесь другого металла (более стойкого). Легирующих элементов существует огромное множество, но при их выборе нужно, опять же, крепко держать в уме электрохимический ряд активности металлов. К примеру, металл, легированный хромом, будет в большей степени подвержен коррозии, чем металл, легированный медью. А металл, легированный золотом (хоть это и встречается крайне редко) – более устойчивым, чем металл, легированный никелем.
- Не нужно смешивать несмешиваемое. Мы как-то об этом уже говорили, но все же напомним еще раз и поподробнее. Если некое изделие предусматривает непосредственный контакт двух металлов, к выбору этих металлов следует относиться с особенной осторожностью. Расположенные вплотную друг к другу металлы образуют гальваническую пару – один из них берет на себя функции анода, другой – катода, и в итоге запускается процесс электрохимической коррозии. При этом существует важная закономерность: быстрее разрушается тот металл, который является более активным и стоит левее в электрохимическом ряду. При контакте алюминия и меди быстрее будет разрушаться алюминий, при контакте цинка и свинца – цинк и так далее. Существуют специальные таблицы допустимых контактов, где все возможные сочетания металлов разбиты на три категории: «допустимые», «относительно допустимые» и «недопустимые». Если без контакта металлов не обойтись и развести их (к примеру, при помощи изолирующей прокладки) никак нельзя – обязательно воспользуйтесь этой таблицей, чтобы не наломать дров.
Какие металлы более восприимчивы к ржавчине, и как их правильно защищать?- Наконец, существенную роль играет дополнительная защита металла. Этот вопрос мы тоже уже разбирали подробно и не один раз, но все же напомним: защита, как и сами металлы, бывает очень и очень разной. Простейший вариант – специальные краски, эмали и лаки — это быстро и дешево. А еще недолговечно и ненадежно: скорей всего через несколько лет покрытие осыпется деформируется из-за механического воздействия. Наиболее продвинутый вариант – электрохимическая защита. Ее можно добиться, к примеру, с помощью составов класса Zinker. В данном случае цинк, составляющий 96 % в сухой плёнке протекторного состава, принимает на себя основной удар и вступает в электрохимическую реакцию с агрессивной средой – то есть, растворяется именно цинк, а не металл-основа. Поэтому, выбирая защитный состав, следует отдавать предпочтение именно таким составам.
Подведем итог:
Выбирая металл, ориентируйтесь первым делом на два фактора: особенности среды, в которой он будет функционировать, и его собственные особенности. Программа минимум – выучить назубок электрохимический ряд и эту статью. Если же вы себе не доверяете, подбор лучше переадресовать компетентным специалистам.
Почти все металлы, приходя в соприкосновение с окружающей их газообразной или жидкой средой, более или менее быстро подвергаются с поверхности разрушению. Причиной его является химическое взаимодействие металлов с находящимися в воз духе газами, а также с водой и растворенными в ней веществами.
Всякий процесс химического разрушения металлов под действием окружающей среды называется коррозией.
Проще всего протекает коррозия при соприкосновении металлов с газами. На поверхности металла образуются соответствующие соединения: окислы, сернистые соединения, основные соли угольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность плотным слоем, защищающим металл от дальнейшего воздействия тех же газов.
Иначе обстоит дело при соприкосновении металла с жидкой средой — водой и растворенными в ней веществами. Образующиеся при этом соединения могут растворяться, благодаря чему коррозия распространяется дальше вглубь металла. Кроме того, вода, содержащая растворенные вещества, является проводником электрического тока, вследствие чего постоянно возникают электрохимические процессы, которые являются одним из главных факторов, обусловливающих и ускоряющих коррозию.
Чистые металлы в большинстве случаев почти не подвергаются коррозии. Даже такой металл, как железо, в совершенно чистом виде почти не ржавеет. Но обыкновенные технические металлы всегда содержат различные примеси, что создает благоприятные условия для коррозии.
Чтобы понять, почему примеси влияют на коррозию металлов, посмотрим, что происходит, когда два различных металла соприкасаются друг с другом, находясь во влажном воздухе.
Таким образом, алюминий довольно быстро подвергается коррозии.
Несколько сложнее происходит коррозия железа, находящегося в контакте с каким-нибудь менее активным металлом, например с той же медью. Железо посылает в раствор двухвалентные ионы Fe •• , которые, соединяясь с гидроксильными ионами, превращаются в Fе(ОН)2. В то же время электроны железа переходят к меди и разряжают у ее поверхности ионы водорода.
Рис 130. Растворение в кислотах химически чистого цинка при контакте с медной или платиновой проволочкой.
В присутствии кислорода воздуха и воды Fe(ОН)2 окисляется в гидрат окиси железа Fe(OH)3 , образующий ржавчину:
В разобранных нами случаях причиной коррозии алюминия и железа являлся контакт с менее активным металлом — медью. Такую же роль, как и медь, играют различные примеси, всегда содержащиеся в технических металлах и обусловливающие их коррозию. Например, обыкновенная сталь при исследовании ее под микроскопом оказывается состоящей из мелких зерен чистого железа, тесно перемешанных с зернами карбида железа — цементита Fe3C — и других примесей. Получается бесконечное множе ство так называемых гальванических пар, в которых зерна цементита играют роль положительных электродов, а зерна железа — отрицательных. При соприкосновении с влажным воздухом возникают гальванические токи, вызывающие коррозию стали. Аналогичным образом примеси способствуют коррозии и других металлов.
Коррозия алюминия, цинка, железа и вообще металлов, стоящих в ряду напряжений слева от водорода, сводится по существу к вытеснению ионов водорода из раствора и переходу самого металла в раствор в виде ионов. Ускоряющее влияние контакта с менее активным металлом при таких процессах можно наглядно иллюстрировать следующим опытом.
В пробирку с разбавленным раствором кислоты бросим кусочек химически чистого цинка. Выделения водорода почти не наблюдается. Отсутствие реакции объясняется тем, что начинающие переходить в раствор ионы Zn •• гидратируются и образуют вокруг цинка слой положительно заряженных ионов. Этот слой не дает возможности ионам водорода подходить вплотную к поверхности цинка и получать от него электроны, вследствие чего дальнейшее растворение цинка приостанавливается. Но стоит только коснуться поверхности цинка платиновой или медной проволочкой, как вследствие образования гальванической пары тотчас же начинается энергичное выделение водорода у поверхности проволочки. Электроны переходят от цинка к платине (или меди) и с нее на ионы водорода, а цинк постепенно растворяется, посылая новые ионы в раствор (рис. 130).
Такой же эффект вызывает прибавление к раствору кислоты нескольких капель раствора сернокислой меди CuSO4. Цинк вытесняет медь и покрывается с поверхности рыхлым слоем металлической меди. Получается гальваническая пара цинк —медь, работающая, как в элементе Вольта. Поэтому «омедненный» цинк энергично вытесняет водород из кислоты, но выделение водорода происходит у поверхности меди, а не у поверхности цинка (рис. 131).
Продажный цинк, содержащий примеси, действует аналогичным образом.
На скорость растворения металла в кислоте, помимо примесей, влияют и другие факторы: структура металла, способ его обработки, свойства кислоты и т. п. Но во всех случаях процесс растворения может быть замедлен прибавлением к кислоте некоторых веществ, главным образом органических, получивших название ингибиторов (замедлителей коррозии).
Действие ингибиторов иногда настолько эффективно, что некоторые металлы и сплавы становятся практически нерастворимыми в кислотах, к которым прибавлен соответствующий ингибитор.
Замедляя растворение металла, ингибиторы в то же время совершенно не влияют на скорость растворения окислов металлов, их гидроокисей и других веществ. Поэтому прибавление ингибиторов позволяет освобождать с помощью кислот поверхность металла от покрывающих ее соединений (например, удалять ржавчину с железа, накипь со стенок котлов), почти не затрагивая самого металла.
Так как элементы расположены в ряду напряжений по убывающей активности, то следовало бы ожидать, что чем левее стоит элемент в ряду напряжений, тем легче он будет подвергаться корро-зии. В действительности это не всегда имеет место. Например, алюминий, стоящий недалеко от начала ряда, довольно хорошо сопротивляется атмосферной коррозии. Причиной такой устойчивости является образование на поверхности алюминия тонкой, но очень плотной и эластичной пленки окиси алюминия, предохраняющей алюминий от соприкосновения с окружающей средой. И действительно, стоит только тем или иным способом уничтожить эту пленку, как алюминий начинает быстро корродировать.
Смочим хорошо вычищенную наждачной бумагой алюминиевую пластинку раствором сулемы HgCl2. Алюминий вытесняет ртуть, которая образует с ним сплав — ртутную амальгаму, препятствующую возникновению защитной пленки. Поэтому оставленная на воздухе пластинка быстро покрывается рыхлыми хлопьями гидрата окиси алюминия — продуктом коррозии алюминия.
В данном случае коррозия усиливается еще и вследствие контакта алюминия с малоактивным металлом — ртутью.
Понятно, что образующийся на поверхности металла слой окислов или каких-либо других соединений может служить защитой только в том случае, если он является достаточно плотным, прочным и нерастворимым в воде. В противном случае он не может помешать коррозии. Так, например, появляющаяся на железе ржавчина совершенно не защищает его от дальнейшей коррозии, так как слой ее оказывается очень рыхлым, хрупким и слабо пристающим к поверхности металла.
Как уже указывалось раньше , многие довольно активные металлы становятся пассивными после обработки их концентрированной азотной кислотой вследствие образования на поверхности металла тончайшего невидимого слоя окиси, препятствующего дальнейшему окислению. Существование таких «оксидных пленок» доказано различными методами: поляризацией отраженного света, рентгенографическим путем и др. Теория «оксидных пленок» была подробно развита в начале нынешнего столетия В. А. Кистяковским (1865—1952), работы которого имели большое значение для борьбы с коррозией.
Некоторые вещества разрушают или ослабляют защитную пленку металла, тем самым способствуя коррозии. Такие вещества называются активирующими агентами или активаторами.
Убытки, причиняемые коррозией металлов, огромны. Вычиc-лено, например, что вследствие коррозии ежегодно гибнет такое количество железа, которое равно приблизительно 1 /4 всей мировой его добычи за год. Поэтому изучению процессов коррозии и отысканию наилучших средств ее предотвращения уделяется очень много внимания.
Способы борьбы с коррозией чрезвычайно разнообразны. Наиболее простой из них заключается в защите поверхности металла от непосредственного соприкосновения с окружающей средой путем покрытия масляной краской, лаком, эмалью или, наконец,, тонким слоем другого металла. Особенный интерес с теоретической точки зрения представляет покрытие одного металла другим. Посмотрим, к каким результатам оно приводит.
Так как коррозия всегда возникает на поверхности металла, то до тех пор, пока слой защищающего металла является сплошным, изделие ведет себя так, как если бы оно целиком состояло из защищающего металла. Но если в защитном слое появляются царапины, трещины и т. п., обнажающие поверхность защищаемого металла, то в этих местах сейчас же создаются условия, благоприятствующие коррозии. Однако процесс коррозии будет протекать совершенно различно в зависимости от относительного положения обоих металлов в ряду напряжений.
Разберем сперва случай так называемого катодного по крытия, когда защищающий металл стоит в ряду напряжений правее защищаемого. Типичным примером может служить корро зия луженого, т.е. покрытого оловом, железа (белая жесть).
Олово само по себе очень устойчиво и хорошо защищает металл, пока слой его на железе является сплошным. При нарушении целостности защитного слоя и соприкосновении обнаженного места с влагой образуется гальваническая пара, в которой положительным электродом (катодом) служит олово , а отрицательным (анодом) —железо. Поток электронов направляется от обнаженной поверхности железа к олову и здесь разряжает ионы водорода, а железо подвергается разрушению, посылая все новые и новые ионы в раствор (рис. 132, а). Таким образом, в месте повреждения луженое железо ржавеет гораздо быстрее, чем нелуженое.
Совершенно иначе протекает коррозия, если защищающий металл стоит в ряду напряжений левее защищаемого, как, например, при покрытии железа цинком (анодное покрытие). В этом случае при повреждении защитного слоя тоже получается гальваническая пара, но теперь железо служит катодом, а анодом — цинк, и электроны переходят от цинка к железу; поэтому цинк разрушается, а железо остается защищенным (рис. 132, б). Защита действует до тех пор, пока не будет разрушен весь слой цинка, на что потребуется довольно много времени.
Из сказанного ясно, что для защиты от коррозии целесообразнее покрывать поверхность металла слоем более активного металла, чем слоем менее активного. Однако другие соображения нередко заставляют применять также покрытия из менее активных металлов.
На практике чаще всего приходится принимать меры к защите железа, как металла, особенно подверженного коррозии. Кроме цинка, из более активных металлов для этой цели иногда применяют кадмий, действующий подобно цинку. Из менее активных металлов для покрытия железа чаще всего применяют олово, медь и никель.
Покрытые никелем железные изделия имеют красивый вид, чем объясняется широкое распространение никелирования.
При повреждении слоя никеля коррозия происходит менее-интенсивно, чем при повреждении слоя меди (или олова), так как разность потенциалов для пары никель — железо гораздо меньше, чем для пары медь — железо.
Из других способов борьбы с коррозией упомянем еще о способе, протекторов, заключающемся в том, что защищаемый металлический объект приводится в контакт с большой поверхностью более активного металла. Так, в паровые котлы вводят листы цинка, находящиеся в контакте со стенками котла и образующие с ними гальванический элемент.
Читайте также: