Задачи к разделу Коррозия металлов

В данном разделе вы найдете задачи по теме Коррозия металлов. Приведены уравнения реакций, протекающих при электрохимической коррозии металлов, а также примеры задач на определение защитных свойств оксидных пленок, определение коррозионной стойкости металлов.

Задача 1. В каком случае цинк корродирует быстрее: в контакте с никелем, железом или с висмутом? Ответ поясните. Напишите для всех случаев уравнение электрохимической коррозии в серной кислоте. Будет ли оксидная пленка, образующаяся на кальции, обладать защитными свойствами?

Показать решение »

Решение.

В месте контакта двух металлов корродирует более активный металл. Происходит отток электронов от более активного металла к менее активному. Металл тем активнее, чем более отрицателен его электродный потенциал. В таблице электродных потенциалов найдем:

EZn2+/Zn = — 0,763 В

EFe2+/Fe = — 0,440 В

ENi2+/Ni = — 0,250 В

EBi3+/Bi = + 0,215 В

В данном случае, цинк корродирует быстрее в контакте с висмутом, так как из перечисленных металлов, Bi является самым неактивным. В образовавшейся паре роль анода выполняет цинк.

Запишем уравнения электрохимической коррозии в серной кислоте:

 

ZnBi

К: 2H+ +2e= H2

А: Zn — 2e= Zn2+

Zn + 2H+ = Zn2++ H2

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

 

Fe-Bi

К: 2H+ +2e= H2

А: Fe — 3e= Fe3+

2Fe + 6H+ = Fe3++ 3H2

2Fe + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2

 

Ni-Bi

К: 2H+ +2e= H2

А: Ni — 2e= Ni2+

Ni + 2H+ = Ni2++ H2

Ni + H2SO4 = NiSO4 + H2

 

Будет ли оксидная пленка, образующаяся на кальции, обладать защитными свойствами?

Защитные свойства пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение α по формуле:

α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок)

Мок = 40+16=56 г/моль

AMe = 40 г/моль

n = 1

ρМе = 1,55 г/см3

ρок = 3,37 г/см3

α = Vок/VМе =56·1,55/(40·1·3,37)

α = 0,64

т.е α<1, а это значит, что оксидная пленка, образующаяся на Ca, не обладает защитными свойствами.

Задача 2. Приведите примеры двух металлов, пригодных для протекторной защиты железа. Для обоих случаев напишите уравнение электрохимической коррозии во влажной среде, насыщенной кислородом. Будет ли оксидная пленка, образующаяся на алюминии, обладать защитными свойствами?

Показать решение »

Решение.

Протекторная защита заключается в присоединении к защищаемому металлическому изделию, металла с более отрицательным значением стандартного электродного потенциала E0, т.е. более активного металла. Для защиты железа подойдут, например, цинк и бериллий:

EFe2+/Fe = — 0,440 В

EZn2+/Zn = — 0,763 В

EBe2+/Be = — 1,850 В

 

Запишем уравнения электрохимической коррозии во влажной среде, насыщенной кислородом:

FeZn

К: O2 + 2H2O + 4e = 4OH

А: Zn — 2e = Zn2+

2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn2++ 4OH

2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn(OH)2

 

Fe-Be

К: O2 + 2H2O + 4e = 4OH

А: Be — 2e= Be2+

2Be + O2 + 2H2O = 2Be2++ 4OH

2Be + O2 + 2H2O = 2Be(OH)2

 

Будет ли оксидная пленка, образующаяся на алюминии, обладать защитными свойствами?

Защитные свойства пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение  α по формуле:

α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок)

Мок = 27·2+16·3 = 102 г/моль

AMe = 27 г/моль

n = 2

ρМе = 2,7 г/см3

ρок = 3,99 г/см3

α = Vок/VМе = 102·2,7/(27·2·3,99)

α = 1,3

т.е 2,5>α>1, а это значит, что оксидная пленка, образующаяся на Al, является сплошной и обладает защитными свойствами.

Задача 3. Деталь сделана из сплава, в состав которого входит магний и марганец. Какой из компонентов сплава будет разрушаться при электрохимической коррозии? Ответ подтвердите уравнениями анодного и катодного процесса коррозии: а) в кислой среде; б) в кислой среде, насыщенной кислородом.  Будет ли оксидная пленка, образующаяся на олове, обладать защитными свойствами?

Показать решение »

Решение.

При электрохимической коррозии сплава, в первую очередь будет разрушаться более активный металл, т.е. металл, имеющий более отрицательное значение стандартного электродного потенциала. В таблице электродных потенциалов найдем:

EMg2+/Mg = — 2,37 В

EMn2+/Mn = — 1,18 В

По значениям E видно, что магний является более активным металлом, чем марганец, вследствие чего при коррозии Mg будет разрушаться в первую очередь.

Запишем уравнения электрохимической коррозии магния а) в кислой среде; б) в кислой среде, насыщенной кислородом:

а) в кислой среде

К: 2H+ +2e= H2

А: Mg — 2e=Mg2+

Mg + 2H+ = Mg 2++ H2

Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2

 

б) в кислой среде, насыщенной кислородом

К: O2 + 2H2O + 4e = 4OH

А: Mg — 2e=Mg+

2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg2++ 4OH

2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg(OH)2

 

Будет ли оксидная пленка, образующаяся на олове, обладать защитными свойствами?

Защитные свойства пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение  α по формуле:

α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок)

Олово может образовать два оксида SnO и SnO2, поэтому рассчитаем значение  α для каждого случая

МSnO = 119+16 = 135 г/моль

МSnO2 = 119+16·2 = 151 г/моль

ASn = 119 г/моль

n = 1

ρSn = 7,31 г/см3

ρSnO = 6,45 г/см3

ρSnO2 = 6,95 г/см3

α = VSnO/VSn = 135·7,31/(119·1·6,45) = 1,3

α = 1,3

α = VSnO2/VSn = 151·7,31/(119·1·6,95) = 1,4

α = 1,3

т.е для всех оксидных пленок α лежит в интервале 2,5>α>1, т.е. они являются сплошными и обладают защитными свойствами.

Задача 4. С целью защиты от коррозии цинковое изделие покрыли оловом. Какое это покрытие: анодное или катодное? Напишите уравнение атмосферной коррозии данного изделия при нарушении целостности покрытия. Оценить коррозионную стойкость алюминия в серной кислоте, если убыль массы алюминиевой пластины размером 70х20х1 мм составила после 8 суток испытания 0,0348 г.

Показать решение »

Решение.

Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный), чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным  потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием.

В таблице электродных потенциалов найдем:

EZn2+/Zn = — 0,763 В

ESn2+/Sn = — 0,136 В

 

Олово будет выполнять роль катода и покрытие из него – катодное. При нарушении целостности покрытия, корродировать будет цинк, как более активный металл. При атмосферной коррозии протекают следующие уравнения реакций:

К: O2 + 2H2O + 4e = 4OH

А: Zn — 2e = Zn2+

2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn2++ 4OH

2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn(OH)2

 

Оценить коррозионную стойкость алюминия в серной кислоте, если убыль массы алюминиевой пластины плотностью ρ = 2,7 г/см3,  размером 70х20х1 мм составила после 8 суток испытания 0,0348 г.

Оценить коррозионную стойкость металла можно по формуле:

Kн = 365·h/τ

h = Δm/(S·ρ)

Найдем площадь поверхности металла:

S = 2·(7·2) + 2·(7·0,1) + 2·(2·0,1) = 29,8 см2

h = 0,0348/(29,8·2,7) = 0,00043см = 0,0043 мм

Kн = 365·0,0043/8 = 0,02 мм/год

По десятибалльной шкале коррозионной стойкости металлов, алюминий соответствует 4 баллам и относится к стойким металлам.

Задача 5. Если на стальной предмет нанести каплю воды, то коррозии подвергается средняя, а не внешняя часть смоченного металла. Чем это можно объяснить? Какой участок металла, находящийся под влиянием капли, является анодным, а какой катодным? Составьте электронные уравнения соответствующих процессов. Будет ли оксидная пленка, образующаяся на никеле, обладать защитными свойствами?

Показать решение »

Решение.

При нанесении на стальной предмет капли воды, наибольший доступ воздуха будет по краям капли, где протекает процесс восстановления кислорода. Т.е. края капли выступают в качестве катода.  Для окисления железа остается центр капли, где доступ воздуха минимален. Здесь центр капли является анодом. В этом случае протекают следующие реакции:

А: Fe – 2e = Fe2+

K:  O2 + 2H2O  + 4e = 4OH

2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe2++ 4OH

2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)2

 

Будет ли оксидная пленка, образующаяся на никеле, обладать защитными свойствами?

Защитные свойства пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение  α по формуле:

α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок)

Мок = 59+16 = 75 г/моль

AMe = 59 г/моль

n = 1

ρМе = 8,9 г/см3

ρок = 6,7 г/см3

Подставим значения в формулу:

α = 75·8,9/(59·1·6,7) = 1,7

т.е α лежит в интервале 2,5>α>1, т.е. оксидная пленка является сплошной и обладает защитными свойствами.

Задача 7. Сплав содержит железо и никель. Какой из названных компонентов будет разрушаться при атмосферной коррозии? Приведите уравнение анодного и катодного процессов. Оценить коррозионную стойкость цинка на воздухе при высоких температурах. Образец цинка размером 50х30х1 мм после 180 часов окисления и снятия продуктов коррозии весил 10,6032 г.

Показать решение »

Решение.

Исходя из положения металлов в электрохимическом ряду напряжения металлов, находим, что железо более активный металл, чем никель:

EFe2+/Fe = — 0,440 В

ENi2+/Ni = — 0,250 В

Поэтому в первую очередь при атмосферной коррозии будет разрушаться железо. В этом случае протекают следующие реакции:

А: Fe – 2e = Fe2+

K:  O2 + 2H2O  + 4e = 4OH

2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe2++ 4OH

2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)2

Далее Fe(OH)2 переходит в Fe(OH)3

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = Fe(OH)3

 

Оценить коррозионную стойкость цинка на воздухе при высоких температурах. Образец цинка плотностью ρ = 7,14 г/см3, размером 50х30х1 мм после 180 часов окисления и снятия продуктов коррозии весил 10,6032 г.

Оценить коррозионную стойкость металла можно по формуле:

Kн = 365·h/τ

h = Δm/(S·ρ)

Найдем площадь поверхности металла:

S = 2·(5·3) + 2·(5·0,1) + 2·(3·0,1) = 31,6 см2

 

Масса металла до коррозии равна:

m1 = V·ρ = 5·3·0,1·7,14 = 10,71г.

 

Убыль массы:

Δm = m1 – m2 = 10,71 — 10,6032 = 0,1068

h = 0,1068/(31,6·7,14) = 0,00047 см = 0,0047 мм

Kн = 365·0,0047/7,5 = 0,23 мм/год

По десятибалльной шкале коррозионной стойкости металлов, цинк соответствует 6 баллам и относится к пониженностойким металлам.

Задача 8. Почему химически чистое железо является более стойким против коррозии, чем техническое железо? Составьте уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в азотной кислоте. Будет ли оксидная пленка, образующаяся на свинце, обладать защитными свойствами?

Показать решение »

Решение.

Техническое железо содержит примеси, которые, как правило, выполняют роль катода. Либо, если это углерод, который не передает в раствор положительно заряженных ионов и не имеет заградительного барьера от ионов водорода в кислой среде. Само железо будет служить анодом и подвергаться разрушению.

В химически чистом железе нет примесей, которые образовали бы гальванопару с железом, где бы оно окислялось.

При коррозии технического железа протекают следующие реакции:

Во влажном воздухе

А: Fe – 2e = Fe2+

K:  O2 + 2H2O  + 4e = 4OH

2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe2++ 4OH

2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)2

Далее Fe(OH)2 переходит в Fe(OH)3

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = Fe(OH)3

 

В азотной кислоте

А: Fe – 2e = Fe2+

K:  2H+ + NO3 + e = NO2 + H2O

Fe + 4H+ + 2NO3= Fe2++ 2NO2 + 2H2O

Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

 

Будет ли оксидная пленка, образующаяся на свинце, обладать защитными свойствами?

Защитные свойства пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение  α по формуле:

α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок)

Свинец может образовать оксиды состава PbO и PbO2, поэтому рассчитаем значение  α для каждого случая

МPbO = 207+16 = 223 г/моль

МPbO2 = 207+16·2 = 239 г/моль

APb = 207 г/моль

n = 1

ρPb = 11,34 г/см3

ρPbO = 9,63 г/см3

ρPbO2 = 9,38 г/см3

α = VPbO/VPb = 223·11,34/(207·1·9,63) = 1,3

α = 1,3

α = VPbO2/VPb = 239·11,34/(207·1·9,38) = 1,4

α = 1,3

т.е для всех оксидных пленок α лежит в интервале 2,5>α>1, т.е. они являются сплошными и обладают защитными свойствами.

Задача 9. Приведите примеры двух металлов, пригодных для протекторной защиты никеля. Для обоих случаев напишите уравнение электрохимической коррозии в среде азотной кислоты. Оценить коррозионную стойкость кадмия на воздухе при высоких температурах. Образец кадмия плотностью ρ = 8,65 г/см3, размером 45х25х1 мм после 150 часов окисления и снятия продуктов коррозии весил 10,0031 г.

Показать решение »

Решение.

Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.

К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.

Для протекторной защиты никеля подойдут, например, железо и цинк:

ENi2+/Ni = — 0,250 В

EFe2+/Fe = — 0,440 В

EZn2+/Zn = — 0,763 В

 

При электрохимической коррозии в среде азотной кислоты протекают следующие реакции:

Ni — Fe

А: Fe – 2e = Fe2+

K:  2H+ + NO3 + e = NO2 + H2O

Fe + 4H+ + 2NO3= Fe2++ 2NO2 + 2H2O

Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

 

Ni — Zn

А: Zn – 2e =Zn+

K:  2H+ + NO3 + e = NO2 + H2O

Zn + 4H+ + 2NO3= Zn 2++ 2NO2 + 2H2O

Zn + 4HNO3 = Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

 

Оценить коррозионную стойкость кадмия на воздухе при высоких температурах. Образец кадмия плотностью ρ = 8,65 г/см3, размером 45х25х1 мм после 150 часов окисления и снятия продуктов коррозии весил 10,0031 г.

Оценить коррозионную стойкость металла можно по формуле:

Kн = 365·h/τ

h = Δm/(S·ρ)

Найдем площадь поверхности металла:

S = 2·(4,5·2,5) + 2·(4,5·0,1) + 2·(2,5·0,1) = 23,9 см2

 

Масса металла до начала коррозии равна:

m1 = V·ρ = 4,5·2,5·0,1·8,65 = 9,7313 г

 

Убыль массы:

Δm = m1 – m2 = 10,0031 – 9,7313 = 0,2718

h = 0,2718/(23,9·8,65) = 0,0013 см = 0,013 мм

Kн = 365·0,013·24/150 = 0,76 мм/год

По десятибалльной шкале коррозионной стойкости металлов, определяем, что в данных условиях, кадмий соответствует 7 баллам и относится к пониженностойким металлам.