Задачи к разделу Коррозия металлов

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:

E_Zn2+/Zn = — 0,763 В

E_Fe2+/Fe = — 0,440 В

E_Ni2+/Ni = — 0,250 В

E_Bi3+/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:

Zn—Bi

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 = V_ок/V_Ме), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение α по формуле:

α = V_ок/V_Ме = М_ок·ρ_Ме/(n·A_Me·ρ_ок)

М_ок = 40+16=56 г/моль

A_Me = 40 г/моль

n = 1

ρ_Ме = 1,55 г/см³

ρ_ок = 3,37 г/см³

α = V_ок/V_Ме =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.

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:

E_Fe2+/Fe = — 0,440 В

E_Zn2+/Zn = — 0,763 В

E_Be2+/Be = — 1,850 В

Запишем уравнения электрохимической коррозии во влажной среде, насыщенной кислородом:

Fe—Zn

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 = V_ок/V_Ме), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение  α по формуле:

α = V_ок/V_Ме = М_ок·ρ_Ме/(n·A_Me·ρ_ок)

М_ок = 27·2+16·3 = 102 г/моль

A_Me = 27 г/моль

n = 2

ρ_Ме = 2,7 г/см³

ρ_ок = 3,99 г/см³

α = V_ок/V_Ме = 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.

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:

E_Mg2+/Mg = — 2,37 В

E_Mn2+/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 = V_ок/V_Ме), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение  α по формуле:

α = V_ок/V_Ме = М_ок·ρ_Ме/(n·A_Me·ρ_ок)

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

М_SnO = 119+16 = 135 г/моль

М_SnO2 = 119+16·2 = 151 г/моль

A_Sn = 119 г/моль

n = 1

ρ_Sn = 7,31 г/см³

ρ_SnO = 6,45 г/см³

ρ_SnO2 = 6,95 г/см³

α = V_SnO/V_Sn = 135·7,31/(119·1·6,45) = 1,3

α = 1,3

α = V_SnO2/V_Sn = 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.

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:

E_Zn2+/Zn = — 0,763 В

E_Sn2+/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:

K_н = 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

K_н = 365·0,0043/8 = 0,02 мм/год

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

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 = V_ок/V_Ме), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение  α по формуле:

α = V_ок/V_Ме = М_ок·ρ_Ме/(n·A_Me·ρ_ок)

М_ок = 59+16 = 75 г/моль

A_Me = 59 г/моль

n = 1

ρ_Ме = 8,9 г/см³

ρ_ок = 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.

Решение.

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

E_Fe2+/Fe = — 0,440 В

E_Ni2+/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:

K_н = 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

K_н = 365·0,0047/7,5 = 0,23 мм/год

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

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 = V_ок/V_Ме), значения которого вы найдете в таблице, приведенной в теоретической части данного раздела. Мы рассчитаем значение  α по формуле:

α = V_ок/V_Ме = М_ок·ρ_Ме/(n·A_Me·ρ_ок)

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

М_PbO = 207+16 = 223 г/моль

М_PbO2 = 207+16·2 = 239 г/моль

A_Pb = 207 г/моль

n = 1

ρ_Pb = 11,34 г/см³

ρ_PbO = 9,63 г/см³

ρ_PbO2 = 9,38 г/см³

α = V_PbO/V_Pb = 223·11,34/(207·1·9,63) = 1,3

α = 1,3

α = V_PbO2/V_Pb = 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.

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:

E_Ni2+/Ni = — 0,250 В

E_Fe2+/Fe = — 0,440 В

E_Zn2+/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:

K_н = 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

K_н = 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.