Коррозия металлов. 
Методические указания и контрольные задания по химии

Коррозия — разрушение металла под воздействием окружающей среды.

Это самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс, протекающий на границе раздела фаз. По механизму протекания коррозия подразделяется на химическую (протекает в средах, не проводящих электрический ток) и электрохимическую (протекает в средах, проводящих электрический ток).

Основные причины электрохимической коррозии (ЭХК) — наличие в металле примесей других металлов и контакт металла с другими металлами, отличающимися по активности. Согласно теории ЭХК при соприкосновении металла с раствором электролита на его поверхности возникает множество гальванических микроэлементов. При этом анодами являются частицы основного металла, катодами — примеси, с большим значением электродного потенциала.

Одной из особенностей электрохимической коррозии является ее многостадийность. Рассмотрим процесс коррозионного разрушения металла на примере коррозионного гальванического элемента, возникающего при контакте железа и меди: Fe электролит Cu. Для того, чтобы понять, какой из этих двух металлов будет подвергаться коррозии, необходимо сравнить значения их стандартных электродных потенциалов: E0Fe2+/Fe0 = - 0,44 В, E0 Cu2+/Cu0 = + 0,34 В.

E0Fe2+/Fe0 E0 Cu2+/Cu0, следовательно, железо является более активным восстановителем: Fe — анод (А), Cu — катод (К).

На первой стадии происходит окисление более активного металла (анодный процесс) и переход образовавшихся ионов в раствор: Fe0 — 2e- =Fe2+.

Вторая стадия — перенос электронов от анода к катоду, который при этом заряжается отрицательно, т. е. поляризуется.

На третьей стадии происходит процесс восстановления (катодный процесс), в котором участвует окислитель окружающей среды. Он «забирает» электроны у катода, т. е. снимает с него отрицательный заряд и, таким образом, деполяризует катод. Процесс отвода электронов с катода называется деполяризацией, а окислитель — деполяризатором.

Важнейшими окислителями, вызывающими ЭХК, являются ионы водорода и растворенный в воде молекулярный кислород. В связи с этим различают два вида электрохимической коррозии: с водородной и с кислородной деполяризацией.

Электрохимическая коррозия с водородной деполяризацией протекает в кислой среде. Коррозионному разрушению подвергаются металлы, удовлетворяющие условию: Е0Меn+/Ме0 Е0 2Н+/Н20 (Е0 2Н+/Н20 =0).

Электрохимическая коррозия с кислородной деполяризацией протекает в нейтральной (влажный воздух, морская вода, влажные почвы) или щелочной средах. Коррозионному разрушению подвергаются металлы, стандартный электродный потенциал которых меньше стандартного электродного потенциала кислорода: Е0Меn+/Ме0 Е0 О2 /2Н2О (Е0 О2 /2Н2О = 1,23В).

При рассмотрении механизма электрохимической коррозии следует использовать алгоритм, приведенный в примерах решения задач.

Для защиты металлов от коррозии используют различные виды защитных покрытий, в том числе металлические покрытия. Анодное покрытие — покрытие основного металла более активным металлом, т. е. Е0осн. Ме Е0покр.Ме (например, покрытие железа цинком). Катодное покрытие — покрытие основного металла менее активным, т. е. Е0осн. Ме Е0 покр. Ме (например, покрытие железа никелем).

Примеры решения задач Пример 1. Алюминий находится в контакте с цинком. Какой из этих металлов будет окисляться, если эта пара попадет в кислую среду, например, в среду соляной кислоты?

Р е ш е н и е. Из условия задачи следует что металлы находятся в кислой среде — растворе HCl. Раствор HCl — электролит, т. е. электропроводящая среда, следовательно, будет протекать электрохимическая коррозия. Для рассмотрения механизма коррозии воспользуемся предложенным выше алгоритмом.

1) Составим схему коррозионной гальванопары:

Al ¦ HCl ¦ Zn.

• 2) Укажем окислитель. Среда кислая, поэтому окислителем (деполяризатором) является ион водорода H+. Следовательно, в этой схеме будет протекать электрохимическая коррозия с водородной деполяризацией.
• 3) Определим, какой из металлов будет являться анодом, а какой — катодом. Для этого сравним значения стандартных электродных потенциалов алюминия и цинка: Е0Al3+/Al0= - 1,6 B < E0Zn2+/Zn0= - 0,77 B,

Значит, алюминий — более активный металл, он является восстановителем и анодом, а цинк — катодом: Al — анод (А), Zn — катод (К).

• 4) Укажем направление движения электронов, учитывая, что электроны движутся от анода к катоду, а от катода — к окислителю окружающей среды:
  • (-) Al¦HCl¦Zn (+)
• 5) Запишем электронные уравнения процессов, протекающих на электродах, и составим суммарное уравнение:
  • (-)(A) Al0 — 3e > Al3+ 2
  • (+)(K) 2Н+ + 2е > Н2^ 3
• 2Al0 +6H+ > 2Al3+ + 3H2^
• 6) Составим молекулярное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей при коррозии: 2Al + 6HCl > 2AlCl3 + 3H2^
• 7) Запишем вывод: при коррозии алюминия, находящегося в контакте с цинком, окисляется алюминий. Продуктом его коррозии является соль — хлорид алюминия. На цинковом катоде выделяется водород.

Пример 2. Изделие из меди с оловянным покрытием находится во влажном воздухе. Какой из металлов будет корродировать при нарушении целостности покрытия? К какому типу покрытий относится в этом случае олово?

Р е ш е н и е. Изделие находится во влажном воздухе, который является электропроводящей средой, следовательно, будет протекать электрохимическая коррозия.

1) Составим схему коррозионного гальванического элемента:

Sn ¦ H2O ¦ Cu.

• 2) Укажем окислитель. Вода — это нейтральная среда, поэтому окислителем (деполяризатором) является кислород — О2. Следовательно, в этой схеме будет протекать электрохимическая коррозия с кислородной деполяризацией.
• 3) Определим, какой из металлов будет являться анодом, а какой — катодом. Для этого сравним значения стандартных электродных потенциалов олова и меди:

Е0Sn 2+/ Sn0= - 0,14 B < E0Cu2+/Cu0= + 0,34 B.

Значит, олово — более активный металл, оно является восстановителем и анодом, а медь — катодом: Sn — анод (А), Cu — катод (К).

• 4) Укажем направление движения электронов, учитывая, что электроны движутся от анода к катоду, а от катода — к окислителю среды:
  • (-) Sn ¦H2O ¦ Cu (+)
• 5) Запишем электронные уравнения процессов, протекающих на электродах, и составим суммарное уравнение. При написании уравнения катодного процесса следует учитывать, что процесс восстановления протекает в присутствии воды:
  • (-)(A) Sn0 — 2e > Sn2+ 2
  • (+)(K) O2 + 2H2O + 4е >4OН- 1
• 2Sn0 +2O2 + 2H2O > 2Sn2+ +4OH-
• 6) Составим молекулярное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей при коррозии: 2Sn0 +2O2 + 2H2O > 2 Sn (OH)2
• 7) Запишем вывод: по отношению к меди олово является анодным покрытием, так как в этой паре олово выступает в роли анода. При нарушении целостности покрытия корродировать будет олово. Продуктом его коррозии является основание — гидроксид олова.

Пример 3. Медная деталь разрушается в атмосфере кислорода при температуре 2000С. В чем заключается причина этого явления?

Р е ш е н и е. 1) Определяем характер среды: атмосфера кислорода (О2) при высокой температуре (2000С) — это неэлектропроводящая среда. Следовательно, будет происходить химическая коррозия.

2) Запишем уравнение процесса, протекающего при химической коррозии медной детали:

Cu0 + O20 = 2CuO.

Вывод: происходит окисление меди и на поверхности детали образуется оксидная пленка.