Катодные покрытия уравнения катодного и анодного процессов (3 видео)

Анодные и катодные реакции

При электрохимической коррозии протекают две сопряженные реакции: окисление металла и восстановление компонентов среды.

Анодная реакция, как правило, представляет собою окисление поверхностных атомов металла с образованием катионов, которые выходят в электролит и могут реагировать с его компонентами:

Катодная реакция –восстановление компонентов электролита. Поскольку коррозионная система полностью поляризована, то протекающие катодные реакции называют реакциями деполяризации катода.

В водных растворах обычно протекают реакции с водородной (а)или кислородной (б) деполяризацией катода:

Возможность протекания реакции определяется как водородным показателем среды (pH), так и наличием растворенного кислорода. Реакции с кислородной деполяризацией катода обычно протекают в тонкой пленке воды на поверхности металла, например, в условиях атмосферной коррозии.

Окисление атомов металла с выходом катионов в электролит и восстановление ионов или молекул среды на поверхности металла являются первичными процессами коррозии. Образовавшиеся при этом ионы Me n + , OH — и растворенные в электролите вещества могут вступать в химические реакции, представляющие собой вторичные процессы. Обычно вторичные процессы приводят к образованию труднорастворимых продуктов коррозии, чаще всего гидроксидов, основных и средних солей. Например:

Рассмотрим некоторые случаи электрохимической коррозии металлов.

Коррозия гетерогенных сплавов. Гетерогенный сплав – поликристалл металла, состоящий из монокристаллов, обладающих различными физико-химическими свойствами, то есть состоит из нескольких фаз. При их контакте с электролитом образуется совокупность микрогальванических коррозионных элементов.

Пример. Коррозия стального изделия в растворе соляной кислоты. Сталь – гетерогенный сплав, содержащий в своем составе микрокристаллы железа (Fe) и карбида железа (Fe₃C) (рис.9.7).

Рис. 9‑7 Коррозия стали в кислоте

Поскольку электродный потенциал карбида железа больше, чем потенциал железа, то в коррозионном гальваническом элементе Fe½H + ½Fe₃C катодом будет карбид железа, а анодом железо. Учитывая, что 2+ , а на поверхности карбида железа протекать реакция с водородной деполяризацией катода:

анод (Fe): Fe 0 ® Fe 2+ + 2ē

Вторичные реакции протекать не будут, поскольку нерастворимых соединений не образуется. В этом случае говорят об электрохимическом растворении стали:

Fe 0 + 2H + ® Fe 2+ + H₂.

Коррозия металла при неравномерной аэрации электролита. При условии неодинакового доступа кислорода к различным участкам коррозионной системы возникает концентрационный коррозионный элемент.

Пример. Коррозия меди под каплей воды на воздухе. Электродный потенциал металла будет больше на тех участках, которые контактируют с электролитом с большей концентрацией растворенного в нем кислорода. В случае капли воды концентрация кислорода будет больше на краях ( ) и меньше в центре ( ). Поэтому под каплей центральная часть смоченной поверхности металла будет анодом, а участок поверхности в виде кольца по краям капли – катодом (рис.9.8).

Рис. 9‑8 Коррозия меди под каплей воды

Медь на анодном участке будет окисляться, а на катодном участке протекать реакция с кислородной деполяризацией:

анод (Cu( )): Cu 0 ® Cu 2+ + 2ē

катод (Cu( )): О₂ + 2H₂O + 4ē ® 4OH —

Вторичной реакцией будет реакция образования нерастворимого дигидроксида меди:

Примечание. В воздухе присутствует углекислый газ, который вместе с кислородом растворен в воде. Поэтому в продуктах коррозии будет присутствовать основной карбонат меди:

Коррозия металла в напряженном состоянии. Под действием механических напряжений в металле, контактирующем с электролитом, изменяется электродный потенциал. Потенциал растянутого слоя металла уменьшается, а сжатого увеличивается. Это приводит к образованию коррозионного гальванического элемента, в котором растянутые слои металла будут анодом, а сжатые – катодом.

Пример. Коррозия находящейся в воде детали из дюралюмина (сплав на основе алюминия) в напряженном состоянии (рис.9.9).

Внешние слои дюралюмина в упругодеформированной пластине растянуты и при возникновении коррозионного гальванического элемента будут анодом, внутренние слои сжаты и являются катодом:

анод (Al_{растянут}): Al 0 ® Al 3+ + 3ē

Вторичной реакцией будет реакция образования нерастворимого тригидроксида алюминия:

Al 3+ +3OH — ® Al(OH)₃¯

Рис. 9‑9 Коррозия детали в напряженном состоянии

Контактная коррозия металлов. Если два соприкасающихся разнородных металла контактируют с электролитом, то образуется макрогальванический коррозионный элемент.

Пример. Атмосферная коррозия оцинкованного железа при нарушении покрытия.

Стандартные электродные потенциалы металлов равны: ; . Следовательно, в коррозионном гальваническом элементе Zn½H₂O+O₂½Fe анодом будет цинк, а катодом – железо (рис.9.10). При коррозии цинк окисляется, а на поверхности железа протекает реакция кислородной деполяризации катода:

анод (Zn): Zn 0 ® Zn 2+ + 2ē

Основной вторичной реакцией является образование нерастворимого дигидроксида цинка:

Рис. 9‑10 Коррозия оцинкованного железа при нарушении покрытия

Содержание

Катодное и анодное покрытия металлов как способ защиты их от коррозии
Решение задач по химии на защиту металлов от коррозии
Катодный и анодный процессы
Электролиз расплавов электролитов
Обобщение:
🔍 Видео

Видео:Коррозия металла. Химия – ПростоСкачать

Катодное и анодное покрытия металлов как способ защиты их от коррозии

Видео:Электрохимическая коррозияСкачать

Решение задач по химии на защиту металлов от коррозии

Задание 290.
Какое покрытие металла называется анодным и какое — катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытий железа. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью, во влажном воздухе и в кислой среде.
Решение:
По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные. К катодным покрытиям относятся покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительное значение, чем потенциал основного металла. В качестве примеров катодных покрытий можно привести Cu, Ni, Ag. При повреждении покрытия (или наличии пор) возникает коррозионный элемент, в котором основной материал в поре служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. Следовательно, катодные покрытия могут защищать металл от коррозии при отсутствии пор и повреждений покрытия. Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла. Примером анодного покрытия могут служить Zn, Cr.

При покрытии железа медью возникает коррозионная пара, в которой медь является катодом, а железо – анодом, так как железо имеет более отрицательный стандартный электродный потенциал (-0,44 В), чем медь (0,34 В). При этом будут протекать следующие электрохимические процессы:
а) Во влажном воздухе:

Анодный процесс: Fe 0 -2 = Fe 2+
Катодный процесс: 1/2O₂ + H₂O + 2 = 2OH —

Так как ионы Fe 2+ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом атмосферной коррозии железа будет Fe(OH)₂. При контакте с кислородом воздуха Fe(OH)₂ быстро окисляется до метагидроксида железа FeO(OH), приобретая характерный для него бурый цвет:

б) В хлороводородной (соляной) кислоте:

Анодный процесс: Fe 0 -2 = Fe 2+
Катодный процесс: 2Н + + 2 = Н₂↑

Водород будет выделяться во внешнюю среду, а ионы железа Fe 2+ с хлорид-ионами Cl – будут образовывать соль FeCl₂ – сильного электролита, т. е. железо будет разрушаться с образованием ионов железа Fe 2+ .

Таким образом, при покрытии железа медью при повреждении или при образовании пор разрушается основной металл – железо. Это пример катодного покрытия металла.

Задание 291.
Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие — анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной (соляной) кислоте, Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
Решение:
При покрытии железа кадмием образуется гальваническая пара, в которой кадмий является катодом, а железо – анодом. Объясняется это тем, что стандартный электродный потенциал кадмия (-0,40 В) немного больше, чем стандартный электродный потенциал железа (-0,44 В). Поэтому при нарушении кадмиевого покрытия будут происходить следующие электрохимические процессы:

а) Во влажном воздухе:

Анодный процесс: Fe 0 -2 = Fe 2+
Катодный процесс: 1/2O₂ + H₂O + 2 = 2OH —

б) В хлороводородной (соляной) кислоте:

Анодный процесс: Fe 0 -2 = Fe 2+
Катодный процесс: 2Н + + 2 = Н₂↑

Таким образом, кадмий является катодом в гальванической паре Fe — Cd, значит, это катодное покрытие. При катодном покрытии во время коррозии разрушается основной металл .

Задание 292.
Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие — анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
Решение:
При покрытии железного изделия свинцом образуется гальваническая пара Fe — Pb, в которой свинец является анодом, а железо – катодом. Объясняется это тем, что свинец имеет более электроотрицательный стандартный электродный потенциал (-0,126 В), чем железо (-0,44 В). Значит, это покрытие – анодное. При нарушении свинцового покрытия будут происходить следующие электрохимические процессы:

а) Во влажном воздухе:

Анодный процесс: Pb 0 -2 = Pb 2+
Катодный процесс: 1/2O₂ + H₂O + 2 = 2OH —

Так как ионы Pb 2+ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом атмосферной коррозии свинца будет Pb(OH)₂.

б) В хлороводородной (соляной) кислоте:

Анодный процесс: Pb ₀ -2 = Pb 2+
Катодный процесс: 2Н + + 2 = Н₂↑

Водород будет выделяться во внешнюю среду, а ионы свинца Pb 2+ с хлорид-ионами Cl – будут образовывать соль PbCl₂ – сильного электролита, т. е. свинец будет разрушаться с образованием ионов свинца Pb 2+ .

Таким образом, свинец является анодом в гальванической паре Fe — Pb, значит, это анодное покрытие. При анодном покрытии во время коррозии разрушается само покрытие, а основная конструкция не разрушается.

Видео:Гальванические элементы. 1 часть. 10 класс.Скачать

Катодный и анодный процессы

Процессы, которые протекают в расплавах или растворах электролитов во время прохождения сквозь них постоянного электричества и сопровождаются окислительно-восстановительными реакциями. Раздел химии, который изучает данные процессы, называется электрохимия, а электрохимические превращения — электролизом.

Процесс электролиза всегда протекает с применением электродов (как положительно, так и отрицательно заряженных). Они участвуют в переносе электронов на границе расплав или раствор электролита, то есть на границе двух фаз. Превращения исследуют в электрохимических ячейках, которые включают в себя сосуд с расплавом (раствором электролита) и пропускающими постоянный электрический ток электродами. Нерастворимые состоят из платины, графита или золота, растворимые могут состоять из различных материалов.

В процессе диссоциации электролита выходит распад на катионы (положительно заряженные частицы) и анионы (отрицательно заряженные частицы).

Например,хлорида натрия распадается:

Когда мы поместим расплав данного электролита в электрохимическую ячейку, пропустим через электрический ток, то следовательно из нашей схемы — на катоде восстанавливаются катионы, а на аноде окисляются анионы. Сделаем вывод, что процесс электролиза это ничто иное как катодный и анодный процессы или окислительно-восстановительные реакции.

Продукты реакции зависят от того, в каком виде находится электролит (расплав или раствор), от материала электрода (инертный или растворимый), также от положения металла, который в составе соли и ряду напряжения.

Если катион электролита в ряду напряжения расположен до алюминия включительно, то на катоде идёт выделяется водород.
Если катион металла находится в ряду напряжения между алюминием и водородом, то на катоде одновременно восстанавливаются ионы металла и молекулы воды.
Если катион металла расположен в ряду напряжения после водорода, то на катоде восстанавливается металл.
Если в растворе содержатся катионы разных металлов, то сначала восстанавливаются катионы металла, стоящего в ряду напряжения правее.
При электролизе растворов бескислородных кислот (кроме фторидов) на аноде идет процесс окисления аниона.
При электролизе растворов солей кислородсодержащих кислот и фторидов на аноде идёт процесс окисления воды. Анионы не окисляются.

Видео:Электролиз. 10 класс.Скачать

Электролиз расплавов электролитов

Электролиз осуществляется для соединений с ионным типом связей (соли, щёлочи).

В растворах электролитов присутствуют катионы, анионы, а также молекулы воды. При электролизе воды происходят следующие процессы:

Рассмотрим электролиз на примере хлорида натрия в случае нерастворимого и растворимого анода.

а) Анод нерастворимый.

на катоде (-) ионы натрия не восстанавливаются, остаются в растворе: 2H2O + 2ē → H2 + 2OH-

на аноде (+): 2Cl- — 2ē → Cl2

Суммарное ионное уравнение:

2H2O + 2Cl- = H2 + Cl2 + 2OH-

Учитывая присутствие ионов натрия в растворе, составим молекулярное уравнение:

2NaCl + 2H2O → H2 + Cl2 + 2NaCl

б) Анод растворимый (например, медный).

Если анод растворимый, то металл анода будет окисляться:

Cuо — 2ē → Cu2+

на катоде (-): Cu2+ + 2ē → Cuо

на аноде (+): Cuо — 2ē → Cu2+

Видео:Электрохимическая защита. Катодная защитаСкачать

Обобщение:

Электролиз — окислительно-восстановительный процесс при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита. На катоде протекают процессы восстановления, на аноде процессы окисления. При электролизе водных растворов могут участвовать также молекулы воды.