Процесс коррозии металлов химические уравнения

Видео:Химические уравнения // Как Составлять Уравнения Реакций // Химия 9 классСкачать

Определение коррозии

Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.

Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.

Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

• Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
• Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
• Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Видео:Коррозия металлов и меры по ее предупреждению. 8 класс.Скачать

Виды коррозии металлов

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:

1. Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
2. Неравномерная
3. Избирательная
4. Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
5. Язвенная (или питтинг)
6. Точечная
7. Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
8. Растрескивающая
9. Подповерхностная

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Видео:Коррозия металла. Химия – ПростоСкачать

Химическая коррозия металлов

Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь.

Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Виды химической коррозии

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Фактор Пиллинга-Бэдворса

Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = V_ок/V_Ме) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла

где V_ок — объем образовавшегося оксида

V_Ме — объем металла, израсходованный на образование оксида

М_ок – молярная масса образовавшегося оксида

ρ_Ме – плотность металла

n – число атомов металла

A_Me — атомная масса металла

ρ_ок — плотность образовавшегося оксида

Оксидные пленки, у которых α 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.

Ниже представлены значения сплошности α для некоторых оксидов металлов

Видео:Коррозия металловСкачать

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:

• Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
• Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.

Водородная деполяризация

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:

2H + +2e — = H₂ разряд водородных ионов

Кислородная деполяризация

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:

O₂ + 4H + +4e — = H₂O восстановление растворенного кислорода

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

1. Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е 0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е 0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е 0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Виды электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

• Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
• Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e — = Fe 2+

K: O₂ + 4H + + 4e — = 2H₂O

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

• Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
• Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
• Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
• Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO₂, H₂S и др., способствующие коррозии металла.
• Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Видео:Электрохимическая коррозия (алюминий — медь)Скачать

Методы защиты от коррозии металла

Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.

Металлические покрытия

Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях. 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.

Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.

Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.

Неметаллические покрытия

Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).

Химические покрытия

В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:

оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al₂O₃, ZnO и др.);

азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;

воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;

цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.

Изменение состава технического металла и коррозионной среды

Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.

Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.

Электрохимическая защита

Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.

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.

Примеры задач с решениями на определение защитных свойств оксидных пленок, определение коррозионной стойкости металлов, а также уравнения реакций, протекающих при электрохимической коррозии металлов приведены в разделе Задачи к разделу Коррозия металлов

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

Коррозия металлов и способы защиты от нее

Коррозионная стойкость металла зависит от его природы, характера среды и температуры.

• Благородные металлы не подвергаются коррозии из-за химической инертности.
• Металлы Al, Ti, Zn, Cr, Ni имеют плотные газонепроницаемые оксидные плёнки, которые препятствуют коррозии.
• Металлы с рыхлой оксидной плёнкой – Fe, Cu и другие – коррозионно неустойчивы. Особенно сильно ржавеет железо.

Различают химическую и электрохимическую коррозию.

При химической коррозии также возможны процессы:

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

Как правило, такие процессы протекают в аппаратах химических производств.

В таких растворах на поверхности металла возникают процессы переноса электронов от металла к окислителю, которым является либо кислород, либо кислота, содержащаяся в растворе.

При этом электродами являются сам металл (например, железо) и содержащиеся в нем примеси (обычно менее активные металлы, например, олово).

В таком загрязнённом металле идёт перенос электронов от железа к олову, при этом железо (анод) растворяется, т.е. подвергается коррозии:

Fe –2e = Fe 2+

На поверхности олова (катод) идёт процесс восстановления водорода из воды или растворённого кислорода:

2H + + 2e → H₂

O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH –

Анод: Fe –2e → Fe 2+

Катод: 2H + + 2e → H₂

Суммарная реакция: Fe + 2H + → H₂ + Fe 2+

Если реакция проходит в атмосферных условиях в воде, в ней участвует кислород и происходят процессы:

Анод: Fe –2e → Fe 2+

Катод: O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH –

Суммарная реакция:

Fe 2+ + 2OH – → Fe(OH)₂

4Fe(OH)₂ + O₂+ 2H₂O → 4Fe(OH)₃

При этом образуется ржавчина.

Видео:Реакции металлов с кислородом и водой. 8 класс.Скачать

Методы защиты от коррозии

Видео:Электрохимическая коррозияСкачать

Защитные покрытия

Защитные покрытия предотвращают контакт поверхности металла с окислителями.

• Катодное покрытие – покрытие менее активным металлом (защищает металл только неповреждённое покрытие).
• Покрытие краской, лаками, смазками.
• Создание на поверхности некоторых металлов прочной оксидной плёнки химическим путём (анодирование алюминия, кипячение железа в фосфорной кислоте).

Видео:Химия 9 Коррозия металловСкачать

Создание сплавов, стойких к коррозии

Физические свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств чистых металлов. Добавление некоторых металлов может приводить к повышению коррозионной стойкости сплава. Например, нержавеющая сталь, новые сплавы с большой коррозионной устойчивостью.

Видео:Составление уравнений химических реакций. 1 часть. 8 класс.Скачать

Изменение состава среды

Коррозия замедляется при добавлении в среду, окружающую металлическую конструкцию, ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии — это вещества, подавляющие процессы коррозии.

Видео:Химическая коррозияСкачать

Электрохимические методы защиты

Протекторная защита: при присоединении к металлической конструкции пластинок из более активного металла – протектора. В результате идёт разрушение протектора, а металлическая конструкция при этом не разрушается.

Видео:Химические свойства металлов. 9 класс.Скачать

Химическая коррозия металлов

Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь. Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

Коррозия вызывается химической реакцией металла с веществами окружающей среды, протекающей на границе металла и среды. Чаще всего это окисление металла, например, кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, с которыми контактирует металл. Особенно подвержены этому металлы, расположенные в ряду напряжений (ряду активности) левее водорода, в том числе железо.

В результате коррозии железо ржавеет. Этот процесс очень сложен и включает несколько стадий. Его можно описать суммарным уравнением:

4Fe + 6H2O (влага) + 3O2 (воздух) = 4Fe(OH)₃

Гидроксид железа(III) очень неустойчив, быстро теряет воду и превращается в оксид железа(III). Это соединение не защищает поверхность железа от дальнейшего окисления. В результате железный предмет может быть полностью разрушен.

Многие металлы, в том числе и довольно активные (например, алюминий) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет окислителям проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от коррозии. При удалении этой пленки металл начинает взаимодействовать с влагой и кислородом воздуха.

Алюминий в обычных условиях устойчив к воздействию воздуха и воды, даже кипящей, однако если на поверхность алюминия нанести ртуть, то образующаяся амальгама разрушает оксидную пленку – выталкивает ее с поверхности, и металл быстро превращается в белые хлопья метагидроксида алюминия:

Амальгамированный алюминий взаимодействует с водой с выделением водорода:

2Al + 4H2O = 2AlO(OH) + 3H2

Коррозии подвергаются и некоторые довольно мало активные металлы. Во влажном воздухе поверхность меди покрывается зеленоватым налетом (патиной) в результате образования смеси основных солей.

Иногда при коррозии металлов происходит не окисление, а восстановление некоторых элементов, содержащихся в сплавах. Например, при высоких давлениях и температурах карбиды, содержащиеся в сталях, восстанавливаются водородом.

Электролиз расплавов и растворов соединений металлов.

Электролиз – это физико-химический окислительно-восстановительный процесс, протекающий в растворах или расплавах электролитов под действием электрического тока, заключающийся в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ — продуктов вторичных реакций на электродах.

Электролиз расплава

I. Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие при элек­тро­ли­зе рас­пла­вов элек­тро­ли­тов

В рас­пла­вах элек­тро­ли­ты дис­со­ци­и­ру­ют на ионы. Это тер­ми­че­ская дис­со­ци­а­ция элек­тро­ли­тов. При про­пус­ка­нии элек­три­че­ско­го тока ка­ти­о­ны вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся на ка­то­де, так как при­ни­ма­ют от него элек­тро­ны. Ани­о­ны кис­лот­но­го остат­ка и гид­рок­сид-ани­о­ны окис­ля­ют­ся на ка­то­де, так как от­да­ют ему свои элек­тро­ны.

При­мер №1. Элек­тро­лиз рас­пла­ва хло­ри­да на­трия

При тер­ми­че­ской дис­со­ци­а­ции хло­ри­да на­трия об­ра­зу­ют­ся ионы на­трия и хлора.

– на ка­то­де вы­де­ля­ет­ся на­трий:

2 Na + + 2 e − → 2 Na

– на аноде вы­де­ля­ет­ся хлор:

2 Cl − − 2 e − → Cl₂

– сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции (урав­не­ние ка­тод­но­го про­цес­са по­мно­жи­ли на 2)

2 Na + + 2 Cl − → 2 Na 0 + Cl 0 ₂

2 NaCl 2 Na + Cl₂

При­мер №2. Элек­тро­лиз рас­пла­ва гид­рок­си­да калия

При дис­со­ци­а­ции гид­рок­си­да калия об­ра­зу­ют­ся ионы калия и гид­рок­сид ионы.

– на ка­то­де вы­де­ля­ет­ся калий:

– на аноде вы­де­ля­ет­ся кис­ло­род и вода:

– сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции (урав­не­ние ка­тод­но­го про­цес­са по­мно­жи­ли на 4)

4К + + 4ОН − → 4 К 0 + О₂ + 2Н₂О

4КОН 4 К 0 + О₂ + 2Н₂О

При­мер №3. Элек­тро­лиз рас­пла­ва суль­фа­та на­трия

При дис­со­ци­а­ции рас­пла­ва суль­фа­та на­трия об­ра­зу­ют­ся ионы на­трия и суль­фат-ио­ны.

– на ка­то­де вы­де­ля­ет­ся на­трий:

– на аноде вы­де­ля­ет­ся кис­ло­род и оксид серы (VI):

– сум­мар­ное ион­ное урав­не­ние ре­ак­ции (урав­не­ние ка­тод­но­го про­цес­са по­мно­жи­ли на 4)

2 Na₂SO₄ 4 Na 0 + 2SО₃ +О₂

За­ко­но­мер­но­сти элек­тро­ли­за рас­пла­вов элек­тро­ли­та

1. При элек­тро­ли­зе рас­пла­вов ще­ло­чей и солей на ка­то­де оса­жда­ет­ся ме­талл.

2. Ани­о­ны бес­кис­ло­род­ных кис­лот окис­ля­ют­ся на аноде, давая со­от­вет­ству­ю­щее со­еди­не­ние, на­при­мер, хло­рид-ани­о­ны об­ра­зу­ют хлор.

3. Ани­о­ны кис­ло­род­со­дер­жа­щих кис­лот об­ра­зу­ют со­от­вет­ству­ю­щий оксид и кис­ло­род.

Электролиз раствора

II. Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие при элек­тро­ли­зе рас­тво­ров элек­тро­ли­тов

При элек­тро­ли­зе рас­тво­ров элек­тро­ли­тов, кроме ин­те­ре­су­ю­щих нас со­еди­не­ний есть еще и вода, ко­то­рая также может под­вер­гать­ся элек­тро­ли­зу. По­это­му, ис­хо­дя из стро­е­ния со­еди­не­ния, элек­тро­лиз может про­те­кать либо с иона­ми соли, либо с водой.

Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие на ка­то­де

1. Ка­ти­о­ны ак­тив­ных ме­тал­лов, сто­я­щие в ряду на­пря­же­ний до алю­ми­ния, не раз­ря­жа­ют­ся на ка­то­де. См. рис. 2. В этом слу­чае про­ис­хо­дит толь­ко вос­ста­нов­ле­ние воды.

2. Ка­ти­о­ны ме­тал­лов, рас­по­ло­жен­ных в ряду на­пря­же­ний от алю­ми­ния до во­до­ро­да, раз­ря­жа­ют­ся в той или иной сте­пе­ни од­но­вре­мен­но с мо­ле­ку­ла­ми воды. При этом од­но­вре­мен­но про­ис­хо­дят сле­ду­ю­щие про­цес­сы:

3. При на­ли­чии в рас­тво­ре ка­ти­о­нов ме­тал­лов, рас­по­ло­жен­ных в ряду на­пря­же­ний после во­до­ро­да, на ка­то­де, пре­жде всего, про­ис­хо­дит вос­ста­нов­ле­ние ка­ти­о­нов этих ме­тал­лов. Me n+ +ne — →Me

Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие на аноде

Раз­ли­ча­ют два типа ано­дов: инерт­ный и ак­тив­ный. Инерт­ный анод – это анод, ма­те­ри­ал ко­то­ро­го не окис­ля­ет­ся в про­цес­се элек­тро­ли­за (Pt). Ак­тив­ный анод – это анод, ко­то­рый окис­ля­ет­ся в про­цес­се элек­тро­ли­за. На­при­мер, гра­фит.

Элек­тро­лиз с инерт­ным ано­дом

В анод­ном про­цес­се могут при­ни­мать уча­стие ани­о­ны неко­то­рых бес­кис­ло­род­ных кис­лот Cl — ,Br — ,I — , S 2- и гид­рок­сид-ио­ны ОН — ( раз­ря­жа­ют­ся толь­ко эти ани­о­ны), на­при­мер:

2Br — — 2е — →Br_2; 4ОН − − 4 e − → О₂ +2Н₂О (в ще­лоч­ной среде)

Если в рас­тво­ре при­сут­ству­ют ани­о­ны F — ,SO 2- ₄, NO — ₃, PO₄ 3- , CO₃ 2- и неко­то­рые дру­гие, то окис­ле­нию под­вер­га­ет­ся толь­ко вода:

2Н₂О — 4 e − → О₂ + 4Н + (в ней­траль­ной и кис­лой среде)

Элек­тро­лиз с ак­тив­ным ано­дом

В слу­чае с ак­тив­ным ано­дом, число кон­ку­ри­ру­ю­щих окис­ли­тель­ных про­цес­сов уве­ли­чи­ва­ет­ся до трех:

— Элек­тро­хи­ми­че­ское окис­ле­ние ма­те­ри­а­ла анода

— Окис­ле­ние воды с вы­де­ле­ни­ем кис­ло­ро­да

— Окис­ле­ние ани­о­нов рас­тво­рен­но­го со­еди­не­ния

📽️ Видео

Коррозия металлов и способы защиты от нееСкачать

Электролиз. 10 класс.Скачать

146 Роль кислорода в процессе коррозии металловСкачать

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ ХИМИЯ 8 класс // Подготовка к ЕГЭ по Химии - INTENSIVСкачать

Коррозия. Нефть и газ | Учебный фильм, 2017Скачать

РЕАКЦИИ ИОННОГО ОБМЕНА, ИОННОЕ УРАВНЕНИЕ - Урок Химия 9 класс / Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

Коррозия металлов. Неорганическая химия. Видеоурок #22Скачать

Классификация коррозионных процессовСкачать