Химия. Лабораторная работа по теме: "Определение скорости

Федеральное агентство по железнодорожному транспорту
Филиал Уральского государственного университета путей сообщения
Челябинский институт путей сообщения
Кафедра естественнонаучных дисциплин
Определение скорости коррозии металлов по объему выделившегося
водорода
Лабораторная работа
Челябинск
2007
Изложены краткие теоретические сведения по коррозионным процессам, рассмотрены
виды коррозии, механизм электрохимической коррозии на примере атмосферной коррозии.
Показан способ определения скорости коррозии, а также даны сведения о способах защиты
металлов от коррозии. Рассмотрены ингибиторы коррозии.
Предназначается студентам всех специальностей дневной и заочной форм обучения,
изучающим курсы «Химия» и «Коррозия и защита металлов от коррозии. Химические
источники тока».
Составители: Е.А. Коновалова, канд. техн. наук, доц. ЧИПС
С.М. Чигинцев, ассистент
Рецензент:
Определение скорости коррозии металлов по объему выделившегося
водорода
Цель работы: определение скорости коррозии металлов и моделей коррозионных
элементов в кислой среде по объему выделившегося водорода.
Теоретическое введение
Методы оценки коррозии связаны с наличием как качественных, так и количественных
методов. Методы качественной оценки играют существенную, хотя и вспомогательную роль,
позволяя получить представление о характере и интенсивности процесса коррозии. Наиболее
распространенными среди количественных методов являются весовой (массовый) и объемный
методы, а также метод, учитывающий изменение механических или физических свойств
корродирующего образца.
Весовой (массовый) метод применим в основном для общей равномерной коррозии. В
этом случае глубина коррозии (площадь поражения) прямо пропорциональна изменению массы
испытуемого образца. Эта зависимость лежит в основе весового метода. В данном случае
скорость коррозии выражается весовым показателем «К», который определяет изменение веса
образцов, отнесенных к единице площади за единицу времени:
m
K
(1)
S t
Здесь m – изменение массы металла, S – площадь пораженного коррозией участка, t –
время протекания коррозии. Единица измерения К – кг / м2 час. Недостаток данного метода –
невозможность сравнить по показателю К различные металлы (с разной плотностью). Для
устранения этого недостатка применяется так называемый глубокий показатель коррозии «П»,
который учитывает плотность металла:
К
(2)
П

Единицы измерения П – м/час.
Объемный метод. Сущность этого метода заключается в определении объема газа,
выделяющегося или поглощаемого в процессе коррозии. Если коррозия протекает с водородной
деполяризацией, тогда выделяется водород; если с кислородной деполяризацией – идет
поглощение кислорода. Объем газа, выделившийся или поглощенный в процессе коррозии за
единицу времени, отнесенный к единице поверхности образца, называется объемным
показателем коррозии.
В данной работе предлагается оценить скорость коррозии с водородной деполяризацией
именно с точки зрения объемного метода, но с учетом площади поверхности металла.
V
Подставляя формулу (1) в формулу (2), получим: П 
(3).
S t
Таким образом, с учетом погрешности определения площади поверхности будем
учитывать скорость коррозии пропорциональной объему выделившегося газа – водорода. В
данной работе скорость коррозии определяется в см/мин.
Процесс коррозии металла в кислой среде происходит по следующему механизму.
Любой металл или сплав имеет на своей поверхности участки, значительно отличающиеся друг
от друга по структуре, составу, и как следствие - химическим и физическим свойствам.
Дефекты структуры, примеси, загрязнения на поверхности металла образуют на его
поверхности микрокатодные участки с более положительным значением потенциала, а
непосредственно сам металл играет роль микроанодных участков. В результате этого возникает
микрогальванический элемент. Например, при коррозии цинка в соляной кислоте на анодных
участках происходит процесс окисления Zn – 2e = Zn2+, а на катодных – процесс
восстановления 2H+ + 2е = Н2. В результате коррозии образуется хлорид цинка и водород: Zn +
HCl = ZnCl2 + H2.
Как видно из уравнения реакции, растворение металла сопровождается выделением
эквивалентного количества водорода. Деполяризующее действие водородных ионов (протонов)
в коррозионных процессах заключается в реализации избыточных электронов на поверхности
микрокатодных участков. Поэтому скорость коррозии можно определить, измерив количество
выделившегося водорода за определенный промежуток времени.
Как было выше сказано, примеси, в том числе другие металлы, входящие в состав
технического цинка или образующие включения на его поверхности, являются, как правило,
микрокатодными участками. Следовательно, скорость коррозии моделей коррозионных
элементов (например, Zn – Cu, Zn – Pb и других) будет существенно отличаться от скорости
коррозии цинка. Это будет определяться в том числе и значением ЭДС моделей гальванопар
металлов, которое можно рассчитать в первом приближении, используя стандартные
электродные потенциалы 0 искомых металлов по формуле ЭДС = К - А, где К – потенциал
катода, А - потенциал анода.
Порядок выполнения работы
Рисунок 1.
Внешний вид установки для определения скорости
коррозии по объему выделившегося водорода приведен на рис. 1.
2
В лапке штатива (1) укреплена бюретка (2), заполненная водой,
нижний конец которой опущен в химический стакан (3).
Газоотводной трубкой (4) она соединена с пробиркой (5), в
1
которой находятся металл, подвергающийся коррозии, и кислота.
1. Получить персональное задание от преподавателя,
3
содержащее: наименование металла (или коррозионной пары),
подвергаемого коррозии, и концентрацию соляной кислоты. В
5
случае определения скорости коррозии цинка измерить диаметр
кусочка цинка (с точность до миллиметра), определите площадь
4
его поверхности по формуле S = 2R2. При определении скорости
коррозии в случае коррозионной пары приведите соответствующее уравнение реакции и схему
микрогальванического элемента.
2. Погрузите кусочек цинка в пробирку, прилейте ¼ часть по объему раствора соляной
кислоты указанной концентрации, добавьте, если нужно, раствора соли металла, необходимого
для образования коррозионной пары. Плотно закройте отверстие пробирки пробкой с
газоотводной трубкой.
3. Заполнить бюретку водой. Для этого заполните химический стакан на ¾ водой,
погрузите в него газоотводную трубку, заправленную в бюретку, бюретку и через верхнее
отверстие грушей затяните необходимое количество воды. После этого верхнее отверстие
бюретки аккуратно закройте зажимом.
4. Наблюдайте за процессом коррозии. В результате того, что поверхность цинка
покрыта плотным и прочным слоем оксидной пленки, хорошо защищающей поверхность
металла от коррозии (особенно в нейтральной среде), нужно для получения достоверного
результата по скорости коррозии подождать некоторое время (несколько минут), за которое
произойдет разрушение кислотой оксидной пленки. Составьте уравнение соответствующей
реакции. После растворения оксидной пленки скорость коррозии цинка возрастает.
5. Через 3-4 минуты после начала реакции отметьте положение воды в бюретке,
соответствующее деление возьмите точку отсчета – V0. За соответствующее время (2-3 минуты,
с точностью до 1 секунды) отметьте изменение положения столба воды в бюретке и
соответствующий объем – V1. Объем выделившегося водорода за соответствующее время
составит
V = V0–V1.
6. Через пять и десять минут повторите измерение объёма выделившегося водорода за
примерно такой же интервал времени. Рассчитайте объем для каждого отрезка времени.
После окончания измерений сначала откройте верхнее отверстие бюретки, ослабив
зажим; затем, после выпуска собранного газа, отсоедините газоотводную трубку от пробирки и
слейте содержимое пробирки в стаканчик для слива отходов. Сдайте рабочее место
преподаавтелю.
Все измерения и расчетные величины занесите в таблицу.
Наименование металла (или коррозионной пары):
Концентрация соляной кислоты:
Уравнения химических реакций, протекающих в результате определения скорости коррозии:
________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________
Время, мин.
Объем водорода, V, см3
Скорость коррозии, П, см/мин
По результатам выполненной лабораторной работы оформить отчет. Помимо
результатов, сведенных, в таблицу, в отчете приведите график зависимости скорости коррозии
П (по оси ординат) от времени коррозии (по оси абсцисс). Отметить выводы по работе –
зависимость скорости коррозии цинка или коррозионной пары от времени коррозии.
Контрольные вопросы и задания
1.
2.
3.
4.
Сущность электрохимического механизма коррозии.
Коррозия с водородной и кислородной деполяризацией.
Факторы, влияющие на скорость электрохимической коррозии.
Методы определения скорости коррозии.