2 теория

Методическое обеспечение: Обухов В.М.
Редактор: Гордеева Ю.В.
3D графика: Дубин А.Н.
Script программирование: Егоров А.И.
Управление проектами: Сергиенко Е.В.
Лабораторная работа
Тема: Электрохимическая коррозия.
Раздел: «Катодные и анодные защитные металлические
покрытия»
1 ВВЕДЕНИЕ
Цель работы: Изучение электрохимической коррозии металлов в
нейтральной среде. Анодное и катодное защитное металлическое покрытие.
2 ТЕОРИЯ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ
Коррозия - это процесс самопроизвольного разрушения металла под
действием окружающей среды, протекающий на границе раздела фаз.
Коррозия является окислительно-восстановительной реакцией, протекающей
на поверхности металла. Металлы при коррозии окисляются, а вещества, в
контакте с которыми протекает коррозия (кислород воздуха, газы, вода,
растворы электролитов, органические вещества), восстанавливаются.
Электрохимическая коррозия – это окислительно–восстановительный
процесс, протекающий в среде электролита. Электрохимическая коррозия –
гетерогенная окислительно-восстановительная реакция, сопровождающаяся,
кроме передачи электронов (химический процесс), переносом электронов
(электрический процесс).
Электрохимическая коррозия возникает при контакте с электролитом
двух металлов различной активности. Это возможно при сочетании в одном
узле деталей из металлов различной активности или использовании деталей,
изготовленных из сплава типа механической смеси
При контакте металлов различной активности (например, железо –
алюминий) более активный металл – алюминий (анод) окисляется и посылает
электроны менее активному металлу – железу (катоду). Атомы металлов не
способны связывать электроны (низкая электроотрицательность). В
результате перехода электронов с анода на катод происходит выравнивание
потенциалов, и процесс останавливается.
Однако, если конструкция из
разных металлов находится в среде электролита, то реагенты окружающей
среды способны принимать электроны. Возникает гальванический элемент, в
котором более активный металл
(анод)
окисляется,
электроны
перемещаются по металлу к менее активному металлу (катоду)
/направленное движение электронов/, на поверхности которого протекает
процесс восстановления реагентов электролита.
Реагенты
(окислители),
которые
восстанавливаются,
при
электрохимической коррозии называют катодными деполяризаторами.
В водной среде электрохимическая коррозия может протекать с
участием ионов водорода (водородная деполяризация):
2H + + 2e = H2
2H2O + 2e = H2 + 2OHили с участием кислорода, связываемого ионами водорода из воды
(кислородная деполяризация):
O2 + 2H2O + 4e = 4OH-.
Характер процесса деполяризации при электрохимической коррозии
зависит от среды, в которой протекает коррозия (кислой, нейтральной и
щелочной).
При коррозии в кислой среде происходит водородная деполяризация на
катоде. Коррозия конструкции, содержащей алюминий – железо, в среде
хлороводородной кислоты происходит следующим образом:
e0Al/Al3+ = –0,76В,
e0Fe/Fe2+ = –0,44В.
( А ) Al / HCl / Fe ( К )
Алюминий, как более активный металл (более низкое значение
электродного потенциала окисления), в образовавшемся гальваническом
элементе окисляется (анод). Электроны переходят на менее активный металл
– железо (катод), где происходит водородная деполяризация.
А 2 Al – 3e = Al3+ реакция окисления
К 3 2H+ + 2e = H2 реакция восстановления
2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2
или в молекулярном виде
2Al + 6HСl = 2AlCl3 + 3H2.
При коррозии в нейтральной среде (pH = 7) в отсутствие
растворенного кислорода также происходит водородная деполяризация на
катоде
( А ) Al / H2O / Fe ( К )
А 2 Al – 3e = Al3+
реакция окисления
К 3 2H2O + 2e = H2 + 2OH- реакция восстановления
2Al + 6H2O = 2Al3+ + 3H2 + 6OHили в молекулярном виде
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2.
При коррозии в нейтральной среде (pH = 7) в присутствии
растворенного кислорода или в щелочной среде (pH > 7) происходит
кислородная деполяризация на катоде
( А ) Al /O2+H2O/ Fe ( К )
А 4 Al – 3e = Al3+
реакция окисления
К 3 O2 + 2H2O + 4e = 4OH реакция восстановления
4Al + 3O2 + 6H2O = 4Al3+ + 12OHили в молекулярном виде
4Al + 3O 2 + 6H2O = 4Al(OH)3.
Возможность протекания электрохимической коррозии рассчитывается
по Э.Д.С. электрохимического процесса
Э.Д.С. = e восстановления – e окисления.
Если Э.Д.С. имеет положительное значение, то коррозия возможна.
Скорость коррозии теоретически тем выше, чем больше Э.Д.С. процесса.
Э.Д.С. электрохимической коррозии (скорость коррозии) определяется
средой (электродным потенциалом восстановления окислителя) и
активностью
металла
(электродным
потенциалом
окисления
восстановителя).
Электродный потенциал процесса восстановления в зависимости от
среды:
2H+ + 2e = H2
при pH = 1
e02H+/H2 = 0,00В
сильнокислая среда
2H2O + 2e = H2 + 2OH
при pH = 7
e0H2O/H2 = –0,41В
нейтральная среда
O2 + 2H2O + 4e = 4OH
при pH = 7
e0O2/OH- = +0,80В
нейтральная среда
при pH > 12
e0O2/OH- = +0,40В
сильнощелочная среда
Для одного и того же металла скорость коррозии будет возрастать:
нейтральная среда в отсутствии растворенного кислорода – кислая среда –
щелочная среда и нейтральная среда в присутствии растворенного
кислорода.
Защита металлов от коррозии
Методы защиты металлов от коррозии можно разделить на три типа:
1. Защита поверхности металла покрытиями:
а) неметаллические покрытия,
б) металлические покрытия.
2. Электрохимические методы защиты поверхности:
а) протекторная защита,
б) электрозащита (катодная защита).
3. Использование ингибиторов коррозии.
Защита поверхности металла покрытиями
Защитное действие заключается в том, что в гетерогенной системе
разрывается контакт между металлом и окислителем.
Все защитные покрытия можно подразделить на:
а) неметаллические защитные покрытия, к которым относятся краски,
эмали, лаки, полимерные пленки и другие полимерные материалы;
б) металлические защитные покрытия, которые подразделяются на:
анодные защитные покрытия и
катодные защитные покрытия.
К анодным защитным металлическим покрытиям относят металлы,
которые являются более активными металлами, чем защищаемый металл.
Такие металлы имеют более низкое значение электродного потенциала
окисления, чем защищаемый металл. Для железа анодными покрытиями
могут быть металлы – цинк, алюминий, магний, титан.
Как правило, выбираются металлы, которые подвергаются процессу
пассивации. Однако при нарушении защитного покрытия (например, железо
покрыто цинком) в случае появления электролита (например, «влажный
воздух») возникает микрогальванический элемент, в котором цинк является
анодом, а железо – катодом.
Электрохимическая схема возникшего гальванического элемента
( А ) Zn / O2+H2O / Fe ( К )
А 2 Zn – 2e = Zn2+
окисление
К 1 O2 + 2H2O + 4e = 4OH
восстановление
2+
2Zn + O2 + 2H2O = 2Zn + 4OHили в молекулярном виде
2Zn + O 2 + 2H2O = 2Zn(OH)2 .
При нарушении анодного защитного покрытия защищаемая
металлическая конструкция не разрушается в результате электрохимической
коррозии. Коррозия конструкции протекает значительно медленнее, чем без
защитного покрытия.
К катодным защитным металлическим покрытиям относят
металлы, которые являются менее активными металлами, чем защищаемый
металл. Такие металлы имеют более высокое значение электродного
потенциала окисления, чем защищаемый металл. Для железа катодными
покрытиями могут быть металлы – медь, серебро, олово, никель.
Менее активный металл эффективно защищает металлическую
конструкцию от коррозии до тех пор, пока не нарушена целостность
защитного покрытия. Однако при нарушении защитного покрытия
(например, железо покрыто оловом) в случае появления электролита
(например, «влажный воздух») возникает микрогальванический элемент, в
котором железо является анодом, а олово – катодом.
Электрохимическая схема возникшего гальванического элемента
( А ) Fe / O2+H2O / Sn ( К )
А 2 Fe – 2e = Fe2+
окисление
К 1 O2 + 2H2O + 4e = 4ОН
восстановление
2+
2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe + 4OHили в молекулярном виде:
2Fe + O 2 + 2H2O = 2Fe(OH)2 .
При нарушении катодного защитного покрытия защищаемая
металлическая конструкция разрушается в результате электрохимической
коррозии. Коррозия протекает значительно быстрее, чем без защитного
покрытия.
3 ОБОРУДОВАНИЕ
3.1
Активные клавиши
Рис. 3.1. Функции манипулятора
Левая клавиша мыши (ЛКМ) - при нажатии берется объект (пробирка,
палочка для перемешивания, капельница, шпатель)
Средняя клавиша мыши (СКМ) - при прокрутке назад (на себя) сцена
отдаляется, при прокрутке вперед (от себя) сцена приближается.
Правая клавиша мыши (ПКМ) - при нажатии на объект происходит
действие (из капельницы капает вещество)
Движение мыши:
движение вправо - сцена движется вправо,
движение влево - сцена движется влево,
движение вверх - сцена движется вверх,
движение вниз - сцена движется вниз.
3.2
Лабораторное оборудование
Для проведения лабораторной работы
оборудование:
На лабораторном столе стоят:
Опыт№1
 Капельница с надписью H2SO4 р-р
 Баночка с кусочками металла цинка
необходимо
следующее
 Медный стержень
Опыт №2
 2 капельницы с надписями
 K3[Fe(CN)6],
 H2O
 Баночка с солью мора
 Стаканчик с водой
 Стеклянная палочка для перемешивания реактивов
Опыт №3
 2 капельницы с надписями
 K3[Fe(CN)6],
 Na2SO4
 Баночка с кусочками металла цинка
 Баночка с кусочками металла меди
 2 железных проволоки
Для каждого опыта:
 Штатив с пробирками
Справа находится кнопка вызова меню (рис. 3.2). В нем можно
увидеть выпадающее меню для переключения между опытами (кнопки
«Опыт 1», «Опыт 2» и т.д.), кнопку «Начать заново», кнопку выхода из
лабораторной работы, окна с подсказками к текущему опыту в лабораторной
работе (какие вещества нужно добавить в пробирку), кнопку для вызова окна
настроек (рис. 3.4), в котором можно включить полноэкранный режим,
настроить качество графики. Для выхода из полноэкранного режима нажать
клавишу ESC.
Рис. 3.2. Кнопка вызова бокового меню
Рис. 3.3. Боковое меню.
Рис. 3.4. Окно настроек
При наведении курсора мышки на капельницу с веществом в верхней
части экрана появляется надпись с названием вещества. На рис. 3.5. показан
пример отображения надписи при наведении курсора на капельницу с
надписью H2SO4.
Рис. 3.5. Отображение названия капельницы в верхней части экрана
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Цель работы: Изучение электрохимической коррозии металлов в
нейтральной среде. Анодное и катодное защитное металлическое покрытие.
Опыт № 1. Коррозия цинка с водородной деполяризацией (кислая
среда).
Налить в пробирку 6 капель разбавленной серной кислоты. Добавить
кусочек цинка, наблюдается вытеснение водорода из серной кислоты.
Погрузите в кислоту медную проволоку, не касаясь цинка. Начнется
выделение водород на медной палочке и кусочке цинка.
Коснитесь медной проволочкой кусочка цинка в пробирке. Как
изменяется интенсивность выделения водорода, и на каком из металлов он
выделяется. Отнимите медную проволочку от цинка и убедитесь, что
интенсивность выделения водорода снова изменилась.
Последовательность действий:
1.
2.
3.
4.
5.
ЛКМ);
6.
7.
8.
9.
Берем пробирку (нажать на пробирку ЛКМ);
Берем капельницу с надписью H2SO4 р- р(нажатие ЛКМ);
Капаем 6 капли H2SO4 р-р в пробирку (6 нажатий ПКМ);
Отставляем капельницу с H2SO4 р-р в сторону (нажатие ЛКМ);
Берем микрошпатель с кусочком цинка и помещаем его в пробирку (нажатие
Берем медную палочку и помещаем ее в пробирку (нажатие ЛКМ);
Наблюдаем появление пузырьков от цинка;
Касаемся медной палочкой цинка (нажатие ПКМ);
Сравнить интенсивность пузырьков.
Опыт № 2 Качественный опыт определения ионов Fe2+.
Заполнить мерные бюретки из лабораторных склянок растворами:
1 - K3[Fe(CN)6], 2 - H2O, 3 - Na2SO4, 4 - FeSO4
Взять коническую колбу и из мерной бюретки с надписью H2O в
коническую колбу добавить 5 мл воды. Добавить 1 микрошпатель соли Мора
Раствор прозрачный. Из мерной бюретки с надписью K3[Fe(CN)6] в
коническую колбу добавить раствор красной кровяной соли. Раствор из
прозрачного приобретает темно-синий цвет.
Этот качественный опыт демонстрирует, что при добавлении реагента
K3[Fe(CN)6] (красной кровяной соли) к раствору содержащему, ионы Fe2+
образуется осадок темно-синего цвета (турнбулева синь). Составить
молекулярное и ионно-молекулярное уравнения качественной реакции
FeSO4 + K3[Fe(CN)6] → K2SO4 + Fe3[Fe(CN)6]2
Последовательность действий:
1. Берем пробирку (нажать на пробирку ЛКМ);
2.
Берем капельницу с надписью H2O (нажатие ЛКМ);
3.
Капаем 5 капель H2O в пробирку (5 нажатий ПКМ);
4.
Отставляем капельницу с H2O в сторону (нажатие ЛКМ);
5. Берем микрошпатель с солью Мора, его содержимое помещаем в пробирку
(нажатие ЛКМ);
6. Перемешиваем содержимое пробирки стеклянной палочкой (нажатие ЛКМ);
7.
Берем капельницу с надписью K3[Fe(CN)6] (нажатие ЛКМ);
8.
Капаем 3 капли K3[Fe(CN)6] в пробирку (3 нажатий ПКМ);
9. Наблюдаем изменение цвета на темно синий;
Опыт № 3 Анодная и катодная металлическая защита железной
конструкции
Для изучения электрохимической коррозии в два стакана из мерной
бюретки с надписью Na2SO4 добавляют по 6 мл раствора. Из мерной бюретки
с надписью K3[Fe(CN)6] туда же добавить по 3 мл раствора. Растворы
приобретают ярко-желтый цвет.
В первый стакан в раствор внести кусочек цинка, а во второй стакан в
раствор внести кусочек меди. В каждый стакан внести по кусочку железа.
Ввести в соприкосновение металлы. В контакте первого стакана цинкжелезо, второго стакана медь-железо.
Через 30 секунд раствор во втором стакане становится темно-синим.
Раствор в первом стакане свой цвет не изменяет.
Составить
электрохимические
схемы
получившихся
микрогальванических элементов.
Составить уравнения окислительно – восстановительного процесса
коррозии в воде с растворенным кислородом для пары металлов: цинкжелезо и медь-железо.
Последовательность действий:
1. Берем пробирки (нажать на любую пробирку ЛКМ);
2.
Берем капельницу с надписью H2O (нажатие ЛКМ);
3.
Капаем 6 капель Na2SO4 в пробирку (6 нажатий ПКМ);
4.
Отставляем капельницу с Na2SO4 в сторону (нажатие ЛКМ);
5.
Берем капельницу с надписью K3[Fe(CN)6] (нажатие ЛКМ);
6.
Капаем 3 капли K3[Fe(CN)6] в пробирку (3 нажатий ПКМ);
7.
Наблюдаем изменение цвета на ярко желтый;
8.
Помещаем в первую пробирку микрошпатель с цинком
(нажатие ЛКМ)
9.
Помещаем во вторую пробирку микрошпатель с медью
(нажатие ЛКМ)
10.
Опускаем в каждую пробирку железную проволоку (нажатие
ЛКМ)
11.
Наблюдаем изменение цвета в одной из пробирок
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
1.
Химическая коррозия металлов.
Электрохимическая коррозия металлов.
Коррозия в кислой среде.
Коррозия в нейтральной среде в отсутствии и присутствии
растворенного кислорода.
Коррозия в щелочной среде.
Методы защиты металлов от коррозии.
Анодное и катодное защитные металлические покрытия.
Электрохимические методы защиты металлов от коррозии.
Протекторная защита металлов от коррозии.
Электрозащита (катодная защита).
2. 6. ОТЧЕТ
6.1 Форма отчета
Цель работы___________________________________________________
_______________________________________________________________
Название опыта_________________________________________________
Ход работы: (краткий конспект)___________________________________
1._____________________________________________________________
2._____________________________________________________________
3._____________________________________________________________
4._____________________________________________________________
и т.д.__________________________________________________________
Используемые реактивы: (перечислить реактивы, которые используете в
опыте_________________________________________________________
________________________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
3.______________________________________________________________
4.______________________________________________________________
5.______________________________________________________________
Наблюдения по опыту № 1
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Наблюдения по опыту № 1_________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Наблюдения по опыту №3_________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Химические уравнения____________________________________________
_1._____________________________________________________________
_2._____________________________________________________________
_3._____________________________________________________________
Выводы по работе________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
Работу выполнил__________________________________________
Отчет принял_____________________________________________
«____»______________20___г.
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коровин Н.В. Общая химия. М., Высшая школа, 2002 г.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. Л., Химия, 2004 г.
3. Обухов В.М. Общая химия: Учебное пособие. – Тюмень:
ТюмГНГУ, 2004г.