Методические указания к занятию № 8 Тема: Коррозия металлов

Цель работы. Ознакомление с процессами химической и электрохимической коррозии, протекающими в различных средах, и некоторыми методами борьбы с коррозией.

Теоретическая часть.

Металлы и изделия из них, соприкасаясь с воздухом, водой и различными агрессивными реагентами, постепенно подвергаются разрушению, коррозии. Коррозия – это разрушение металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. При этом металлы окисляются и образуют продукты, состав которых зависит от условий коррозии. Коррозия протекает с уменьшением энергии Гиббса. Поэтому эти процессы протекают самопроизвольно. Химическая энергия реакции коррозионного разрушения металлов выделяется в виде теплоты и рассеивается в конечном счете в окружающем пространстве. Безвозвратные потери от коррозии составляют до 15 % от ежегодного производства металлов. Цель борьбы с коррозией – это сохранение ресурсов металлов, мировые запасы которых ограничены. Изучение коррозии и разработка методов защиты металлов от нее представляют теоретический интерес и имеют большое народно-хозяйственное значение. По механизму протекания коррозионного процесса, зависящему от характера внешней среды, с которой взаимодействует металл, различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия характерна для сред, непроводящих электрический ток. По условиям протекания коррозионного процесса различают: а) газовую коррозию – в газах и парах без конденсации влаги на поверхности металла, обычно при высоких температурах; б) коррозию в неэлектролитах – агрессивных органических жидкостях. Электрохимическая коррозия характерна для сред, имеющих ионную проводимость. При электрохимической коррозии процесс взаимодействия металла с окислителем включает анодное растворение металла и катодное восстановление окислителя. Электрохимическая коррозия может протекать: а) в электролитах – в водных растворах солей, кислот, щелочей, в морской воде; б) в атмосфере любого влажного газа; в) в почве. Особым видом электрохимической коррозии следует считать коррозию за счет внешнего электрического тока. Наибольший вред наносит электрохимическая коррозия, причиной которой может быть неоднородность поверхности металла и различные металлические и неметаллические примеси.

В этом случае наряду с химическими процессами (отдача электронов) протекают электрические процессы (перенос электронов от одного участка к другому). Механизм электрохимической коррозии. Коррозия металла в средах, имеющих ионную проводимость, протекает через анодное окисление металла М – nē → Мn+ и катодное восстановление окислителя Ох + nē → Red Окислителями при коррозии служат молекулы кислорода, хлора, ионы водорода, железа (III), нитрат-ионы и др. Наиболее часто при коррозии наблюдается восстановление кислорода: в нейтральной или щелочной среде – О₂ + 2Н₂О + 4ē → 4ОН^– в кислой среде – О₂ + 4Н⁺ + 4ē → 2Н₂О и выделение водорода – 2Н⁺ + 2ē → Н₂ Коррозия с участием кислорода называется коррозией с кислородной деполяризацией; коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с водородной деполяризацией. Кроме электрохимических реакций при коррозии обычно протекают вторичные химические реакции, например, взаимодействие ионов металла с гидроксид-ионами, концентрация которых повышается в результате катодных реакций Мⁿ⁺ + n OH^– = M(OH)n. Как видно, процессы электрохимической коррозии подобны процессам, протекающим в гальванических элементах. Основным отличием является отсутствие внешней цепи. Электроны в процессе коррозии не выходят из корродирующего металла, а двигаются внутри металла. Химическая энергия реакции окисления металла передается не в виде работы, а лишь в виде теплоты. Скорость коррозии тем больше, чем дальше в ряду стандартных электродных потенциалов расположены те металлы, из которых образовался гальваническая пара. 

На скорость коррозии влияет и характер раствора электролита. Чем выше его кислотность (т. е. меньше рН), а также чем больше содержание в нем окислителей, тем быстрее протекает коррозия. Значительно возрастает коррозия с ростом температуры. Некоторые металлы при соприкосновении с кислородом воздуха или в агрессивной среде переходят в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия. Например, серная и азотная кислоты, концентрация которых близка к 100 %, легко пассивируют железо и оно практически не взаимодействуют с кислотами. Причина заключается в том, что на поверхности металла образуется плотная оксидная пленка, которая препятствует контакту металла со средой. Защитная пленка всегда имеется на поверхности алюминия. Подобные пленки в сухом воздухе образуются также на Be, Cr, Zn, Ta, Ni, Cu и других металлах. При определенных условиях кислород является наиболее распространенным пассиватором. Защита от коррозии. Выбор способа защиты металлических изделий от коррозии определяется его эффективностью, а также экономической целесообразностью. Все методы защиты условно делятся на следующие группы: а) легирование металлов; б) защитные покрытия (металлические и неметаллические); в) электрохимическая защита; г) изменение свойств коррозионной среды; д) рациональное конструирование изделий. Легирование металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивность металла. В качестве таких компонентов применяют хром, никель, алюминий и др. Введение некоторых добавок к сталям (титана, меди, хрома и никеля) приводит к тому, что при коррозии образуются плотные продукты реакции, предохраняющие сплав от дальнейшей коррозии.

Защитные покрытия. Это слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий и сооружений для защиты их от коррозии. Выбор вида покрытия чаще всего зависит от условий, в которых используется металл. Металлические покрытия. Материалами для металлических защитных покрытий могут быть как чистые металлы (цинк, кадмий, алюминий, серебро и др.), так и их сплавы (латунь, бронза). По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные. К катодным относятся покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительное значение, чем потенциал основного металла. В качестве примеров катодных покрытий стальных изделий можно привести медь, никель, серебро. При повреждении покрытия (или наличии пор) возникает коррозионный элемент, в котором основной материал служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла. Примером анодного покрытия может служить цинк на стальных изделиях. В этом случае основной металл будет катодом коррозионного элемента, поэтому он не корродирует. Потенциалы металлов зависят от состава растворов, поэтому при изменении состава раствора может меняться и характер покрытия. Неметаллические защитные покрытия. Они могут быть как органическими, так и неорганическими. Защитное действие этих покрытий сводится в основном к изоляции металла от окружающей среды. В качестве неорганических покрытий применяются неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома, фосфора и др. К органическим относятся лакокрасочные покрытия, покрытия смолами, пластмассами, полимерными пленками, резиной. Электрохимическая защита. Метод основан на торможении анодных или катодных реакций коррозионного процесса. Электрохимическая защита осуществляется присоединением к защищаемой конструкции металла с более отрицательным значением электродного потенциала – протектора, а также катодной (катодная защита) или анодной (анодная защита) поляризацией за счет извне приложенного тока. Наиболее применима электрохимическая защита в коррозионных средах с хорошей ионной проводимостью. Катодная защита используется для защиты от коррозии подземных трубопроводов, кабелей; ее также применяют к шлюзовым воротам, подводным лодкам, водным резервуарам и пр. Сущность катодной защиты заключается в том, что защищаемое изделие подключается к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, поэтому оно становится катодом, а анодом служит вспомогательный, обычно стальной электрод, который растворяется: M – nē → Mⁿ⁺ а на защищаемом сооружении (катоде) выделяется водород: 2Н₂О + 2ē → Н₂ + 2ОН^–

При протекторной защите к изделию присоединяют металл или сплав, потенциал которого значительно отрицательнее потенциала металла изделия – протектор. В качестве материала протекторов используют сплавы алюминия, магния и цинка. В коррозионной среде металл протектора растворяется: Al – 3ē → Al³⁺

а на изделии выделяется водород: 2Н₂О + 2ē → Н₂ + 2ОН^–

Изменение свойств коррозионной среды. Для снижения агрессивности среды уменьшают концентрацию компонентов, опасных в коррозионном отношении. Например, в нейтральных средах обычно протекает коррозия с поглощением кислорода. Его удаляют деаэрацией или восстанавливают с помощью соответствующих восстановителей (гидразин, сульфиты и т.п.). Агрессивность среды может уменьшаться также при снижении концентрации ионов водорода. Для защиты от коррозии широко применяют ингибиторы – вещества, при добавлении которых в небольших количествах в среду, где находится металл, значительно уменьшается скорость коррозии металла. Ингибиторы применяют главным образом в системах, работающих с постоянным или мало обновляемым объемом раствора. Механизм действия значительного числа ингибиторов заключается в адсорбции ингибитора на корродирующей поверхности и последующем торможении анодных или катодных процессов. Рациональное конструирование изделий. Оно должно исключать наличие или сокращать число и размеры особо опасных с точки зрения коррозии участков в изделиях или конструкциях, а также предусматривать специальную защиту металла этих участков от коррозии.

 

Вопросы для подготовки к лабораторной работе:

1. Что такое коррозия металлов? Классифицировать коррозию по механизмам ее протекания.

 2. Охарактеризуйте сущность электрохимической коррозии. 

3. Что такое гальванические микроэлементы? Какие процессы протекают по анодному и катодному механизмам при коррозии в кислой и нейтральной средах.

4. Что такое кислородная и водородная деполяризация?

5.От каких факторов зависит скорость коррозии?

Экспериментальная часть.

Опыт 1 Удаление защитной пленки с металла.

Для проведения опыта вам понадобятся две стеклянные пробирки, в каждую внесите 1, 5-2, 0 мл дистиллированной воды и несколько крупинок металлического магния. Почему магний в этих условиях не взаимодействует с водой? В одну из пробирок добавьте 6 капель насыщенного раствора хлорида аммония NH₄Cl. Объясните активное растворение магния в этой пробирке. Записать уравнения протекающей реакции.

_____________________________________________________________________________

Опыт 2 Коррозия при контакте различных металлов

Согнутую под углом стеклянную трубку закрепите в штативе и заполните 0, 01 н. раствором серной кислоты. В одно из отверстий трубки поместите медную пластину, в другое – цинковую так, чтобы пластины не соприкасались. Наблюдайте выделение водорода на поверхности цинка и его отсутствие на поверхности меди. Приведите пластинки в контакт друг с другом. Чем объяснить появившееся выделение водорода на поверхности меди?

_____________________________________________________________________________ Как влияет контакт с медью на коррозию цинка?

_____________________________________________________________________________ Напишите схему действия возникшего гальванического микроэлемента.

_____________________________________________________________________________ Опыт 3 Катодные и анодные защитные металлические покрытия.

Две пробирки заполните наполовину дистиллированной водой, добавьте по 2-3 капли раствора серной кислоты и гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] – качественного реактива на ионы железа (II), растворы перемешать. В одну пробирку опустите полоску оцинкованного железа (железа, покрытого цинком), в другую – полоску луженого железа (железа, покрытого оловом). Через 1-2 мин наблюдайте изменение окраски раствора в пробирке с луженым железом. Синий цвет раствора обусловлен появлением в растворе ионов железа (II), которые с гексацианоферратом (III) калия образуют турнбулеву синь Fe₄[Fe(CN)₆]₃. Почему цвет раствора в пробирке с оцинкованным железом остался без изменения?

_____________________________________________________________________________ Составьте схемы электрохимической коррозии, протекающей в обеих пробирках.

_____________________________________________________________________________ Опыт 4 Коррозия железа в различных электролитах

Для проведения опыта вам понадобятся 5 стеклянных пробирок, наполовину заполненных растворами следующих электролитов: 1 – дистиллированной водой; 2 – водным раствором NaCl; 3 – водным раствором MgCl₂; 4 – водным раствором NaOH; 5 – водным раствором HCl. В каждую из пробирок добавьте 2–3 капли гексацианоферрата (III) калия и поместить железную пластину (или гвоздь). Объясните происходящие процессы, сравните интенсивность коррозии железа в различных средах, запишите уравнения коррозионных процессов.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Выводы оформите в виде таблицы:  

Коррозионная среда	Индикатор коррозии железа	Окраска раствора с железной пластиной	Уравнения коррозионных процессов

 

Опыт 5 Протекторная защита стали.

В два стеклянных стаканчика налейте по 10 мл разбавленной (~10 %) серной кислоты и по 2-3 капли гексацианоферрата (III) калия. В один стаканчик опустите стальную пластинку, в другой – стальную пластинку, соединенную металлическим проводником с цинковой пластинкой. Объясните коррозию железа в одном из стаканчиков и ее отсутствие в другом.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сделать общий вывод по работе.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы и задачи.

1. Почему в железной бочке можно хранить сильно концентрированную и нельзя хранить разбавленную серную кислоту?

2. Если на стальной предмет нанести каплю воды, то коррозии подвергается средняя, а не внешняя часть смоченного металла. После высыхания капли в ее центре появляется пятно ржавчины. Чем это можно объяснить? Какой участок металла, находящийся под каплей воды, является анодным и какой – катодным? Составьте уравнения соответствующих процессов.

3. Перечислите известные методы защиты металлов от коррозии. Чем следует руководствоваться при их выборе?

4. В чем заключается сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте уравнения анодного и катодного процессов.

5. Напишите уравнения электродных реакций, протекающих при катодной защите стальных труб.

Литература для самоподготовки:

1.    Габриелян, О. С. Общая и неорганическая химия: учеб.пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению 050100 " Пед. образование" / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, Е. Г. Турбина. - М.: Академия, 2011. – 479с.

2.    Общая и неорганическая химия. Учебный справочник / Гусева А.Ф., Атманских И.Н., Балдина Л.И., Анимица И.Е., Нохрин С.С., Кочетова Н.А. Отв. редактор: Нохрин С.С. / Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2012. – 80с.

3.    Сироткин О.С. Химия: учебник / О.С. Сироткин, Р.О. Сироткин. – Москва: КНОРУС, 2019. – 364 с.

 

Тестовые задания для самоконтроля

1. Какой из гидроксидов нельзя получить гидра­тацией соответствующего оксида?

1)H₂S0₄

2)Н₂Сг0₄

3)Сг(ОН)₃

4)Ва(ОН)₂

5)Са(ОН)₂

2. Молекула аммиака при взаимодействии с кис­лотами и водой является

1) восстановителем

2) окислителем

3) донором электронной пары

4) акцептором электронной пары

5) амфолитом

3. Добавление какого из веществ приведет к раз­рушению аммиачного комплекса меди?

1) нитрата меди (II)

2) хлорида меди (II)

3) сульфида натрия

4) аммиака

5) сульфат натрия

4. Согласно принципу запрета Паули, в атоме не может быть двух электронов, у которых одинаковы

1) все 4 квантовых числа

2) все 2 квантовых числа

3) все 3 квантовых числа

4) все 5 квантовых чисел

5) все 6 квантовых чисел

5. Правило … определяет порядок заполнения орбиталей: подуровни заполняются таким образом, чтобы суммарный спин был максимален

1) Хунда

2) Васильева

3) Марковникова

4) Зайцева

5) Клечковского

6. Способность атома образовывать определенное число химических связей

1) ковалентность

2) степень окисления

3) валентность

4) электроотрицательность

5) спин

7. Закон эквивалентов был сформулирован

1) Менделеевым Д.И.

2) Рихтер И.В.

3) Пруст Л.Ж.

4) Дальтон Дж.

5) Авогадро А.

8. Электронная формула элемента имеет окончание …3d³4s²

1) Хром

2) Титан

3) Железо

4) Ванадий

5) Кобальт

9. Какое из свойств атома не находится в перио­дической зависимости от заряда ядра?

1) радиус атома

2) общее число электронов в атоме

3) число валентных электронов

4) электроотрицательность

5) энергия сродства к электрону

10. У какого из соединений сильнее выражены вос­становительные свойства?

1)HF

2)НС1

3)НВг

4) HI

5) НАt

11. У какого из соединений в наименьшей степе­ни проявляются основные свойства?

1) Mg(OH)₂

2) Са(ОН)₂

3) Sr(OH)₂

4) Ва(ОН)₂

5) Ве(ОН)₂

12. Определите положение элемента в периодичес­кой системе Д.И. Менделеева, если валентная электронная структура атома элемента 4s²4p³ Элемент находится

1)в 5-м периоде, в 4-й группе, побочной подгруппе

2) в 5-м периоде, в 4-й группе главной подгруппе

3) в 4-м периоде, в 5-й группе главной подгруппе

4) в 4-м периоде, в 5-й группе побочной подгруппе

5) в 5-м периоде, в 3-й группе главной подгруппе

13. Какое из газообразных веществ нельзя осу­шать с помощью оксида фосфора (V)?

1)НС1

2)NH₃

3)С0₂

4)S0₂

5) S0₃

14.Какая из реакций идет до конца в водном ра­створе?

l)Na₂S0₄ + КОН→

2) HNO₃+ КCl→

3)Al(OH)₃ + NaOH→

4) NaNO₃+ CuSO₄→

5) NaNO₂+ CuSO₄→

15. В результате какой из реакций выделяется водород?

l)H₂S0_{4 (конц.)} + Zn→

2)H₂S0_{4 (конц.)} + Са→

3)H₂S0_{4 (разб.)} + Сu→

4)H₂S0_{4 (разб.)}+ Zn→

5)H₂S0_{4 (разб.)} + Al→

16. У какого из гидроксидов хрома преобладают основные свойства?

1) Сr(ОН)₂

2) Сr(ОН)₃

3)Н₂СrO₄

4)Н₂Сr₂O₄

5) Сr(ОН)₄

17. Чем надо подействовать на соляную кислоту, чтобы получить из нее хлор?

1) восстановителем

2) окислителем

3) щелочью

4) бромом

5) хлором

18. Какой из элементов проявляет в наибольшей степени неметаллические свойства (окисли­тельные)?

1) фосфор

2)сера

3)селен

4)теллур

5) мышьяк

19. Одинаковое число молекул (при одинаковых условиях) содержится

1) в 1 л водорода и 8 л кислорода

2) в 2 л водорода и 1 л кислорода

3) в 1 л водорода и 1 л кислорода

4) в 1 л водорода и 2 л кислорода

5) в 4 л водорода и 1 л кислорода

20. Над каким из растворов давление насыщенного пара воды наименьшее, если их моляльные кон­центрации соответственно составляют

1) глицерин — 0, 8

2) мочевина — 0, 08

3) глюкоза — 0, 2

4) фруктоза — 0, 3

5) лактоза — 0, 4

21. рН какого из растворов имеет минимальное значение, если концентрация Н⁺-ионов (в моль/л)составляет

1) 1· 10^-7

2) 2· 10^-6

3) 6· 10^-2

4) 8· 10^-10

5) 1· 10^-12

22. Максимальным коагулирующим действием обладает ион

l)Na⁺

2) Са²⁺

3)А1³⁺

4)С1³⁺

5)Аt³⁺

23. Наибольшей прочностью из комплексных ионов катиона серебра ( + 1) обладает

1) [Ag(NH₃)₂]⁺ (К_нест=10^-8)

2)[Ag(CN)₂]^- (К_нест=10^-21)

3) [Ag(S₂O₃)₂ ]^3- (к_нест =10^-13)

4) [Ag(SO₃)₂]^3- (к_нест =10^-15)

5) [Ag(SO₄)₂]^3- (к_нест =10^-17)

24. Если на смесь катионов Ва²⁺, Sr, Ca²⁺ подей­ствовать серной кислотой, в какой последова­тельности выпадают осадки?

1) SrSO₄→ BaSO₄→ CaSO₄ПР SrSO₄=2·10^-7

2) BaSO₄→ CaS0₄→ SrSO₄ПР BaSO₄= l·10 ^-10

3) BaSO₄→ SrSO₄→ CaSO₄ПР CaSO₄=6·10^-5

4) CaSO₄→ BaSO₄→ SrSO₄

5) SrSO₄→ CaSO₄→ BaSO₄

25. Связь между двумя атомами, образованная двумя обобществленными парами электронов, называется

1) ионным взаимодействием

2) электровалентной связью

3) ковалентной связью

4) семиполярной связью

5) металлической связью

26. Частица, обладающая избытком электронов и представляющая свою электронную пару для образования новой связи, называется

1) электрофильной

2) нуклеофильной

3) радикальной

4) карбкатион

5) карбанион

27. Моносахариды в твердом (кристаллическом) состоянии представляют

1) полиоксиальдегиды, или полиоксикетоны

2) внутренние циклические амиды

3) внутренние циклические сложные эфиры

4) циклические полуацетали много­атомных альдегидо- или кетоно-спиртов

5) лактоны

28. Самая сильная кислота

1)Сl-СН₂-СООН

2)F₃C-COOH

3)Сl-СН₂-СН₂-СООН

4)Вr-СН₂-СН₂-СООН

4)I-СН₂-СН₂-СООН

29. Более сильная кислота:

1) НClO

2) HClO₃

3) HClO₄

4) HClO₂

5) HCl

30. Тип и кратность связи в молекуле азота

1) ковалентная неполярная, кратность связи 2

2) ковалентная полярная, кратность связи 3

3) ионная

4) ковалентная неполярная, кратность связи 3

5) металлическая

31. Гидроксид цинка не взаимодействует с раство­ром

1)HN0₃

2) КОН

3)НС1

4) CuS0₄

5) Ва(ОН)₂

32. Какой элемент в наибольшей степени прояв­ляет металлические свойства?

1) мышьяк

2) сурьма

3) висмут

4)полоний

5) теллур

33. Буферным действием не обладает смесь

l)CH₃COONa и CH₃COOH

2)Na₂CO₃и NaHCO₃

3) NаН₂РО₄ и Nа₂НР0₄

4) NaN0₃ и HN0₃

5) HN0₃

34. Какое из соединений азота проявляет только окислительные свойства? l)NaNO₂

2) HN0₂

3) HN0₃

4)NH₃

5) NH₄N0₃

35. Какое из газообразных веществ можно полу­чать в аппарате Киппа?

1)хлор

2)хлороводород

3) углекислый газ

4) оксид азота (IV)

5) бром

36. Какие из катионов Cu²⁺, Ni²⁺, Mg²⁺, Bi³⁺, Fe³⁺, Co²⁺ можно разделить, используя реакцию комплексообразования, действием какого ре­агента?

1) Mg²⁺ и Bi³⁺ от Fe³⁺, Со²⁺, Cu²⁺ и Ni²⁺; реагент NaOH

2) Mg²⁺, Bi³⁺ и Fe³⁺ от Со^2+, Cu²⁺ и Ni^2+; реагент NaOH

3) Mg^2+, Bi³⁺ и Fe³⁺ от Co²⁺, Cu²⁺ и Ni^2+; реагент NH₃

4) Mg²⁺ и Fe³⁺ от Bi^3+, Co²⁺, Cu²⁺ и Ni²⁺; реагент NH₃

5) Mg²⁺, Cu²⁺ и Ni²⁺ от Fe^3+, Co²⁺ и Bi³⁺; реагент NH₃

37. Необходимо получить Сl₂ из НСl. Для это­го следует использовать

1) окислитель

2) щелочь

3)восстановитель

4)бром

5) бромную воду

38. С целью получения наименьших потерь осад­ка его необходимо промывать

1)водой

2) дистиллированной водой

3) раствором сильного электролита, не имеющего с осадком одноименных ионов

4) раствором электролита, содержаще­го одноименный ион с ионом, входя­щим в осадок

5) раствором слабого электролита

39. Энтропия системы уменьшается

1) при нагревании

2)при протекании реакции N₂ +ЗН₂= 2NH₃

3) при плавлении льда

4) при расширении системы

5) при кипении воды

40. Тепловой эффект химической реакции (∆ H x.p.) равен сумме теплот образования продуктов реакции (∆ H ) за вычетом суммы теплот образования исходных веществ (∆ H ) с учетом стехиометрических коэффициентов.

1) Закон Ома

2) Закон Гесса

3) Закон Канницаро

4) Закон Шарля

5) Закон Дальтона

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: