Электроосаждение металлов. Анодное растворение и пассивность металлов. Коррозия металлов и борьба с ней.

ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА. Электрохимическое выделение металлов из водных растворов их соединений лежит в основе гидроэлектрометаллургических процессов, т. е. процессов извлечения металлов из руд (электроэкстракция) и их очистки (рафинирование) при помощи электролиза. Гидроэлектрометаллургическим путём получают и очищают такие металлы, как медь, никель, цинк, кадмий, олово, свинец, серебро, золото, марганец и др. Гидроэлектрометаллургия позволяет получать технически чистые металлы и в ряде случаев вести успешную переработку бедных руд. Электрохимическое выделение металлов используется для защиты основного металла от разрушения при помощи покрытий из более устойчивых металлов или сплавов, а также для придания изделиям красивого, декоративного вида (гальванотехника). Кроме того, выделение металлов применяется для получения копий и воспроизведения художественных предметов, изготовления лент, бесшовных труб, печатных схем и т. д. (гальванопластика). Возможность использования процесса электролиза с выделением металлов для практических нужд была открыта в 1837 - 1838 гг. русским академиком Б. С. Якоби.

Электролитическое выделение металлов чаще всего проводят из растворов их простых солей - сульфатов, хлоридов или нитратов. Суммарной катодной реакцией в этом случае будет разряд гидратированных металлических ионов с их последующим переходом в кристаллическую решётку образующегося на катоде осадка:

Mⁿ⁺× x H₂O + ne^- = [M] + x H₂O

Электрохимическое выделение металлов из водных растворов происходит при более отрицательном потенциале, чем равновесный потенциал соответствующего металла в данных условиях. Разность между потенциалом электрода под током (при катодном выделении металла) и соответствующим обратимым электродным потенциалом даёт электродную поляризацию:

Dj_M = j_i - j_p

Долю общей поляризации, не связанную с замедленностью процессов транспортировки, часто называют перенапряжением металла. Перенапряжение и здесь тесно связано с природой электродного процесса.

Поляризация при электрохимическом выделении металлов, так же как и при других электродных реакциях, зависит от плотности тока, увеличиваясь вместе с ней. Однако в данном случае характер этой зависимости часто оказывается более сложным. Даже при осаждении одного и того же металла результаты поляризационных измерений могут укладываться в зависимости от диапазона применяемых плотностей тока, состава раствора и температуры на прямые в одной из следующих систем координат:

h - i, h - lg i, 1/h - lg i , 1/h² - lg i

Экспериментальное исследование кинетики катодного выделения металлов представляет собой сложную задачу, что связано с некоторыми специфическими особенностями этого процесса. В ходе электролиза поверхность катода не постоянна, а непрерывно изменяется вследствие осаждения металла. Характер роста осадка существенно зависит от природы металла и условий электролиза. Для некоторых металлов, например серебра и таллия, типично образование нитеобразных кристаллов и древовидных ответвлений, так называемых усов и дендритов.

Своеобразие роста электролитических осадков металлов затрудняет измерение плотности тока, иными словами, скорости электрохимического процесса. Здесь необходимо различать кажущуюся плотность тока, т. е. силу тока, приходящуюся на единицу геометрической (видимой) поверхности электрода, и истинную плотность тока, равную отношению силы тока к активной поверхности, т. е. к действительной поверхности роста осадка. В процессе образования катодного осадка при неизменной кажущейся плотности тока истинная плотность тока может меняться.

Изучение кинетики электроосаждения металлов связано также с затруднениями, возникающими в связи с неустойчивостью во времени потенциала катода. Изменение потенциала и электродной поляризации вызывается не только изменением активной поверхности и истинной плотности тока, но и другими причинами. Особенно заметно изменение потенциала со временем при выделении металлов на чужеродных электродах, когда электролиз приводит к образованию новой металлической фазы. Изменение величины перенапряжения со временем наблюдается при выделении металла и на одноимённом катоде.

Характер осадка и условия его формирования во времени при постоянной силе тока (или при заданном потенциале) зависят не только от природы металла, но и от состава раствора и присутствующих в нём примесей. Примеси поверхностно-активных веществ (ПАВ), а также различных окислителей (например, растворённого кислорода) влияют на кинетику электровыделения металлов. В зависимости от степени чистоты раствора и природы примесей могут меняться характер роста кристаллов, число центров кристаллизации, возникающих за единицу времени на единице поверхности катода, значение поляризации при данной плотности тока, характер её изменения со временем и т. п. В тех случаях, когда катодный выход металла меньше единицы (электроотрицательные металлы, высокие плотности тока), возникают осложнения, связанные с изменением (обычно повышением) pH прикатодного слоя вследствие выделения водорода. Подщелачивание раствора вблизи катода благоприятствует процессам гидролиза солей металла с образованием его основных солей и гидроксидов, которые могут влиять на ход электроосаждения и включаться в катодный осадок.

РОЛЬ ПРИРОДЫ МЕТАЛЛА. При электролизе растворов простых солей характер катодных осадков и величина электродной поляризации определяются в первую очередь природой выделяющегося металла. Все металлы можно разделить на три группы. К первой из них относятся металлы, выделяющиеся из водных растворов или совсем без перенапряжения (ртуть), или с очень малым перенапряжением, не превышающим при обычных плотностях тока тысячных долей вольта (серебро, таллий, свинец, кадмий, олово). Для этой группы металлов (кроме ртути) наиболее отчётливо проявляются неустойчивость потенциала во времени, сложный характер роста катодного осадка и другие особенности, свойственные процессу катодного выделения металлов. При промышленных плотностях тока эти металлы дают грубые осадки. Токи обмена для металлов этой группы очень велики.

Висмут, медь, цинк образуют вторую, промежуточную группу. Для неё характерно металлическое перенапряжение порядка нескольких десятков милливольт, образование более тонких осадков и меньшие, чем у металлов предыдущей группы, токи обмена.

Наибольшим металлическим перенапряжением обладают металлы третьей группы, у которых оно достигает нескольких десятых долей вольта. Эти металлы (железо, никель, кобальт) выделяются на катоде в виде плотных тонкокристаллических осадков. Токи обмена у них малы.

В обычных условиях электролиза металл выделяется на поликристаллической основе и дает отложения, также имеющие поликристаллическую структуру. Поверхность таких осадков образована гранями с различными кристаллографическими индексами. Опыты с монокристаллами ряда металлов, ориентированными по отношению к раствору различными гранями, показали, что металлическое перенапряжение зависит от того, на какой грани выделяется металл. Однако кристаллизационные факторы в явлениях перенапряжения играют подчиненную роль: значение металлического перенапряжения в большей степени определяется природой металла, чем кристаллографической ориентацией электродной поверхности.

РОЛЬ СОСТАВА РАСТВОРА. Систематические исследования влияния состава раствора на кинетику электроосаждения металлов были начаты в 1917 г. Н. А. Изгарышевым. Было установлено, что при катодном выделении металлов из растворов их простых солей существенное значение имеет природа аниона соли. Влияние природы аниона на перенапряжение и на характер образующихся осадков наблюдается для многих металлов, но наиболее сильно оно проявляется для металлов, выделение которых не сопровождается высокой поляризацией. Обычно перенапряжение уменьшается при переходе от одного аниона к другому в следующем порядке:

PO₄^3-, NO₃^-, SO₄^2-, ClO₄^- > NH₂SO₃^- > Cl^- > Br^- > I^-,

причём в том же направлении увеличивается тенденция к образованию более грубых, крупнокристаллических осадков. Влияние анионов вполне сравнимо с эффектами, связанными с кристаллографическими факторами.

Присутствие в растворе, помимо ионов разряжающегося металла, индифферентных катионов увеличивает металлическое перенапряжение. В водных растворах обычными посторонними катионами являются водородные ионы. Увеличение их концентрации приводит чаще всего к росту металлического перенапряжения. Значительное его повышение наблюдается в присутствии поверхностно-активных катионов типа тетразамещённого аммония.

Высокая чувствительность процесса электроосаждения металлов к чистоте растворов указывает на то, что присутствие не только электролитов, но и любых веществ, особенно обладающих поверхностно-активными свойствами, должно играть здесь существенную роль.

Введение в раствор небольших количеств молекулярных и ионных веществ - один из наиболее эффективных способов воздействия на ход процесса электроосаждения металлов. Многие, преимущественно органические, вещества способны увеличивать блеск осадков (блескообразователи), сглаживать их поверхность (выравниватели), и изменять другие свойства, например пористость, твёрдость, хрупкость, способность окклюдировать водород и т. д.

Обнаруженная М. А. Лошкарёвым адсорбционная поляризация проявляется в том, что при добавлении к раствору некоторых поверхностно-активных веществ (например, трибензиламина) изменяется скорость выделения металла на ртутном и на твёрдых катодах. Она становится, во-первых, меньше той, что наблюдалась до введения добавки, и, во-вторых, не зависящей в широкой области потенциалов от катодного потенциала. Однако после того как достигается определённый (обычно весьма отрицательный) потенциал, действие добавки прекращается. Скорость выделения начинает быстро расти, приближаясь к нормальному для этих условий значению, отвечающему предельному диффузионному току. Потенциал, при котором прекращается действие добавки, совпадает с потенциалом её десорбции. Явление адсорбционной поляризации используется для улучшения качества гальванических осадков при электролитическом получении сплавов.

Все эти данные относятся к тому случаю, когда металлы выделяются из растворов их простых солей. Если неорганические или органические добавки образуют комплексные соединения с выделяющимся металлом, то ход катодного процесса существенно меняется. Прежде всего образование комплексов в растворе смещает равновесный потенциал металла в отрицательную сторону за счёт уменьшения концентрации его свободных ионов. Появление комплексов в растворе сказывается и на величине перенапряжения и на характере катодных осадков. При переходе от простых электролитов к комплексным обычно наблюдается повышение перенапряжения и уменьшение зернистости осадков; одновременно подавляется тенденция к образованию и росту дендритов.

ПРИРОДА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ. Электродная поляризация, наблюдаемая при выделении металлов, может быть связана либо с фазовыми превращениями и представлять собой один из видов фазового перенапряжения (замедленность образования трёхмерных и двухмерных зародышей, поверхностная диффузия адатомов или адионов), либо с замедленностью собственно электрохимической стадии и совпадать с электрохимическим перенапряжением. При осаждении металлов существенную роль играют затруднения на стадии транспортировки, а также на стадии химического превращения, предшествующего электрохимическому акту. При рассмотрении процессов катодного выделения металлов (особенно из комплексных электролитов) необходимо поэтому всегда учитывать концентрационную поляризацию, т. е. диффузионное перенапряжение и химическое или реакционное перенапряжение. Наконец, в условиях катодного выделения металлов энергетическое состояние иона в образующемся осадке может отличаться от его состояния в нормальной кристаллической решётке данного металла и, как правило, отвечать более высокому уровню энергии. Переход из такого метастабильного состояния к обычному также может обусловливать появление особого вида фазового (кристаллизационного) перенапряжения.

Преобладание того или иного вида перенапряжения определяется природой металла, составом раствора, плотностью тока, температурой электролита. При обычных температурах и при использовании простых, некомплексных электролитов перенапряжение изменяется с природой металлов. Опытные данные указывают на то, что выделение металлов, стоящих в начале ряда (Hg, Ag, Tl, Pb, Cd, Sn), сопровождается лишь незначительной поляризацией, связанной главным образом с замедленностью возникновения и развития новой фазы. Замедленность электрохимической стадии не играет здесь существенной роли. В электрохимической литературе эти металлы, для которых характерно фазовое перенапряжение, называются часто нормальными металлами. Напротив, при выделении металлов группы железа наблюдается высокая поляризация, обусловленная преимущественно замедленностью электрохимической стадии. Эти металлы, для которых характерно электрохимическое перенапряжение, называются инертными металлами. Промежуточное положение и по величине поляризации, и по природе перенапряжения (здесь наиболее вероятно наложение нескольких видов перенапряжения) занимают такие металлы, как Bi, Cu и Zn.

Это различие в величине и механизме перенапряжения обусловливает различный характер осадков, в виде которых нормальные и инертные металлы выделяются на катоде. Все факторы, вызывающие торможение акта разряда, должны, с этой точки зрения, уменьшать относительную роль кристаллизационных явлений и приводить к получению равномерных мелкозернистых осадков. Увеличение торможения достигается или переводом простых ионов в более прочные комплексы, или при помощи добавок поверхностно-активных веществ.

АНОДНОЕ РАСТВОРЕНИЕ И ПАССИВНОСТЬ МЕТАЛЛОВ.

Электрохимическое растворение металлов включает в себя две группы процессов: растворение за счет внешнего тока (анодное растворение) и в результате взаимодействия с компонентами среды (коррозия).

Анодное растворение металла с переходом его в раствор в виде простых гидратированных (или в виде комплексных) ионов во многом представляет собой обращение процесса катодного выделения металлов. Анодный процесс начинается с разрушения кристаллической решётки и заканчивается образованием ионов металла в растворе; вместо стадий формирования кристаллической решётки появляются стадии её разрушения, вместо разряда ионов - ионизация атомов металла и т. д. Общую реакцию анодного растворения металла, если образуются простые гидратированные ионы, можно записать в виде уравнения:

[М] + х Н₂О = Мⁿ⁺ × х Н₂О + ne^-

Металлы растворяются анодно обычно при потенциалах более положительных, чем соответствующие равновесные потенциалы, т. е. их растворение сопровождается анодной поляризацией. Её значение можно определить из уравнения:

Dj_а = j_i - j_p

Появление анодной поляризации можно связать с замедленностью одной из стадий: транспортировки, разрушения твёрдой фазы или ионизации. При катодном выделении металлов замедленность транспортировки, т. е. недостаточная начальная скорость доставки разряжающихся ионов к электроду, смещает его потенциал в отрицательную сторону. При анодном растворении металла замедленность стадии отвода приводит к накоплению перешедших в раствор ионов вблизи электрода и, соответственно, смещает его потенциал в положительную сторону. Аналогичная картина должна наблюдаться и при замедленном протекании других стадий. В связи с этим при не слишком больших удалениях от состояния равновесия обнаруживается некоторая симметрия в протекании процессов катодного выделения металлов и их анодного растворения.

Поведение металлов в процессе анодного растворения исследовано не так полно, как при их катодном осаждении. Всё же полученные опытные данные подтверждают применимость основных положений теории электрохимического перенапряжения к металлам группы железа. Так, кинетика анодного растворения железа и никеля описывается формулой Тафеля:

h_a= a + b lg i_a.

Помимо стадий переноса электрона суммарная реакция анодного растворения металлов группы железа включает чисто химические стадии, протекающие с участием анионов, прежде всего ионов гидроксила, каталитически ускоряющих анодный процесс. Растворение железа в концентрированных растворах серной кислоты можно описать, например, следующей схемой:

Fe + OH^- = FeOH_адс + e^-

FeOH_адс = FeOH⁺_адс + e^-

FeOH⁺_адс + n H₂O = Fe²⁺ × n H₂O + OH^-

где вторая стадия определяет скорость всего процесса. В настоящее время имеется много данных, указывающих на участие ионов OH^- в процессе анодного растворения и других металлов. Кинетика анодного растворения металлов зависит не только от концентрации гидроксильных ионов, но и вообще от анионного состава раствора.

Металл, растворяющийся под действием анодной поляризации, может при изменении условий потерять эту способность и превратиться в нерастворимый анод. Такое превращение растворимого анода в нерастворимый представляет собой частный случай пассивности металлов. Явление пассивности металлов было открыто М.В.Ломоносовым (1738).

Перевод металла в пассивное состояние достигается не только при действии соответствующих окислителей (например, пассивация железа концентрированной азотной кислотой), но и др. способами, в частности, анодной поляризацией. Наиболее отчетливо это явление обнаруживается на потенциостатических кривых потенциал анода - плотность тока (типичная потенциостатическая кривая - см. рис.).

В области потенциалов, не очень удалённых от равновесного или стационарного потенциала металла в данных условиях, при смещении его в положительную сторону наблюдается увеличение скорости растворения металла в виде обычных для него ионов. Эта область потенциалов отвечает активному состоянию металла, когда он ведёт себя как растворимый анод. При достижении некоторого значения потенциала (более положительного, чем исходная величина) плотность тока резко падает, что указывает на внезапное замедление процесса растворения. В довольно широких пределах потенциалов плотность тока, а следовательно, и скорость растворения почти не изменяются, оставаясь очень малыми. Эта область потенциалов отвечает пассивному состоянию. Участок потенциостатической поляризационной кривой, соединяющей область активного состояния с областью пассивности, называется переходной областью. Дальнейшее смещение потенциала в положительную сторону может привести к новому подъёму плотности тока и к увеличению скорости растворения. Эта зона потенциалов называется областью перепассивации или транспассивности. Для неё характерно растворение металла в виде ионов более высокой валентности, чем при его растворении в активном состоянии. Таким образом, при изменении потенциала в сторону более положительных значений металл последовательно проходит через активное, переходное (или предпассивное), пассивное и транспассивное состояния. Смещая потенциал от положительных значений к отрицательным, можно заставить металл пройти через те же состояния, но в обратном порядке. Для характеристики потенциостатической кривой наиболее важны точки перехода из одного состояния в другое. Потенциал j_п, при котором начинается переход металла из активного состояния в пассивное, называется потенциалом начала пассивации или потенциалом пассивации. При потенциале j_акт металл уже пассивен. Однако даже его незначительное отклонение в отрицательную сторону нарушает пассивное состояние, и металл начинает активироваться. Потенциал j_актназывают обычно потенциалом активации или Фладе-потенциалом (по имени немецкого учёного, обнаружившего его существование), причём последний термин часто употребляют и для потенциала пассивации j_п. Следующим характеристическим потенциалом является потенциал депассивации j_дп, при котором металл из области пассивного состояния вступает в область транспассивности. Для каждой из областей потенциостатической кривой, разграниченных критическими точками, характерен свой закон измененияскорости растворения (изменения анодной плотности тока) с потенциалом. Область активного состояния отличается тем, что смещение потенциала в положительную сторону вызывает увеличение скорости растворения, т. е. наклон прямой di/dj > 0. В переходном состоянии скорость растворения уменьшается с ростом потенциала и di/dj < 0. В пассивном состоянии скорость растворения практически не зависит от потенциала и di/dj » 0. В транспассивном состоянии, так же как и в активном, di/dj > 0, но наклон оказывается обычно иным.

Область перепассивации (переход металла в новое активное состояние) наблюдается не всегда. Тем не менее и в этих случаях после достижения некоторого значения потенциала обнаруживается подъем плотности тока, однако здесь он отвечает не возобновлению растворения металла, а началу выделения кислорода. Известны также случаи, когда после перепассивации наступает вторая область пассивности, которая может затем смениться новым подъемом тока, связанным с растворением металла (в виде других ионов) или с выделением кислорода.

Детальное разграничение областей, отвечающих различным состояниям металла, сделалось возможным благодаря применению потенциостатического метода снятия поляризационных кривых. Пока пользовались обычным гальваностатическим методом, удавалось обнаружить только внезапные изменения потенциала, которые при прямом (от малых плотностей тока к большим) и обратном (от больших плотностей тока к малым) снятии поляризационных кривых наступали не при одних и тех же плотностях тока, что указывало на существование каких-то гистерезисных явлений.

Основные закономерности перехода металла в разные состояния были исследованы многими авторами; следует указать на работы Г.А.Акимова, В.П.Батракова, Я.М.Колотыркина, Н.Д.Томашева, Пражека, Бонгофера, Франка, Штерна, Эделану, Окамото и др. Явление перепассивации металлов было впервые количественно обосновано Батраковым (1953) и Томашевым (1954). Колотыркин (1958) впервые снял полную потенциостатическую кривую и экспериментально доказал, что все переходы металла из одного состояния в другое можно получить как его поляризацией, так и введением в раствор различных окислителей, обеспечивающих создание соответствующих потенциалов. Он сделал весьма важный для теории пассивности вывод о том, что решающим фактором в установлении того или иного состояния металла является не природа окисляющего агента, а потенциал металла.

Для объяснения явления пассивности были предложены две теории - пленочная и адсорбционная. В пленочной, или фильмовой теории пассивности (Кистяковский) предполагается, что переход металла из активного состояния в пассивное вызван образованием на его поверхности тонкого, обычно оксидного, слоя, отделяющего металл от окружающей среды и препятствующего его растворению. Образующийся оксидный слой имеет толщину в несколько молекулярных слоев, и его можно рассматривать как фазовый оксид. Чем совершеннее структура оксидного слоя, чем меньше в нем разрывов и дефектов, тем полнее пассивация и тем меньше скорость растворения металла в пассивном состоянии.

Кистяковский, Изгарышев, Акимов экспериментально доказали существование поверхностных пленок фазового характера. Эвансу (1930) удалось, подбирая специальные растворы, отделить пленку от металла и сделать ее видимой.

Перепассивация по пленочной теории объясняется изменением состава и структуры поверхностного оксида в результате образования ионов более высокой валентности, что может привести к нарушению сплошности пленки. Защитное действие пленки при этом уменьшается, и снова становится возможным растворение металла, но уже при более положительных потенциалах и в виде ионов с большей валентностью.

Согласно адсорбционной теории наступление пассивного состояния не обязательно связано с образованием полимолекулярной оксидной пленки. Оно может быть также достигнуто за счет торможения процесса растворения, вызванного адсорбированными атомами кислорода. Адсорбированные атомы кислорода пассивируют металл, или создавая на его поверхности сплошной мономолекулярный слой, или блокируя наиболее активные участки поверхности, или изменяя величину скачка потенциала на границе металл - раствор.

Независимо от того, какую из этих теорий считать более справедливой, пассивное состояние должно быть связано с уменьшением скорости анодной реакции. Поэтому предложено определять пассивность как состояние повышенной устойчивости металла (сплава), обусловленное торможением анодного процесса (Н.Д.Томашев).

Следует упомянуть о питтинге и о потенциале питтингообразования j_пит. При потенциале j_пит наблюдается резкий подъем тока, обусловленный крайне локализованным процессом растворения, при котором практически вся поверхность металла остается пассивной, а переход его ионов в раствор происходит при очень высоких плотностях тока в отдельных точках - питтингах (от англ. pit - булавочный укол). Обычно появление питтинга происходит в растворах, содержащих ионы хлора.

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ. БОРЬБА С КОРРОЗИЕЙ.

Коррозией называется процесс самопроизвольного разрушения металлов под влиянием внешней среды.

В зависимости от характера разрушений различают сплошную коррозию, захватывающую всю поверхность металла, и местную, локализующуюся на определенных участках. Очаги разрушения в случае местной коррозии могут иметь вид пятен (пятнистая коррозия) или точек (питтинговая коррозия). Они могут захватывать зерна только одного из компонентов металлического сплава (избирательная коррозия), проходить через все зерна в виде узких трещин (транскристаллитная коррозия) или сосредоточиваться по границам зерен(интеркристаллитная коррозия).

Скорость и характер коррозии определяются прежде всего природой металла и окружающей его среды. Металлы в зависимости от скорости коррозии в данной среде разделяют на устойчивые и неустойчивые. На основе того, с какой скоростью данная среда разрушает металл, ее определяют как агрессивную или неагрессивную в коррозионном отношении. Корродируют, как правило, металлы (черные и цветные), встречающиеся в природе не в самородном состоянии, а как соответствующие минералы и руды.

Различают коррозию химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия наблюдается при воздействии на металл различных веществ (жидкостей-неэлектролитов и газов) при высоких температурах. Таково окисление железа в воздухе при высоких температурах с образованием окалины.

Исключительно большое распространение имеет электрохимическая коррозия, т.к. часто протекает со значительной скоростью при обычной температуре, когда химическая коррозия почти не проявляется. Электрохимическая коррозия возникает при соприкосновении металла (сплава) с электропроводящей жидкостью (почвенной водой, водой в паровых котлах, различными реакционными средами, главным образом в химической промышленности).

Достаточно присутствия тонкой пленки жидкости на поверхности металла, чтобы электрохимическая коррозия стала возможной. Этот тип коррозии характеризуется возникновением электрических токов между различными участками металла (передвижение электронов), являющихся следствием электрохимических реакций на отдельных участках поверхности соприкосновения металла с электролитом.

Растворение металла в кислотах также можно считать электрохимической коррозией. Рассмотрим растворение Zn в кислоте:

Zn + 2H⁺ ® Zn²⁺ + H_2.

Это уравнение отражает суммарный процесс. При опускании Zn в раствор протекают одновременно два различных параллельных (хотя и сопряжённых) электрохимических процесса:

Zn (мет) + nH₂O ® Zn²⁺× nH₂O (раствор) + 2e

2H₃O⁺ + 2e ® 2H₂O + H₂,

поэтому саморастворение цинка в кислотах не следует рассматривать как химическую реакцию вытеснения цинком водорода (элементарные акты различны).

Так как коррозия сопровождается уводом электронов с поверхности металлов, она может происходить не только под действием разряжающихся ионов гидроксония, а может быть результатом действия любых окислителей, являющихся акцепторами электронов. Например, саморастворение металлов сильно ускоряется в присутствии в растворе кислорода воздуха, так как на поверхности металла протекает реакция:

1/2 O₂ + 2e + H₂O ® 2OH^-,

причём эта реакция протекает при более положительном потенциале, чем разряд ионов гидроксония.

Для объяснения коррозии Де-ла-Рив в 1830 году выдвинул идею локальных (местных) элементов, возникающих на поверхности металлов, погружённых в жидкость. Например, в случае контакта меди и железа образуется накоротко замкнутый элемент, растворимым полюсом которого является железо, так как электроны переходят от железа к меди. При контакте металлов электроны переходят от более электроотрицательного металла к более электроположительному, вследствие чего первый будет растворяться, а на втором будут разряжаться ионы гидроксония или восстанавливаться растворённый кислород. Это случай так называемой контактной коррозии. Такого типа коррозия может возникать и на одном металле в местах, подвергшихся различной обработке или при наличии различных инородных включений, особенно металлических. В этом случае образуются своеобразные микроэлементы, замкнутые через основной металл, работа которых приводит к усилению обычной коррозии.

Реальное существование местных микроэлементов было доказано экспериментально Г.В.Акимовым. Он показал, что разности потенциалов между отдельными частями поверхности обычно равны нескольким милливольтам.

Было установлено, что коррозия возникает самопроизвольно и на однородной поверхности, поэтому нельзя связывать её только с действием локальных или местных элементов. Наличие этих элементов лишь усиливает коррозию.

А.Н.Фрумкин развил электрохимическую теорию коррозии металлов; он показал, что электрохимические реакции, обусловливающие коррозию (переход ионов металла в раствор и реакция восстановления водорода или другого окислителя - деполяризатора, например кислорода), могут протекать при одном и том же потенциале на одном и том же участке поверхности металла. Проведённые расчёты потенциала свидетельствуют о весьма малом различии между отдельными участками поверхности металла.

Проблему защиты от коррозии нельзя решать, не учитывая связи коррозии с пассивностью. Если коррозия является процессом самопроизвольного растворения металлов, то пассивирование связано с потерей металлом этой способности. Следовательно, для предохранения металла от коррозии необходимо перевести его в пассивное состояние.

Некоторые металлы пассивируются в окислительных средах, например железо в концентрированных азотной и серной кислотах. Поэтому эти кислоты хранят в железных цистернах. Железо, никель, кобальт и магний пассивны и в щелочных растворах.

Устойчивыми к коррозии являются нержавеющие стали, содержащие кроме железа, хром, никель, марганец и малые добавки титана и ниобия. На изделиях из таких сплавов под действием воздуха и воды возникает химически и механически прочная окисная плёнка, которая полностью пассивирует металл.

Если при растворении металла (например, свинца в серной кислоте) образуются нерастворимые продукты, то они, отлагаясь на поверхности, могут тормозить или совсем предотвратить коррозию. Такого рода пассивирование можно назвать механическим в отличие от химического, связанного с химической адсорбцией кислорода.

Действие одних и тех же веществ может, в зависимости от внешних условий и природы металла, и ускорять, и замедлять коррозию. Присутствие в растворе кислорода воздуха часто увеличивает коррозию вследствие электровосстановления кислорода: O₂ + 4e + 2H₂O ® 4OH^-, в процессе которого электроны уходят из металла, и ионы последнего переходят в раствор. Если же легко образуется окисная плёнка или при коррозии появляются нерастворимые продукты, то кислород может не ускорять, а замедлять коррозию (например, коррозию алюминия и цинка на воздухе).

В нейтральных и щелочных растворах коррозия наблюдается в меньшей степени не только потому, что в этих растворах меньше концентрация иона гидроксония, но и потому, что в них легче образуются пассивирующие плёнки основного характера.

Ионы хлора, брома и йода, как правило, являются депассиваторами нержавеющих сталей и хрома в кислых и нейтральных средах, а никеля и железа - в щелочных. Следовательно, эти ионы способствуют коррозии.

В последнее время широкое применение в качестве замедлителей (ингибиторов) коррозии получили различные хорошо адсорбирующиеся вещества, часто органические соединения. Адсорбируясь на поверхности металла, эти вещества могут существенно снижать скорость электрохимических реакций, вызывающих коррозию. Ионы галогенов в кислых растворах способствуют адсорбции ряда органических соединений (преимущественно азотсодержащих органических оснований) на поверхности железа и мягких сталей и, следовательно, усиливают замедляющее действие ингибиторов.

Защитный антикоррозионный слой часто создают путём нанесения сплошного слоя устойчивой краски или другого металла. В последнем случае лучшим защитным действием будет обладать менее благородный металл, например железо лучше покрывать цинком, а не медью. Объясняется это тем, что при местных нарушениях покрытия коррозии будет подвергаться наименее благородный металл, так как в месте нарушения сплошной плёнки возникает элемент, в котором электроны переходят от менее благородного металла к более благородному, вследствие чего первый будет растворяться. Это явление широко используют для защиты от коррозии водопроводных труб, паровых котлов и вообще металлических конструкций. Их приводят в соприкосновение с полосами менее благородного металла и тем самым прекращают коррозию основного металла.

В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью. Любой метод защиты изменяет ход коррозионного процесса, либо уменьшая скорость, либо прекращая его полностью. Все методы защиты условно делятся на четыре группы:

1. Электрические методы.

2. Методы, связанные с изменением свойств корродирующего металла.

3. Методы, связанные с изменением свойств коррозионной среды.

4. Комбинированные методы.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 1011