Теория коррозионных элементов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

«Исследование работы коррозионных элементов»

Цель работы: исследование коррозионной активности пары Cu-Sn, Cu-Cd, Cu-Zn и т.п., определение тока коррозии коррозионного элемента, используя модель коррозионного элемента с электродами макроскопических размеров.

Оборудование: два химических стакана на 200-250 мл., иономер И-130, вольтамперметр, магазин сопротивлений, два хлорсеребряных электрода, солевой мостик, электроды из меди, кадмия и олова.

Реактивы: раствор 0, 5 н. NaCl, насыщенный раствор KCl.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Расчет скорости электрохимической коррозии в теории микроэлементов

Расчет скорости электрохимической коррозии в теории микроэлементов основывается на том, что материальный эффект коррозионного процесса обусловлен протеканием электрического тока между анодными и катодными участками поверхности металла. В соответствии с этим выражение для скорости коррозии может быть получено посредством сочетания закона Ома и Фарадея. Пусть ∆ Е означает разность потенциалов катода и анода, а R — полное омическое сопротивление коррозионного элемента. Сила тока, который протекает между катодом и анодом коррозионной пары, равна по закону Ома

(1)

где ∆ Е — разность потенциалов катода и анода коррозионной пары. Соответствующий этому току материальный расход металла на анодном участке пары

(2)

где Н — электрохимический эквивалент металла.

Следует иметь в виду, что если для расчета скорости коррозии в формулу (1) ввести значение начальной разности потенциалов коррозионной пары, то мы не получим правильного результата. В действительности скорость коррозии будет намного меньше, чем дает такой расчет.

Остановимся несколько подробнее на причинах этого явления. Пусть потенциал катода коррозионной пары в отсутствие приложенного тока будет равен Е⁰_к , а потенциал анода пары при том же условии Е⁰_а . Назовем величину Е⁰_к – Е⁰_а = ∆ Е⁰ разностью потенциалов.

Величина ∆ Е° всегда больше, чем ∆ Е — разность потенциалов работающей пары. Действительно, потенциал катода при замыкании пары вследствие поляризационных изменений становится более отрицательным. В первом приближении зависимость потенциала катода от силы тока можно представить простым линейным выражением

(3)

где р_к означает поляризуемость катода и определяет наклон поляризационной кривой Е⁰_кЕ_к ( рис. 2 ). В свою очередь поляризационные изменения на анодных участках пары приводят к сдвигу потенциала анода:

(4)

Рис.2. Диаграмма коррозионного процесса

где р_а — анодная поляризуемость.

С учетом поляризационных изменений потенциалов катода и анода уравнение для силы тока коррозионного элемента примет вид

(5)

или

(6)

Полученная формула показывает, что поляризуемость анода и катода эквивалентна добавочному сопротивлению. Это сопротивление можно назвать поляризационным сопротивлением. Наличие последнего приводит к тому, что даже в отсутствие омического сопротивления [при R → 0] сила коррозионного тока не может стать бесконечно большой. Формула (6) показывает, что при этом

(7)

где i_max представляет собой максимальную силу тока, какую способен дать замкнутый накоротко коррозионный элемент. Как видно из рис.2, потенциал катода при этом становится равным потенциалу анода и разность потенциалов понижается до нуля.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Приготовление растворов.

Раствор 0, 5 н. NaCl: 29, 25 г NaCl на 1 л H₂O.

Насыщенный раствор KCl: 25 г KCl на 25 мл H₂O.

«Солевой мостик»: В 10%-ом р-ре KCl растворяют 1 г агар-агара при нагревании до кипения. Горячий р-р наливают в П-образную стеклянную трубку. После полного застывания агар-агара «солевой мостик» готов к использованию.

Подготовка электродов.

Электроды перед каждым опытом зачищают наждачной бумагой, промывают дистиллированной водой, высушивают фильтровальной бумагой и затем обезжиривают спиртом.

Методика эксперимента.

Собирают коррозионный элемент: пару Cd – Cu и Sn – Cu. В качестве коррозионной среды служит р-р 0, 5н NaCl. Первоначально коррозионный элемент остаётся разомкнутым и потенциалы его электродов в течение некоторого времени измеряются на иономере до установления стационарного значения (результаты измерений заносят в табл.3 ) Найденные таким путём стационарные значения разомкнутой пары представляют собой Е_к^о и Е_а^о. В дальнейшем коррозионный элемент замыкают на полное сопротивление магазина R. В конечном счёте элемент будет замкнут накоротко на токоизмерительный прибор. В ходе эксперимента выбирают определённую выдержку для каждого отсчёта силы тока и потенциалов обоих электродов, порядка 2 – 3 мин.

Таблица 3

Таблица 4

ПРИМЕР РАСЧЁТОВ

Таблица 3

Таблица 4

Расчёты

Пара Sn – Cu

В i= 2, 5 мкА, R = 100000 Ом

i = 3 мкА, R = 80000 Ом

i = 3 мкА, R = 60000 Ом

i = 5 мкА, R = 40000 Ом

i = 7, 5 мкА, R = 20000 Ом

i = 15 мкА, R = 10000 Ом

i = 50 мкА, R = 1000 Ом

i = 65 мкА, R = 0 Ом

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

«Исследование работы коррозионных элементов»

Реактивы: раствор 0, 5 н. NaCl, насыщенный раствор KCl.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Теория коррозионных элементов

Возникновение коррозионных элементов связано с дифференциацией поверхности металла на участки с более низким потенциалом и более высоким положительным потенциалом. Первые становятся благодаря этому анодными, вторые — катодными, и коррозия протекает с определенной локализацией коррозионных поражений.

В связи с таким распределением поверхности на анодные и катодные зоны схему коррозионного процесса можно представить в таком виде:

Анодная зона: Me = Me⁺ + e

Катодная зона: Ox + e = Red

Эти две самостоятельные стадии процесса коррозии — анодная и катодная, как и прежде, точно сбалансированы, т. е. все электроны, которые освобождаются в результате ионизации металла, должны быть связаны в ходе катодного процесса. Теоретически для данной цели пригодным является любой акцептор электронов, если его потенциал имеет более положительное значение, чем потенциал анодного процесса. На практике приходится встречаться с двумя случаями. В одном их них - электроны связываются в результате разряда водородных ионов, в другом — окислительным агентом, ассимилирующим электроны, служит растворенный кислород.

Таким образом, поверхность корродирующего металла, согласно теории микроэлементов, можно уподобить совокупности большого количества отдельных гальванических пар, замкнутых накоротко. Роль внешней цепи играет сам металл, по которому электроны от анодных участков перетекают к участкам с более положительным местным значением потенциала. В самом электролите происходит перенос ионов: анионы движутся к анодным участкам, катионы — по направлению к катодным участкам. Схема коррозионного процесса, обусловленного работой коррозионных пар, показана на рис. 1.

Рассмотрим ее подробнее. При переходе в раствор ионы металла гидратируются, и освобождающаяся энергия гидратации является движущей силой данного процесса. При переходе каждого иона металла в раствор определенное количество электронов остается в металле. Они перетекают по металлу к катодным участкам, потенциал которых более положителен. Там происходит их связывание частицей окислителя, которая при рассмотрении коррозионных процессов называется катодным деполяризатором D. Схема, приведенная на рис. 1. , подчеркивает пространственное разделение мест, где протекает коррозия (анодных участков), и участков, на которых происходит ассимиляция притекающих электронов. В растворе электролита наблюдается перемещение электрически заряженных частиц — ионов, движущихся к катоду и аноду

Рис.1. Принципиальная схема работы коррозионного элемента

под влиянием электростатического притяжения (миграция) и вследствие разности концентраций (диффузия). Явление диффузионного переноса вещества играет особо существенную роль в развитии коррозионного процесса, когда реакция на катоде протекает при участии электронейтральных молекул кислорода. Так как в результате электрохимического восстановления кислорода на катоде происходит образование ионов гидроксила, согласно реакции O₂ + 2H₂O + 4e ® 4OH^-, раствор возле катодных участков защелачивается. Ионы гидроксила перемещаются по направлению к анодным участкам и, встречая на этом пути катионы металла, образуют осадок нерастворимой гидроокиси — вторичного продукта коррозионного процесса.

Какими же причинами может быть вызвано упомянутое разделение поверхности металла на анодные и катодные участки, приводящее к возникновению коррозионных пар?

Имеются следующие факторы, вызывающие возникновение электрохимической гетерогенности металлической поверхности:

1. Неоднородность металлической фазы. Ее причинами могут быть присутствие металлических и неметаллических включений, расслоение твердого раствора благодаря ликвации, накопление примесей по границам зерен, анизотропия свойств металлических кристалов и т. д. Неоднородность металлической фазы часто вызывает дефекты структуры окисной пленки на поверхности металла или же неравномерное распределение продуктов коррозии. Важную роль играют механические напряжения и деформация металла.

2. Неоднородность жидкой фазы, в которой протекает коррозионный процесс вследствие различия концентрации собственных ионов, рН, неравномерный доступ кислорода или же других окислителей.

3. Различие физических условий, например, температуры, давления, воздействия радиации, внешнего электрического поля.

Коррозионные пары можно классифицировать по их размеру. В этой связи различаются: а) макрокоррозионные пары, когда размеры их электродов достаточно большие (например, образуются при конструктивном сочетании деталей из разнородных металлов); б) микрокоррозионные пары (например, зерно кристалла — его граница).

12 3 Следующая ⇒