КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 7Следующая ⇒

Коррозией называется окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов при их химическом, электрохимическом или биохимическом взаимодействии с окружающей средой. Причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость чистых металлов. «Corrosio» означает разъедание. Разрушение материала истиранием относится к процессу эрозии.

По механизму процессы коррозии делятся нахимические и электрохимические.

При химической коррозии металл взаимодействует со средой, не проводящей электрический ток. Передача электронов от атома металла к окислителю происходит при их непосредственном контакте за один акт без разделения на стадии. Например, коррозия в сухих газах Н₂, О₂, NO₂, SO₂, H₂S, Cl₂и др. Это – газовая коррозия. Так, кислород взаимодействует с металлом, образуя на его поверхности оксидную пленку. С повышением температуры скорость коррозии возрастает. Например, железо при 300 С тускнеет на воздухе, образуя оксидную пленку, а при температуре около 600 С возникает слой окалины, т.е. толстый слой оксидной пленки.

Более опасна водородная коррозия. Водород растворяется в металле, при этом он атомизируется. Атомы водорода подвижнее его молекул, и поэтому проникают в глубинные слои металла, взаимодействуя с карбидом железа Fe₃C – источником прочности стали. Сталь обезуглероживается, при этом ухудшается ее прочностные свойства. Углерод карбида железа, соединяясь с водородом, образует метан, который нерастворим в металле. Образовавшиеся пузырьки метана испытывают огромное давление, металл из-за них становится хрупким. Это так называемое водородное охрупчивание. Таким образом, при водородной коррозии может наблюдаться потеря прочности, вследствие умягчения стали и возникновения ее хрупкости.

Коррозия в присутствии кислорода, например атмосферного, разрушает металл с поверхности, превращая его в оксидную пленку. Лишь у некоторых металлов (Zn, Al, Cr и некоторых других) эта пленка защищает их от дальнейшей коррозии. Газовая коррозия протекает в сухих газах или в присутствии воды, но при температуре выше температуры ее конденсации, т.е. когда вода находится в виде пара.

Другой разновидностью химической коррозии является коррозия является коррозия в неэлектролитах, когда коррозионно-агрессивный агент, например, сероводород, растворен в углеводородах, что может иметь место в моторном масле. Но даже в присутствии в неэлектролитах следов влаги механизм коррозии будет уже нехимической.

Электрохимическая коррозия протекает по законам электрохимии при наличии всех ее необходимых условий, т.е. электролита, катода и анода. По сути, эта работа гальванического элемента, сопровождаемая химическими изменениями веществ и выделением электрического тока или тока коррозии.

Электрохимическая коррозия подразделяется на следующие разновидности: коррозия в электролитах, атмосферная коррозия, грунтовая, морская, электрическая.

Катодом служит какая-либо примесь в металле, например карбид железа Fe₃C, анодом – любой прилегающий участок железа. На анодном участке железо окисляется Fe = Fe²⁺ + 2e, а свободные электроны движутся к катоду, где они присоединяются к ионам водорода

2Н⁺ + 2е = Н₂↑

При этом свободный водород выделяется в виде пузырьков.

Пример. В железной конструкции содержатся детали из меди. Составьте схему процесса коррозии в растворе соляной кислоты. Как отразится контакт железа с медью на процессе коррозии?

Решение. При контакте железа с медью, т.е. металлов, отличающихся по активности, в присутствии электролита возникает короткозамкнутый гальванический элемент, в котором железо, как более активный металл ϕ ⁰_Cu²⁺/_Cu=0, 34 Bявляется катодом. Схему гальванического элемента можно записать в виде

(-) Fe | HCl | Cu(+)

Схему протекания электрохимической коррозии можно представить электронными уравнениями

А (-) Fe – 2е = Fe²⁺

К (+) 2Н⁺ + 2е = Н₂

В наибольшей мере металлы разрушаются от атмосферной коррозии. Необходимым условием ее возникновения является наличие воды и кислорода. Основной причиной атмосферной коррозии является неравномерная аэрация поверхности металла. Участки, где кислорода меньше, являются анодными; участки, где его больше – катодными. Схема возникновения и развития атмосферной коррозии на участке железа с неравномерной аэрацией – неравномерным контактом атмосферы с поверхностью металла.

Атмосферный кислород достигает поверхности трещины или зазора в металле позднее, чем основной поверхности металла. Взаимодействуя с металлом, кислород образует оксид, т.е. пассивную пленку, которая является катодом, а участок металла, до которого не успел дойти кислород, - анодом. Возникает гальванический элемент, и металл поверхности трещины начинает окисляться. В этом месте образуется каверна, которая разрастается. Ионы железа, взаимодействуя с водой, превращаются в гидроксид железа (II) – первичный продукт коррозии

Fe²⁺ + 2ОН^- = Fe(OH)₂,

А ионы водорода восстанавливаются до свободного водорода. В избытке кислорода гидроксид железа (II) превращается в гидроксид железа (III):

4Fe(OH)₂ + O₂+ 2H₂O = 4Fe(OH)₃.

Смесь Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ называется ржавчиной. Оксидная формула ржавчины имеет вид nFeO*mFe₂O₃*pH₂O.

Разновидностью атмосферной коррозии являются грунтовая и морская коррозия.

Для предотвращения больших потерь от коррозии применяются различные методы для ее ослабления:

защита путем изменения коррозионной среды;

неметаллические покрытия;

металлические покрытия;

легирование металлов;

электрохимическая защита.

Скорость процессов коррозии может быть существенно уменьшена введением в коррозионную среду ингибиторов (замедлителей) коррозии. К числу ингибиторов относятся многие вещества неорганического или органического характера, например, нитриты и нитраты, хроматы, альдегиды, гетероорганические соединения и другие. Ингибиторы вводятся в среду в малых количествах, порядка долей процента, при этом скорость коррозии уменьшается в сотни и тысячи раз. Если вводить ингибитор, например в кислоту, то она не изменяет своих свойств по отношению к разным химическим соединениям, но теряет свою агрессивность по отношению к металлам. Это происходит вследствие того, что ингибиторы адсорбируются на поверхности металла, образуя тонкие пленки, которые выводят из строя коррозионные микрогальванопары, препятствуя протеканию электродных процессов.

Неметаллические покрытия делятся на неорганические и органические. К неорганическим покрытиям относятся оксидные и фосфатные пленки на железе. При кипячении железа в растворах солей фосфорной кислоты (обычно солей железа и марганца) получают фосфатные пленки, хорошо защищающие от коррозии в атмосфере.

Широко распространены органические покрытия, например, лаки, краски, консервационные смазки.

При защите металлов другими металлами различают анодные и катодные покрытия. Анодное покрытие обладает более отрицательным электродным потенциалом, чем защищаемый металл, и при образовании гальванопары служит анодом, т.е. разрушается, выполняя защитную функцию. К катодным относятся покрытия с противоположным соотношением в свойствах металлов, например, железо луженое или покрытое медью. В этом случае покрытие выполняет изолирующую функцию до тех пор, пока оно не разрушено. Если целостность катодного покрытия нарушается, то возникает гальванический элемент, работа которого сводится к разрушению защищаемого металла.

Для защиты металловот наиболее распространенного и вредного вида химической коррозии – газовой коррозии – используют жаростойкое легирование, т.е. введение в состав сплава компонентов, повышающих жаростойкость. Единой теории, объясняющей механизм этого вида защиты, не существует. Две из трех наиболее обоснованных теорий объясняют механизм этого вида защиты образованием защитных пленок легирующим металлом.

Электрохимическая защита подразделяется на протекторную и катодную. При протекторной защите защищаемая конструкция находится в среде электролита (вода, грунт).

Для протекторной защиты используется специальный электрод – протектор с более отрицательным потенциалом, чем потенциал защищаемой конструкции.

В других методах, называемых катодной защитой, аналогичный результат достигается присоединением металла к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока. Защитное действие осуществляется благодаря повышению концентрации электронов в поверхностном слое металла, что затрудняет его растворение.

Газы и жидкости

Законы идеального газа

Состояние газа можно охарактеризовать тремя параметрами: температурой, давлением и объемом.

Единицей измерения термодинамической температуры Тв Международной системе единиц СИ является 1 кельвин (К). Для выражения результатов практических измерений температуры tприменяется градус Цельсия (º С) – единица температуры Международной практической температурной шкалы:

1 градус Цельсия (º С) = 1 К.

Температура по Международной термодинамической и Международной практической шкалам может быть выравнена как в градусах Цельсия, так и Кельвина. Соотношение между данными шкалами выражается уравнением Т =t+273, 15, или Т ≈ t+273.

Давление газа р в системе СИ выражается в паскалях. Паскаль – это давление, при котором на площадь 1 м² действует сила в один ньютон (1Н):

р = 1Н/1 м² = Н/м² = 1 Па (паскаль).

В качестве единицы объема в системе Си принят кубический метр (м³). Допускается применение дольных и кратных единиц (дм³, см³, мм³). В химии в качестве единицы объема используется литр (л):

л = 1, 000028 дм³ = 1, 000028 ∙ 10^-3м³.

При вычислениях с точностью до четвертого знака можно считать, что 1 л ≈ 1 дм³≈ 1 ∙ 10^-3м³.

Температура 0º С (273 К) и давление 101 325 Па характеризуют нормальные условия для газа (н. у.). Объем, занимаемый газом при этих условиях, обозначают через υ ₀.

В производственных условиях довольно часто приходится иметь дело с газами, находящимися при низких давлениях и высоких температурах. В этом случае при расчетах без больших погрешностей можно использовать простые закономерности, установленные для идеальных газов.

Для данной ассы газа при постоянной температуре произведение давления (р) на объем (υ ) есть величина постоянная (закон Бойля – Мариотта), или при постоянной температуре объемы данной массы газа обратно пропорциональны давлениям, под которыми находится газ:

р₁/ р₂ = υ ₂ / υ ₁.

Плотность газа ρ и его концентрации С при постоянной температуре прямо пропорционально давлениям:

ρ ₁/ ρ ₂= р₁/ р₂,

С₁/ С₂= р₁/ р₂.

При постоянном давлении объемы данной массы газа прямо пропорциональны абсолютным температурам (закон Гей-Люссака). При постоянном объеме давления данной массы газа прямо пропорционально абсолютным температурам (закон Шарля):

υ ₁/ Т₁= υ ₂ / Т₂ = υ ₃ / Т₃;

р₁ / Т₁= р₂ / Т₂ = р₃ / Т₃.

Плотности и концентрации газа, находящегося под постоянным давлением, изменяются обратно пропорционально абсолютным температурам:

ρ ₁/ ρ ₂= Т₂ / Т₁,

С₁ / С₂ = Т₂ / Т₁.

Пример 1. Газ под давлением 1, 2 ∙ 10⁵Па занимает объем 4, 5 л. Каково будет давление если, не изменяя температуры, увеличить объем до 0, 0055 м³?

Р е ш е н и е. Дано:

р₁ = 1, 2 ∙ 10⁵Па Используем формулу закона

υ ₁= 4, 5 л = 4, 5 ∙ 10^-3м³Бойля – Мариотта

υ ₂= 0, 0055 м³р₁/ р₂= υ ₂/ υ ₁, откуда

t = const р₂= р₁υ ₁/ υ ₂

р₂= = 9, 8 ∙ 10⁴Па

Пример 2. При 37º С объем газа равен 0, 5 м³. Какой объем займет газ при 100º С, если давление останется постоянным?

Р е ш е н и е. Определяем объем газа, применяя закон Гей-Люссака:

υ ₂= υ ₁Т₂ / Т₁.

В градусах термодинамической шкалы температура равна:

Т₁= 37 + 273 = 310К, Т₂= 100 + 273 = 373 К,

υ ₂= = 0, 60 м³.

Пример 3. При н. у. концентрация метана равна 0, 0447 кмоль/м³. Вычислить, при какой температуре и нормальном давлении масса 10 м³ метана будет равна 8 кг?

Р е ш е н и е. Определяем Т :

Т = С₀Т₀/ С ; Т₀ = 273 К.

Число киломолей метана равна 8/16 = 0, 5, а концентрация С = 0, 5/10 = 0, 05 кмоль/м³;

Т = 0, 0447 ∙ 273 / 0, 05 = 244 К; t = 244 – 273 = -29º С.

ЗАДАЧИ

1. В стальном баллоне емкостью 12 л находится кислород под давлением 1, 418 ∙ 10⁷ Па и при 0º С. Какой объем (м³) займет это количество кислорода при н. у.?

2. При н. у. плотность ацетона 1, 16 кг/м³. Определить плотность этого же газа под давлением 1, 216 ∙ 10⁶Па и 0º С.

3. Масса 1 м³воздуха при н. у. 1, 293 кг. Какова масса этого же объема воздуха при 435 Па и 0º С?

4. Под давлением 6, 078 ∙ 10⁵Па 2, 4 кг кислорода занимают объем 3 м³. Вычислить давление, при котором концентрация кислорода равна 0, 1 кмоль/м³. Температура постоянная.

5. При 17º С газ занимает объем 680 м³. Какой объем займет этот газ при 100º С, если давление его остается неизменимым?

6. При 17º С газ занимает объем 68, 25 м³. До какой температуры нужно охладить газ при постоянном давлении, чтобы его объем стал 50, 42 м³?

7. При 17º С давление газа в закрытом сосуде 95 940 Па. На сколько понизится давление, если охладить газ до -50º С?

8. Давление газа в баллоне при 17º С равно 1, 52 ∙ 10⁷Па. При какой температуре оно будет составлять 60% от первоначального?

9. Плотность газообразного хлора при н. у. 3, 124 кг/м³. Вычислить плотность хлора, принимая его за идеальный газ, при 37º С и том же давлении.

10. Плотность оксида углерода при 80º С и нормальном давлении 0, 967 кг/м³. Определить плотность его при н. у.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 Следующая ⇒