Методы защиты металлов от коррозии

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Методы  защиты металлов от коррозии.

Курсовая  работа по специальности «Химия» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                
 
 

 

Содержание. 

1.Введение:

а) химическая коррозия

б) электрохимическая коррозия

2. Обзор литературы.

а) электрохимический  механизм коррозии

б) поляризационные  кривые

в) замедлители (ингибиторы) коррозии

г) плёночная  теория пассивности

3. Методика эксперимента.

4. Результаты  и их обсуждение.

5. Выводы.

6. Литература.

 

Введение. 

Химическая  коррозия. 

  Под коррозией понимают повреждение металла в результате протекающей на его поверхности химической реакции с компонентами среды. В отличие от механического износа коррозия представляет собой химический процесс, в  результате которого атомы металла из металлического состояния переходят в химические соединения.

 По механизму  протекания коррозионного процесса  следует различать два типа  коррозии: химическую коррозию и  электрохимическую коррозию.

 Химическая  коррозия подчиняется основным законам чисто химической кинетики гетерогенных реакций и относится к случаям коррозии, не сопровождающимися возникновением электрического тока (например, коррозия в неэлекторолитах или сухих газах).

 Наиболее  распространенным видом химической  коррозии является газовая коррозия (особенно усиливающаяся при высоких температурах), т. е. процесс взаимодействия с кислородом или активными газовыми средами (галоиды, сернистый газ, сероводород, пары серы, диоксид углерода и т. д.). При газовой коррозии разрушаются такие ответственные узлы и детали, как лопатки газовых турбин, сопла реактивных двигателей, арматура печей.

 В производственных  условиях чаще всего сталкиваются  с окислением металлов, в случае  сплавов на основе железа —  с образованием окалины. Защитные свойства металлов от окисления обусловлены образованием сплошных оксидных пленок на их поверхности. Для обеспечения сплошности пленок необходимо, чтобы объем оксида V_ок был больше объема металла V_мет, из которого он образовался: V_ок / V_мет  > 1. В противном случае получается прерывистая пленка, не способная эффективно защитить металл от коррозии. Такая пленка характерна для магния (V_ок / V_мет = 0,79), что затрудняет защиту сплавов на его основе от коррозии.

 Помимо сплошности, оксидные пленки должны обладать высокими механическими свойствами, хорошо сцепляться с металлом и иметь достаточную толщину, обеспечивающую высокие защитные характеристики. Этим требованиям удовлетворяет пленка оксида хрома Cr₂O₃, что обусловливает высокую устойчивость против коррозии сталей и жаростойких сплавов с высоким содержанием хрома. 

Электрохимическая коррозия. 

   Под электрохимической  коррозией металла подразумевают  разрушение металла, происходящего  в результате электрохимического  взаимодействия внешней среды.  Явление коррозии металла представляет собой протекающую на поверхности электрохимическую гетерогенную реакцию, вследствие которой металл переходит в окисленное (ионное) состояние. Наука о коррозии металлов базируется в основном на двух научных дисциплинах: металловедении и физической химии.   Явление взаимодействия металла с электропроводными растворами – электролитами – существенно отличается от химической коррозии при взаимодействии металла с сухими газами или неэлектролитами.

    Рассмотрим  типичный случай электрохимической коррозии – растворение технического цинка в разбавленной серной кислоте. Общая реакция взаимодействия такова:

                           Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂

т.е. цинк переходит  в раствор, образуя сернокислый  цинк и выделяя в эквивалентном  количестве водород из серной кислоты. Можно показать, что чисто химический подход оказывается недостаточным для объяснения данного процесса. Так кривая коррозия-время, характеризующая растворение цинка в серной кислоте, имеет совершенно другой вид, отличный от подобных кинетических кривых для химической коррозии. В случае химической коррозии при образовании пленок без защитных свойств при полном отсутствии защитных пленок (например, при образовании летучих продуктов газовой коррозии) график имеет прямолинейный характер, а во всех остальных случаях будет иметь параболическая или логарифмическая кривая с выпуклостью, обращенной кверху, что указывает на торможение коррозии во времени. В данном же случае кривая указывает на сильное увеличение скорости по прошествии некоторого отрезка времени (так называемого инкубационного периода коррозии). Явление инкубационного периода нельзя достаточно убедительно объяснить с точки зрения чисто химического механизма коррозии.

    Установлено,  что примеси, накапливающиеся  в виде темной пористой губки на поверхности растворяющегося в кислоте цинка, сильно ускоряют коррозионный процесс. Если снять эту губку – скорость коррозии уменьшится, если снова нанести ее на поверхность цинка – скорость растворения цинка снова увеличится. Кроме того, скорость растворения цинка в кислоте сильно зависит от имеющихся в нем загрязнений, особенно от примесей железа и меди. Простой контакт цинка с другим находящемся в том же растворе металлом, например с железом, медью, платиной, также может сильно увеличить скорость коррозии цинка в кислоте. Все эти факты, необъяснимые с точки зрения чисто химического взаимодействия, получают свое полное истолкование при анализе их на основании электрохимического механизма коррозии. 
 
 
 
 
 

Обзор литературы. 

Электрохимический механизм коррозии. 

   Первое  и основное отличие электрохимического  механизма коррозии от чисто  химического состоит в том,  что общая реакция химического  взаимодействия реагента с металлом  при электрохимической коррозии  разделяют на два в значительной мере самостоятельно протекающих процесса:

1. анодный процесс – переход металла в раствор в виде гидратированных ионов с оставлением эквивалентного количества электронов в металле
2. катодный процесса – ассимиляция появившихся в металле избыточных электронов каким-либо деполяризаторами (атомами, молекулами или ионами раствора, которое могут восстанавливаться на катоде).

   Возможность  такого разделения общей реакции  коррозии является следствием  существования ионов металла  в растворе и свободных электронов  в металле. Наличие электронной проводимости у металлов и ионной проводимости у раствора, позволяет, кроме того, анодным и катодным процессам протекать также и территориально раздельно – на различных участках поверхности раздела металла и раствора. Это условие не обязательно для протекания электрохимического процесса, так как в некоторых условиях коррозии катодные и анодные процессы могут протекать на одной т той же поверхности, чередуясь во времени. Однако пространственное разделение анодной и катодной реакции оказывается энергетически более выгодным, так как анодные т катодные реакции могут локализоваться на тех участках, где их протекание будет более облегчено. Поэтому в большинстве практических случаев протекание электрохимической коррозии обычно характеризуется локализацией анодного и катодного процессов на различных участках, - это второй, важный признак, отличающий электрохимический механизм коррозионного процесса от чисто химического.

   На схеме одного и того же процесса коррозии – взаимодействия металла с кислородом и образования окисла металла – для случая, когда этой процесс протекает с химическим механизмом и когда протекает электрохимическим путем.

    Осуществление  реакции электрохимическим путем  может трактоваться как суммарный  результат работы гальванического элемента. Поэтому механизм и теория процессов электрохимической коррозии в значительной мере основываются на изучении общих законов работы коррозионных гальванических элементов и, в частности, на изучении электродных потенциалов и кинетики электродных реакций. 
 

Возникновение электрических скачков  потенциала на металлах. 

   Возможные  причины возникновения скачков  потенциала на границе фаз  могут быть весьма разнообразными.

   В случае  адсорбции какого-либо поверхностно-активного  вещества на границе двух фаз появляется так называемый адсорбционный скачок потенциала. Механизм образования его состоит в том, что молекулы поверхностно-активного вещества, представляющие собой диполи с положительной и отрицательной группами, адсорбируются поверхностью, например поверхностью воды, одной стороной дипольной молекулы. Правильно выстроенные диполи в результате суммирования их электрических полей дают двойной электрический слой с положительной обкладкой наружу и отрицательной - внутрь. В зависимости от концентраций диполей на поверхности и дипольного момента молекул скачок потенциала может иметь различную величину. Скачок потенциала в двойном слое         Іφ₁ - φ₂І прямо пропорционален плотности диполей, т.е. числу диполей на 1 см²  поверхности (σ) и расстоянию между зарядами в диполе (l), а именно, 

                                                 φ₁ - φ₂ = 4πσ l      

   На границе  металла с вакуумом также устанавливается  скачок потенциала, причем поверхность  металла оказывается заряженной  отрицательно относительно его внутренних слоев. Этот скачок потенциала называется термоионной рабочей функцией. Рабочая функция определяет сродство металла к электрону. Произведение рабочей функции, выраженной в вольтах, на заряд электрона дает работу вырывания электрона из металла, выраженную в электрон-вольтах.

   На границе  с воздухом на металле возникают  скачки потенциала, подобные тем,  которые устанавливаются в вакууме.  Для разных металлов значения  рабочих функций могут сильно  различаться по своей величине.

    На  границе соприкосновения двух металлов устанавливается так называемый контактный потенциал Вольта. Контактный потенциал образуется вследствие перехода электронов от металла с меньшей рабочей функцией (меньшим сродством к электрону) к металлу, для которого термоионная функция (сродство к электрону) больше. Например, при контакте двух металлов А и В в вакууме контактная разность потенциалов будет равна разнице их термоионных функций (рис.).

 

Поляризационные кривые. 

   По степени  смещения потенциала при протекании  тока определенной плотности через электрод (т.е. по степени поляризуемости электрода) мы можем судить о легкости протекания электродного процесса.

   Если  смещение потенциала на единицу  повышения плотности тока (т.е.  поляризуемость электрода) –  небольшое, то это значит, что электродный процесс мало тормозится, протекает почти беспрепятственно. Наоборот, при сильной поляризуемости (большом смещении потенциала при повышении плотности тока на единицу) происходит большое торможение электродного процесса.

   О кинетике электродного процесса мы можем, следовательно судить по зависимости между смещением потенциала электрода и плотностью протекающего через электрод тока. Подобная зависимость потенциала электрода от плотности проходящего тока, выраженная графически, называется поляризационной кривой.

   Крутой  ход поляризационных кривых соответствует  большой поляризуемости электрода  (скорость электродной реакции  мало возрастает при смещении  потенциала). Наоборот, пологий ход  кривых указывает на малую  поляризуемость (электродный процесс идет беспрепятственно).

   Производные  потенциала по плотности тока  представляют истинную поляризуемость катода и анода при данной плотности тока и равна тангенсам угла наклона касательной в данной точке поляризационной кривой.  Обратная величина будет служить мерой легкости протекания электродного процесса и может быть названа истинной эффективностью электродного (катодного и анодного) процесса при данной плотности тока. 

Анодная поляризация.