Что такое электрохимическая коррозия металлов


Коррозия металлов. Виды коррозии металлов

Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией. Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.

Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

  • Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
  • Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
  • Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Виды коррозии металлов

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:

  1. Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
  2. Неравномерная
  3. Избирательная
  4. Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
  5. Язвенная (или питтинг)
  6. Точечная
  7. Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
  8. Растрескивающая
  9. Подповерхностная

 

Основные виды коррозии

 

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить  два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия металлов

Химическая коррозия металлов  — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь. Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить  электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

 

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

 

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

 

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла

α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок),

где Vок — объем образовавшегося оксида

VМе — объем металла, израсходованный на образование оксида

Мок – молярная масса образовавшегося оксида

ρМе – плотность металла

n – число атомов металла

AMe — атомная масса металла

ρок — плотность образовавшегося оксида

 

Оксидные пленки, у которых α < 1, не являются сплошными и сквозь них  кислород легко проникает к поверхности металла. Такие пленки не защищают металл от коррозии. Они образуются при окислении кислородом щелочных и щелочно-земельных металлов (исключая бериллий).

Оксидные пленки, у которых  1 < α < 2,5 являются сплошными и способны защитить металл от коррозии.

При значениях α > 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.

 

Ниже представлены значения α для некоторых оксидов металлов

металлоксидαметаллоксидα
KK2O0,45ZnZnO1,55
NaNa2O0,55AgAg2O1,58
LiLi2O0,59ZrZrO21.60
CaCaO0,63NiNiO1,65
SrSrO0,66BeBeO1,67
BaBaO0,73CuCu2O1,67
MgMgO0,79CuCuO1,74
PbPbO1,15TiTi2O31,76
CdCdO1,21CrCr2O3 2,07
AlAl2­O21,28FeFe2O32,14
SnSnO21,33WWO33,35
NiNiO1,52

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс  разрушения металлов в среде различных электролитов, котор

16.8: Электрохимическая коррозия - Chemistry LibreTexts

Цели обучения

Убедитесь, что вы полностью понимаете следующие важные идеи. Особенно важно знать точные значения всех выделенных терминов в контексте этой темы.

  • Электрохимическая коррозия металлов происходит, когда электроны от атомов на поверхности металла переносятся на подходящий акцептор электронов или деполяризатор . Должна присутствовать вода, чтобы служить средой для переноса ионов.
  • Наиболее распространенными деполяризаторами являются кислород, кислоты и катионы менее активных металлов.
  • Поскольку электроны проходят через сам металлический объект, анодная и катодная области (две половины электрохимической ячейки) могут находиться на большом расстоянии друг от друга.
  • Анодные области имеют тенденцию развиваться в местах, где металл подвергается напряжению или защищен от кислорода.
  • Контакт с другим металлом, прямой или косвенный, может привести к коррозии более активного металла.
  • Коррозию стали можно предотвратить путем цинкования , то есть путем покрытия его цинком, более активным металлом, растворение которого оставляет отрицательный заряд на металле, который препятствует дальнейшему растворению Fe 2+ .
  • Катодная защита с использованием внешнего источника напряжения широко используется для защиты подземных сооружений, таких как резервуары, трубопроводы и опоры. Источником может быть расходуемый анод из цинка или алюминия, либо сетевой, либо фотоэлектрический источник питания.

Коррозию можно определить как повреждение материалов химическими процессами. Из них наиболее важной на сегодняшний день является электрохимическая коррозия металлов, в которой процесс окисления M → M + + e - облегчается наличием подходящего акцептора электронов, иногда называемого в коррозионной науке как . деполяризатор.

В некотором смысле коррозию можно рассматривать как спонтанное возвращение металлов в свои руды; Огромное количество энергии, потребляемой при добыче, очистке и производстве металлов в полезные объекты, рассеивается множеством различных путей.Экономические аспекты коррозии намного важнее, чем думает большинство людей; ориентировочная стоимость коррозии только в США составила 276 миллиардов долларов в год. Из этой суммы около 121 миллиарда долларов было потрачено на борьбу с коррозией, а разница в 155 миллиардов долларов осталась чистой убытком для экономики. Коммунальные предприятия, особенно системы питьевого водоснабжения и канализации, несут наибольший экономический ущерб, за которыми следуют автомобили и транспорт.

Ячейки коррозии и реакции

Особенностью большинства процессов коррозии является то, что стадии окисления и восстановления происходят в разных местах металла.Это возможно, потому что металлы являются проводящими, поэтому электроны могут течь через металл от анодной области к катодной (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Присутствие воды необходимо для переноса ионов к металлу и от него, но может быть достаточно тонкой пленки адсорбированной влаги.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Коррозия - это двухэтапный процесс. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Электрохимическая коррозия железа. Коррозия часто начинается в месте (1), где металл находится под напряжением (на изгибе или сварке) или изолирован от воздуха (где два куска металла соединяются или находятся под неплотно приставшей пленкой краски.) Ионы металлов растворяются в пленке влаги, а электроны мигрируют в другое место (2), где они захватываются деполяризатором . Кислород - самый распространенный деполяризатор; образующиеся гидроксид-ионы реагируют с Fe 2+ с образованием смеси водных оксидов железа, известной как ржавчина . (CC BY 3.0 Unported; Стивен Лоуэр)

Коррозионная система может рассматриваться как короткозамкнутый электрохимический элемент, в котором анодный процесс примерно равен

\ [\ ce {Fe (s) \ rightarrow Fe ^ {2 +} (aq) + 2 e ^ {-}} \ label {1.{-}} \ rightarrow \ ce {M (s)} \ label {1.7.2c} \]

где \ (\ ce {M} \) - металл.

Какие части металла служат анодами и катодами, может зависеть от многих факторов, как видно из обычно наблюдаемых нерегулярных структур коррозии. Атомы в областях, которые подверглись напряжению, которое может быть получено при формовании или механической обработке, часто имеют более высокую свободную энергию и, следовательно, имеют тенденцию становиться анодными.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Принципиальная схема коррозионных ячеек на железе.(CC BY-NSA-NC; анонимно по запросу)

Если одна часть металлического объекта защищена от атмосферы так, что \ (\ ce {O2} \) недостаточно для создания или поддержания оксидной пленки, это "защищает «регион часто будет местом, где коррозия наиболее активна. Тот факт, что такие места обычно скрыты от глаз, во многом объясняет трудности обнаружения и контроля коррозии.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Питтинговая коррозия. Большинство металлов покрыто тонкой оксидной пленкой, которая препятствует анодному растворению.Когда происходит коррозия, иногда в металле образовывается узкое отверстие или ямка. Дно этих ямок, как правило, лишено кислорода, что способствует дальнейшему росту ямок в металле. (CC BY 3.0 Unported; Стивен Лоуэр)

В отличие от анодных участков, которые имеют тенденцию локализоваться в определенных областях поверхности, катодная часть процесса может происходить практически где угодно. Поскольку оксиды металлов обычно являются полупроводниками, большинство оксидных покрытий не препятствуют потоку электронов к поверхности, поэтому почти любая область, которая подвергается воздействию \ (\ ce {O2} \) или какого-либо другого акцептора электронов, может действовать как катод.Тенденция участков, лишенных кислорода, становиться анодными, является причиной многих часто наблюдаемых видов коррозии.

Ржавые пятна от автомобилей и ванных комнат

Любой, кто владел старым автомобилем, видел коррозию на стыках между частями кузова и под пленкой краски. Вы также заметили, что как только начинается коррозия, она начинает питаться сама собой. Одна из причин этого заключается в том, что одним из продуктов реакции восстановления O 2 является ион гидроксида. Высокий pH, возникающий в этих катодных областях, имеет тенденцию разрушать защитную оксидную пленку и может даже смягчить или ослабить пленки краски, так что эти участки могут стать анодными.Большее количество электронов способствует более интенсивному катодному действию, которое порождает еще больше анодных участков и так далее.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Ржавый автомобиль. Сильно проржавевшие половицы Chrysler New Yorker 1990 года выпуска. Автомобиль был поврежден до такой степени, что управлять им стало небезопасно. Под ржавым участком между двумя отверстиями были две тормозные магистрали (Public Domain; Bige1977 через Википедию).

Очень распространенной причиной коррозии является контакт двух разнородных металлов, что может произойти рядом с крепежом или в сварном шве.Влага собирается в точке соединения, действуя как электролит и образуя ячейку, в которой два металла служат электродами. Влага и проводящие соли на внешних поверхностях обеспечивают внешний токопроводящий путь, эффективно замыкая элемент накоротко и вызывая очень быструю коррозию; Вот почему автомобили так быстро ржавеют в местах, где на дорогах кладут соль для растапливания льда.

Коррозия разнородных металлов может возникнуть, даже если два металла изначально не находятся в прямом контакте. Например, в домах, где для водопровода используются медные трубы, в воде всегда присутствует небольшое количество растворенного \ (\ ce {Cu ^ {2 +}} \).{3 +}} \) соли, выпадающие в осадок в виде зеленоватых пятен.

Контроль коррозии

Поскольку для возникновения коррозии должны иметь место как катодный, так и анодный этапы, предотвращение любого из них остановит коррозию. Наиболее очевидная стратегия - остановить оба процесса, нанеся на объект краску или другое защитное покрытие. Даже если это будет сделано, вероятно, останутся места, где покрытие сломано или не проникает, особенно если есть отверстия или резьба. Более сложный подход - приложить к металлу небольшой отрицательный заряд, что затруднит протекание реакции:

\ [\ ce {M -> M ^ {2+} + 2 e ^ {-}}.\]

Метод защиты 1: Жертвенные покрытия

Один из способов обеспечения этого отрицательного заряда - нанесение покрытия из более активного металла. Таким образом, очень распространенный способ защиты стали от коррозии - покрытие ее тонким слоем цинка; Этот процесс известен как цинкование. Цинковое покрытие, которое менее благородно, чем железо, имеет тенденцию к избирательной коррозии. Растворение этого жертвенного покрытия оставляет после себя электроны, которые концентрируются в железе, делая его катодным и таким образом препятствуя его растворению.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Жертвенные покрытия (CC BY 3.0 Unported; Стивен Лоуэр)

Эффект металлизации железа менее активным металлом обеспечивает интересный контраст. Обычная луженая банка (справа) - хороший тому пример. Пока оловянное покрытие остается неповрежденным, все в порядке, но воздействие влажной атмосферы даже на небольшую часть лежащего под ним железа вызывает коррозию. Электроны, высвобождаемые из железа, перетекают в олово, делая его более анодным, поэтому теперь олово активно способствует коррозии железа! Вы, наверное, наблюдали, как жестяные банки очень быстро разрушаются, когда их оставляют на открытом воздухе.

Метод защиты 2: катодная защита

Более сложная стратегия состоит в том, чтобы поддерживать постоянный отрицательный электрический заряд на металле, чтобы предотвратить его растворение в виде положительных ионов. Поскольку вся поверхность приводится в катодное состояние, этот метод известен как катодная защита . Источником электронов может быть внешний источник постоянного тока (обычно используемый для защиты нефтепроводов и других подземных сооружений), или это может быть коррозия другого, более активного металла, такого как кусок цинка или алюминия, закопанный в землю поблизости. , как показано на рисунке ниже закопанного резервуара для хранения пропана.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Катодная защита (CC BY 3.0 Unported; Стивен Лоуэр) .

Измерения электрохимической коррозии - Гальваническая коррозия

Обзор электрохимических основ коррозии

Большая часть коррозии металлов происходит в результате электрохимических реакций на границе раздела между металлом и раствором электролита. Например, тонкая пленка влаги на поверхности металла образует электролит для атмосферной коррозии. Второй пример - это когда влажный бетон является электролитом для коррозии арматурных стержней в мостах. Хотя большая часть коррозии происходит в воде, коррозия в неводных системах известна.

Коррозия обычно происходит со скоростью, определяемой равновесием противоположных электрохимических реакций. Одна из реакций - это анодная реакция, в которой металл окисляется, высвобождая электроны в металл. Другой - катодная реакция, в которой частицы раствора (часто O 2 или H + ) восстанавливаются, удаляя электроны из металла. Когда эти две реакции находятся в равновесии, поток электронов от каждой реакции уравновешен, и чистый поток электронов (электрический ток) не возникает

.

Коррозия как электрохимический процесс

Кусок голого железа, оставленный снаружи, где он подвергается воздействию влаги, быстро заржавеет. Это произойдет еще быстрее, если влажность будет соленой. Скорость коррозии увеличивается за счет электрохимического процесса, в котором капля воды становится гальваническим элементом, контактирующим с металлом, окисляя железо.

Рассматривая набросок капли воды (после Эббинга), окисляющее железо поставляет электроны на краю капли для восстановления кислорода из воздуха.Поверхность железа внутри капли действует как анод для процесса

Fe (s) -> + Fe 2+ (водн.) + 2e -

Электроны могут перемещаться через металлическое железо к внешней стороне капли, где

O 2 (г) + 2H 2 O (л) + 4e - -> 4OH - (водн.)

Внутри капли ионы гидроксида могут двигаться внутрь, чтобы вступить в реакцию с ионами железа (II), перемещающимися из области окисления.Выпадает гидроксид железа (II).

Fe 2+ (водн.) + 2OH - (водн.) -> Fe (OH) 2 (s)

При окислении осадка быстро образуется ржавчина.

4Fe (OH) 2 (s) + O 2 (g) -> 2Fe 2 O 3 • H 2 O (s) + 2H 2 O (l)

Ржавчина незащищенного железа в присутствии воздуха и воды тогда неизбежна, потому что это вызвано электрохимическим процессом.Однако другие электрохимические процессы могут предложить некоторую защиту от коррозии. Ведь магниевые стержни могут использоваться для защиты подземных стальных труб с помощью процесса, называемого катодной защитой.

.

Приборы для электрохимических испытаний на коррозию

английский
  • Английский
  • Португальский
  • Китайский
  • О нас
    • Жизнь и времена
    • Наша команда
  • Поддержка
    • Техническая поддержка
    • Обновления программного обеспечения
    • Руководства
    • Курсы и обучение
    • Обратиться в службу поддержки
    • Справка по фреймворку
    • Часто задаваемые вопросы
    • Системное обеспечение
  • ресурса
    • Замечания по применению
    • Вебинары и живые демонстрации
    • Видеотека
    • Официальные документы
    • Калькуляторы
    • База данных литературы
    • Электрохимические методы
  • Свяжитесь с нами
    • Продажи
    • Международные продажи
    • Лабораторный курс по электрохимии
    • Поговорите с электрохимиком
  • Вход для клиентов
  • Магазинные принадлежности
Поиск по нашему сайту
  • потенциостаты
    • Просмотреть все потенциостаты
    • Интерфейс 1010E
    • Интерфейс 1010B
    • Интерфейс 1010T
    • Интерфейс 5000E
    • Интерфейс 5000P
    • Артикул 600+
    • Ссылка 3000
    • Ссылка 3000 со вспомогательным электрометром
    • Ссылка 30k Booster
    • Бипотенциостат
    • EIS Box
  • Многоканальный потенциостат
  • Кварцевые микровесы
    • QCM-i - QCM-D - eQCM
  • Программное обеспечение DigiElch
  • Электрохимические ячейки и аксессуары
    • Ячейки электрохимические
    • Электроды
    • Принадлежности для инструментов
    • Кабели Gamry
    • Спектро- и фотоэлектрохимия
    • Тестирование солнечных батарей с красителем
Меню Закрыть

Приложения

  • Приложения
  • Электрохимическая коррозия
  • Оборудование для тестирования аккумуляторов
  • Биологическая электрохимия
  • Фотогальваника
.

Смотрите также