Главная страница
Навигация по странице:

Ок-вос и эл-хим. Окислительновосстановительные и электрохимические процессы Окислительновосстановительные реакции



Скачать 1.23 Mb.
Название Окислительновосстановительные и электрохимические процессы Окислительновосстановительные реакции
Анкор Ок-вос и эл-хим.doc
Дата 12.04.2017
Размер 1.23 Mb.
Формат файла doc
Имя файла Ок-вос и эл-хим.doc
Тип Глава
#630
страница 5 из 6
1   2   3   4   5   6

Первый закон Фарадея: количество вещества, превращенного на электроде при электролизе, пропорционально количеству электричества, прошедшего через электролит.

Второй закон Фарадея: массы веществ, испытавших превращения на электродах при прохождении одного и того же количества электричества, относятся между собой как молярные массы их эквивалентов.

Оба закона могут быть объединены в следующей формуле:

, (8.18)

где m – масса, г; I – сила тока, А; Мэк(В) – молярная масса эквивалента вещества В в окислительно-восстановительной реакции; t – время, с; F– постоянная Фарадея, 96484,56 Кл.моль-1.

Постоянная Фарадея соответствует количеству электричества, необходимому для превращения 1 моль эквивалентов вещества, или иначе постоянная Фарадея есть количество электричества, соответствующее 1 моль электронов:

F = e. NA,

где е – заряд электрона; NA – постоянная Авогадро.

При электролизе нередко наблюдаются отклонения от законов Фарадея, что связано с протеканием вторичных или параллельных реакций, а также с явлением перенапряжения. Отношение массы продукта, реально полученного при электролизе, к массе, вычисленной по формуле (8.18), носит название выхода по току.

Пример 8.11. В растворе находится 0,1 моль HgCl2 и 0,2 моль CuCl2. Какие вещества и в каком количестве выделятся на угольных электродах, если через раствор пропускать ток силой 10 А в течение 1 часа?

Решение. Определяем количество протекающего электричества:

Q = It = 103600 = 36000 Кл.

Согласно законам Фарадея, при прохождении количества электричества, равного F (96500), выделится 1 моль (эквивалентов) вещества.

Находим количество моль (эквивалентов) каждого катиона: для ртути получим 0,2 моль эквивалентов (0,12 = 0,2), для меди – 0,4 моль эквивалентов (0,22 =0,4).

Порядок выделения на электродах определяется рядом активности металлов (стандартными электродными потенциалами).

В ряду активности ртуть стоит правее меди: у нее φ0 = 0,85 В, а у меди φ0 = 0,34 В, поэтому сначала будет выделяться ртуть, а затем медь.

На выделение 0,2 моль эквивалентов ртути понадобится 19300 Кл (965000,2 =19300), остальные 16700 Кл (3600 – 19300 = =16700) пойдут на выделение меди.

Это количество электричества может выделить 0,173 моль (эквивалентов) меди (16700/96500 =0,173).

Таким образом, пропущенный ток выделит полностью 0,2 моль (эквивалента) ртути и 0,173 моль (эквивалента) меди, всего 0,373 моль (эквивалентов).

Следовательно, столько же моль (эквивалентов) хлора выделится на аноде. В пересчете на массу это составит







Пример 8.12. При рафинировании меди ток силой 50 А выделяет за 10 часов 550 г меди. Вычислить выход меди по току.

Решение. Выход по току определяем как отношение количества вещества, полученного в данных условиях электролиза (m1), к количеству, теоретически вычисленному на основании закона Фарадея (m):

.

Через электролит пропущено количество электричества

Q = It = 50106060 = 1800000 Кл.

Молярная масса эквивалентов меди

Мэк(Cu) = 64/2 = 32 г/моль.

Согласно закону Фарадея, рассчитанное количество электричества должно выделить массу меди



В действительности же выделилось m1 = 550 г. Отсюда выход меди по току составит

.

Теоретически процесс электролиза должен протекать при разности потенциалов на электродах, превышающих ЭДС соответствующего гальванического элемента на бесконечно малую величину. Однако вследствие катодной поляризации потенциал катода становится более отрицательным, а из-за анодной поляризации потенциал анода становится более положительным, чем электродные потенциалы соответствующего гальванического элемента. Поэтому электролиз протекает обычно при разности потенциалов, превышающей разность потенциалов соответствующего гальванического элемента. Минимальная разность потенциалов, необходимая для осуществления процесса электролиза, называется потенциалом разложения. Разность между потенциалом разложения и ЭДС соответствующего гальванического элемента называется перенапряжением при электролизе.

Перенапряжение при электролизе снижает выход по току, т.е. КПД процесса. Снизить перенапряжение при электролизе можно уменьшением сопротивления электродов и электролита, повышением температуры, уменьшением расстояния между электродами, увеличением поверхности электродов, увеличением концентрации реагентов, уменьшением силы тока, перемешиванием, а также применением электродов-катализаторов.

Пример 8.13. Какие процессы будут протекать при электролизе сульфата марганца (II) с графитовыми катодом и анодом?

Решение. На катоде возможно протекание следующих реакций:

1)

2)

3)

Концентрация ионов водорода в нейтральном растворе очень мала, поэтому процесс (2) во внимание не принимают. Перенапряжение выделения водорода на графитовом электроде составляет 0,65 В. С учетом перенапряжения величина электродного потенциала для процесса (3) составит -1,079В (-0,414 – 0,65 =-1,079). Следовательно, на катоде будет происходить выделение водорода.

На аноде возможны следующие реакции:

1)

2)

Перенапряжение выделения кислорода на графитовом электроде составляет 1,17 В. С учетом перенапряжения величина электродного потенциала для процесса (5) составит 1,998 В (0,828 + 1,17 = 1,998). Следовательно, на катоде будет происходить выделение кислорода.

Последовательность электродных процессов. Если в электролите присутствуют несколько видов частиц, то возможно протекание нескольких электродных реакций.

На катоде, в первую очередь, протекает процесс восстановления наиболее сильного окислителя, т.е. окислителя с наиболее положительным потенциалом. Последовательность восстановления окислителей можно оценить на основе значений стандартных восстановительных потенциалов соединений. Однако следует помнить, что стандартные восстановительные потенциалы относятся к вполне определенным условиям и к тому же потенциалы разложения отличаются от электродных потенциалов на величину перенапряжения при электролизе, которая является функцией многих переменных. Например, целый ряд окислителей (Pb2+, Sn2+, Ni2+ , Co2+ и др.) имеют отрицательные значения стандартных восстановительных потенциалов, т.е. являются более слабыми окислителями, чем Н+. Тем не менее из-за более высокого перенапряжения выделения водорода ионы этих металлов могут восстанавливаться при электролизе водных растворов до ионов водорода и выделяться на катоде.

На аноде, в первую очередь, протекает процесс окисления наиболее сильного восстановителя, т.е. восстановителя с наиболее отрицательным потенциалом. Если материал анода имеет потенциал более отрицательный, чем потенциал окисления гидроксид-ионов до свободного кислорода, то происходит растворение анода и эта разновидность электролиза называется электролизом с растворимым анодом. В качестве нерастворимых анодов используют материалы с большими положительными восстановительными потенциалами (Pt, Au, C) или металлы с высокими значениями анодной поляризации (Ta, Ti, Fe в щелочной среде и др.). При определении последовательности окисления восстановителей на аноде следует учитывать ранее рассмотренные факторы.

Рассмотрим некоторые примеры процессов электролиза.

Электролиз расплава хлорида натрия. Электролизу подвергается расплав хлорида натрия с добавлением хлорида кальция. Это позволяет понизить температуру плавления NaCl с 804 до 600оС и тем самым снизить расход энергии. В процессе электролиза на электродах протекают следующие реакции:

катод: 2 Na+ +2e- → 2Na(ж),

анод: 2Cl- -2e- → Cl2(г).

Электролитическое получение алюминия. Исходным соединением является Al­2O3. Оксид алюминия плавится при 2050оС. Поэтому электролизу подвергают раствор Al­2O3 в расплавленном криолите (Na3[AlF6]) при 950оС. В качестве материала анода используют графитовые стержни, а катодом служит железо, из которого изготавливается электролизная ванна. На электродах протекают следующие реакции:

катод: Al3+ +3e- → Al,

анод: C + 2O2- -4e- → CO2.

Материал анода в процессе электролиза расходуется.

Электролиз водного раствора хлорида натрия. В растворе присутствуют ионы Na+, H3O+, Cl- и ОН-. На катоде возможно протекание одного из трех процессов:

1) Na+ + e- → Na, ;

2) 2H3O+ +2e- → 2H2 + H2O, ;

3) 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- ,

Наибольшее значение восстановительного потенциала отвечает второй реакции, однако из-за малой концентрации ионов гидроксония в растворе реально протекает третья реакция и на катоде выделяется водород.

На аноде возможны процессы:

1) 2Cl → Cl2 +2e- , ;

2) 2H2O → O2 + 4H+ +4e-,

Потенциал второй реакции меньше, но перенапряжение этого процесса значительно больше, чем первой реакции, и по этой причине на аноде выделяется хлор. В результате электролиза в растворе накапливаются ионы натрия и гидроксид-ионы, поэтому продуктами процесса будут водород, хлор и гидроксид натрия.

Электролитическое рафинирование металлов. Многие металлы, получаемые химическим восстановлением природных минералов, подвергаются электролитическому рафинированию (очистке) в целях получения металлов высокой чистоты. Обычно используют электролиз с растворимыми анодами.

Черновая медь содержит в значительных количествах примеси Au, Ag, Se, Fe, Te, Ni, Zn и др. В процессе электролиза на аноде происходит растворение меди и металлов с меньшими восстановительными потенциалами, чем у меди (Zn, Ni, Fe и др.). Элементы с большими восстановительными потенциалами, чем у меди (Au, Ag, Se, Te и др.), не растворяются и образуют осадок (шлам). На катоде при напряжении, соответствующем потенциалу выделения меди, происходит осаждение чистой меди, а металлы с меньшими восстановительными потенциалами остаются в растворе.

Пример 8.14. Какие металлы перейдут в шлам при рафинировании меди электролизом, если медный анод содержит примеси Ni, Fe, Pb, Ag и Au?

Решение. При рафинировании анодом служит очищаемый металл. На аноде растворяются основной металл и примеси, потенциал которых отрицательнее потенциала основного металла.

Значения стандартных потенциалов вышеперечисленных металлов следующие:


Металл

Сu2+/Cu

Ni2+/Ni

Fe2+/Fe

Pb2+/Pb

Ag+/Ag

Au+/Au



0,34 В

-0,25 В

-0,44 В

-0,13 В

0,80 В

1,69 В


Следовательно, на аноде будут растворяться Fe, Ni, Pb, Cu. Примеси, имеющие более положительный потенциал, чем у меди, выпадают из анода в виде шлама, т.е. в виде частиц металла.

В растворе оказались ионы Cu2+, Ni2+, Fe2+ и Pb2+. На катоде (-) в первую очередь будет осаждаться металл с более положительным потенциалом, т.е. медь.

Таким образом, на катоде будет осаждаться чистая медь, серебро и золото перейдут в шлам, а никель, железо и свинец перейдут в раствор в виде ионов.

Помимо получения металлов и ряда неметаллов (F2, Cl2, H2) электролиз используется в производстве многих химических соединений (MnO2, KMnO4, Na2S2O8, H2O2 и др.) для нанесения металлических покрытий (меднение, никелирование, хромирование и т.д.) и для электрохимической обработки металлов и сплавов.
8.3.2.1. Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки
1. Сформулируйте законы Фарадея. Запишите аналитическое выражение законов.
2. Через раствор сульфата некоторого металла пропускали ток силой 6 А в течение 45 мин, в результате чего на катоде выделилось 5,49 г металла. Вычислите молярную массу эквивалентов металла.

Ответ: 32,7 г/моль.
3. Через водный раствор сульфата натрия пропускают ток силой 5 А в течение 2 ч. Какая масса воды подвергнется превращению?

Ответ:3,36 г.

4. Через раствор сульфата кадмия пропускали ток силой 10 А в течение 1 часа. Найдите массу выделившегося кадмия, если выход по току составляет 90 %.

Ответ:18,87 г.
5. При электролизе водного раствора нитрата меди током силой 6 А в течение 30 мин выделилось 3,38 г меди. Определите выход по току для меди.

Ответ: 94,9 %.
6. Какие вещества образуются при электролизе раствора хлорида железа (II) с угольными электродами?

7. Какие процессы будут протекать при электролизе раствора серной кислоты с графитовым катодом и платиновым анодом? Перенапряжение выделения водорода на графите- 0,65 В, кислорода на платине -0,7 В.
8. Какими факторами определяется последовательность восстановления окислителей на катоде и окисления восстановителей на аноде?
9. Укажите последовательность восстановления катионов при постепенном повышении напряжения на электродах в растворе, содержащем следующие ионы: Pb2+, Fe3+, Ni2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Hg2+.
10. При электролизе водных растворов каких солей на катоде выделяется металл: а) CuSO4; б) K2SO4; в) CaSO4; г) AgNO3?
11. При электролизе водных растворов каких солей у анода окисляется вода:а) KCl; б) K2S; в) NaNO3; г) Na2SO4?
12. Опишите химические процессы, протекающие при электролизе расплава хлорида натрия.
13. Опишите химические процессы, протекающие при электролитическом получении алюминия.
14. Опишите химические процессы, протекающие при электролизе водного раствора хлорида натрия.
15. Опишите химические процессы, протекающие при электролитической очистке меди.

8.3.2.2. Задания для текущих и промежуточных контролей.


  1. Какое количество воды разложится при пропускании через раствор сульфата натрия тока силой 5 А в течение 2 часов?

Ответ: 3,36 г.


  1. Сколько времени потребуется для разложения 1 моль воды током силой 5 А?

Ответ: 38600 с.


  1. Какое количество металла выделится на катоде при протекании через раствор сульфата никеля в течение 10 мин постоянного тока силой 5 А?

Ответ: 0,912 г.


  1. Какое количество электричества необходимо для выделения (н.у.) 0,112 л водорода при электролизе водного раствора сульфата натрия?

Ответ: 965 Кл.


  1. Определите массу выделенной на катоде меди, если через раствор хлорида меди пропускать ток силой 3 А в течение 6 часов.

Ответ: 21,3 г.


  1. Какой объем водорода, измеренный при нормальных условиях, выделится на катоде при пропускании через раствор хлорида натрия тока 5 А в течение 1 часа?

Ответ: 2,1 л.


  1. Сколько времени нужно пропускать ток силой 2 А через 0,1н раствор сульфата никеля, чтобы полностью выделить никель из 500 мл раствора? Выход по току равен 90 %.

Ответ: 2680 с.


  1. Сколько граммов цинка выделилось на катоде при электролизе водного раствора сульфата цинка, если на аноде выделилось 250 мл кислорода, измеренного при нормальных условиях? Выход по току цинка составляет 80 %.

Ответ: 1,168 г.


  1. Вычислите количество хлора, выделившееся на аноде при пропускании тока силой 3 А в течение 6 часов.

Ответ: 0,336 моль.


  1. Какова была сила тока при электролизе, если за 50 минут выделилась вся медь из 120 мл 0,4н раствора сульфата меди?

Ответ: 1,54 А.


  1. Вычислите объем выделившегося на аноде кислорода, если через разбавленный раствор серной кислоты проходил ток силой 5 А в течение 1 часа.

Ответ: 1,045 л.


  1. Определите количество гидроксида натрия, которое образуется при электролизе водного раствора хлорида натрия при пропускании через электролит тока силой 3 А в течение 24 часов.

Ответ: 2,69 моль.


  1. Сколько времени потребуется для разложения 1 моль расплава хлорида натрия током силой 2 А?

Ответ: 48250 с.


  1. Вычислите массу разложившейся воды, если ток силой 5 А пропускали в течение 1 часа через разбавленный раствор серной кислоты.

Ответ: 1,68 г.


  1. Какое количество электричества необходимо пропустить через водные растворы хлорида железа (II) и хлорида железа (III), чтобы на катоде выделилось одинаковая масса (m) железа?

Ответ: 3446 m Кл; 5169 m Кл.


  1. Сколько граммов цинка выделится на катоде при электролизе водного раствора сульфата цинка, если через раствор пропускать ток силой 5 А в течение 20 минут?

Ответ: 2,03 г.


  1. Какое количество электричества надо пропустить через водный раствор хлорида натрия, чтобы получить 1 кг гидроксида натрия?

Ответ: 2412500 Кл.


  1. При электролизе водного раствора сульфата хрома (Cr2(SO4)3) током силой 1 А масса катода возросла на 10 г. Какое количество электричества и в течение какого времени было пропущено?

Ответ: 55673 Кл; 55673 с.


  1. Сколько времени пропускали ток силой 8 А через водный раствор сульфата никеля, если масса никелевого анода уменьшилась на 0,8805 г?

Ответ: 362 с.


  1. Через водный раствор хлорида натрия пропускали ток силой 15 А в течение 16 минут. Сколько граммов гидроксида натрия образовалось у катода?

Ответ: 6 г.

  1. Через водный раствор сульфата натрия пропускали ток в течение 2 часов, в результате чего выделилось 2 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Вычислите силу тока.

Ответ: 2,39 А.


  1. Через водный раствор сульфата некоторого металла пропускали ток силой 6 А в течение 45 минут, в результате чего на катоде выделилось 5,49 г металла. Найдите молярную массу эквивалента металла.

Ответ:32,7 г/моль.


  1. При электролизе водного раствора сульфата меди на аноде выделилось 420 мл газа (н.у.). Вычислите количество и массу вещества, выделившегося на катоде.

Ответ: 0,0375 моль или 2,38 г.


  1. Сколько времени пропускали через водный раствор щелочи ток силой 3 А, если при этом выделилось 2,24 л кислорода, измеренного при нормальных условиях?

Ответ: 12867 с.


  1. Какие вещества и в каком количестве (г) выделяются на электродах, если через водный раствор нитрата серебра пропускали ток силой 2 А в течение 4 часов? Оба электрода выполнены из серебра.

Ответ: 32,2 г серебра; 2,39 г кислорода.



  1. Вычислите молярную массу эквивалентов железа, если при прохождении через раствор соли железа тока силой 5 А в течение 5,36 часа выделилось 27,9 г железа.

Ответ: 27,9 г/моль.


  1. Какие вещества и в каком количестве (г) образуются при пропускании тока силой 6 А в течение 1 часа через водный раствор гидроксида калия? Оба электрода угольные.

Ответ: 0,224 г водорода; 1,791 г кислорода.

  1. Какие вещества и в каком количестве выделяются при пропускании 48250 Кл электричества через водный раствор хлорида магния? Оба электрода угольные.

Ответ: 0,5 моль(экв) хлора или 17,75 г; 0,5 моль (экв) водорода или 1 г.


  1. Сколько времени пропускали ток силой 10 А через водный раствор щелочи, если при этом было получено 8,4 л водорода, измеренного при нормальных условиях?

Ответ: 7240 с.


  1. Через водные растворы сульфата никеля и сульфата свинца пропускали одно и то же количество электричества. На одном из катодов выделилось 25,9 г свинца. Сколько граммов никеля выделилось на другом катоде? Какой газ и в каком объеме (н.у.) выделился на каждом из анодов?

Ответ: 7,34 г никеля; 1,4 л кислорода.



      1. Коррозия


Рабочая программа. Коррозия. Виды коррозии. Химическая коррозия. Электрохимическая коррозия. Способы защиты от коррозии: легирование металлов, защитные покрытия, протекторная и катодная защита, ингибиторы, водоподготовка.

Коррозия – процесс самопроизвольного разрушения материалов в результате взаимодействия с окружающей средой. Коррозии подвергается абсолютное большинство используемых в настоящее время материалов. Это связано с тем, что в условиях атмосферы Земли (кислород, влага, температура) большинство естественных и искусственных материалов являются термодинамически неустойчивыми, т.е. для реакций материалов с компонентами атмосферы изменение энергии Гиббса ΔrG<0.

Основной материал современной цивилизации – железо, поэтому наибольший практический интерес представляет коррозия железа и его сплавов. По некоторым оценкам ежегодно в результате коррозии теряется до 1–1,5 % металла, накопленного человечеством. Прямой и косвенный ежегодный ущерб от коррозии составляет многие десятки и сотни миллиардов долларов.

Коррозия металлов подразделяется на химическую и электрохимическую. Химическая коррозия имеет место в средах, не проводящих электрический ток, и состоит в прямом химическом взаимодействии металла с реагентами окружающей среды.

Электрохимическая коррозия протекает в проводящих средах и включает в себя анодные и катодные процессы. Электрохимическая коррозия может протекать не только в среде растворов электролитов, но в среде влажного воздуха.


Поверхность металла (рис.8.6), находящегося во влажном воздухе, адсорбирует влагу из атмосферы и покрывается тонкой пленкой воды, содержащей атмосферные газы (О2, СО2, SO2 и др.) и, следовательно, обладающей заметной ионной проводимостью. Ионы металла переходят в раствор, образуется двойной электрический слой и разность потенциалов. Если в контакте находятся два различных металла, то возникает гальванический элемент, работа которого приводит к разрушению материала анода. Роль второго металла могут выполнять микрокристаллы примесей, содержащихся в основном металле. Так, железо и его сплавы практически всегда содержат различные соединения железа с углеродом (например, Fe3C – цементит). Кристаллы железа исполняют роль анода, на котором протекает реакция

Fe – 2e- → Fe2+,

а кристаллы цементита – роль катода, на котором идет процесс восстановления растворенного кислорода воздуха

О2 + Н2О + 4е- → 4ОН-.

Далее возможно протекание побочных процессов:

Fe2+ +2OH- → Fe(OH)2;

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3.

Микроскопические кристаллы железа и примесей образуют огромное количество гальванических элементов, работа которых будет сопровождаться разрушением металла и образованием ржавчины xFeO.yFe2O3.zH2O. Рыхлый слой ржавчины не предохраняет металл от дальнейшей коррозии, и процесс идет до полного разрушения материала.

Реакция восстановления кислорода протекает по приведенной выше схеме в щелочной или нейтральной среде. В кислой среде восстановление кислорода идёт по схеме

О2 + 4Н+ + 4е-→ 2Н2О

и сопровождается выделением водорода

+ + 2е- → Н2.

Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода, или коррозией с кислородной деполяризацией. Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода, или коррозией с водородной деполяризацией.

Коррозия металлов иногда сопровождается образованием тонкой и плотной пленки соединений, защищающей его от дальнейшего разрушения. Это явление носит название пассивации и характерно для алюминия, хрома, кадмия, титана и др. Вещества, благоприятствующие образованию защитной пленки, носят название пассиваторов. Например, фосфорная кислота, гидрофосфаты, серная кислота с концентрацией выше 93 % являются пассиваторами железа.

Напротив, вещества, ускоряющие коррозию, называются активаторами коррозии, например, хлорид-ионы являются активаторами коррозии железа.

Защита металлов от коррозии имеет большое значение, т.к. позволяет сэкономить огромные средства в результате продления срока службы изделий и сооружений, предотвращения простоев оборудования и аварий. Известно большое количество методов антикоррозионной защиты; важнейшие из них рассмотрены ниже.

Легирование металлов заключается во введении в металл добавок, повышающих устойчивость металлов к коррозии. В качестве легирующих добавок к железу используют хром, никель, молибден, вольфрам и др. Легирование железа позволяет получать на поверхности металла плотную пассивную пленку с высокими защитными свойствами. Метод дает надежную защиту, но является дорогостоящим.

Защитные покрытия обеспечивают изоляцию металла от внешней среды и таким образом препятствуют протеканию коррозии. Покрытия делятся на металлические и неметаллические.

В качестве неметаллических покрытий используют разнообразные органические и неорганические материалы. К органическим покрытиям относятся лаки, краски, пластмассы, каучуки, битум, асфальт. Неметаллические покрытия экономичны, обладают высокими защитными свойствами, их можно восстанавливать в процессе эксплуатации. Надежность этого способа определяется прочностью и долговечностью покрытия. Неорганические покрытия состоят из окисных, фосфатных, хроматных, фторидных и других сложных неорганических соединений. Распространено эмалирование, т.е. нанесение на поверхность металла при высокой температуре (500–1400оС) смеси оксидов кремния, бора, алюминия и др., в результате чего образуется стекло, обладающее очень высокой коррозионной устойчивостью. Недостатком эмалей является хрупкость.

Металлические покрытия в зависимости от величины электродного потенциала по отношению к потенциалу защищаемого металла делятся на анодные и катодные.

Покрытие называется анодным, если его электродный потенциал имеет меньшее значение, чем защищаемый металл, например цинковое покрытие на железе. При нарушении анодного покрытия защищаемый металл будет катодом и, следовательно, разрушению будет подвергаться материал покрытия.

Если электродный потенциал покрытия больше, чем потенциал защищаемого металла, то покрытие называется катодным, например покрытие железа оловом, медью. При нарушении катодного покрытия защищаемый металл будет играть роль анода и, следовательно, его разрушение ускорится. Тем не менее, катодные покрытия широко используют, т.к. они позволяют придать защищаемому металлу более высокие физико-механические или иные свойства.

В водоподготовке для получения защитных покрытий используют также адсорбцию растворённых веществ, например октадециламина C18H37NH2 поверхностью защищаемых изделий. Полярная аминогруппа NH2 молекулы октадециламина взаимодействует с поверхностью металла, а углеводородный радикал C18H37 образует инертную плёнку, обеспечивающую надёжную изоляцию от коррозионно-активных агентов.

Протекторная защита состоит в присоединении к защищаемому изделию металла с меньшим значением электродного потенциала, например магния или цинка. Образуется гальванический элемент, в котором металл изделия играет роль катода и, следовательно, будет защищен от электрохимической коррозии до полного разрушения протектора.

Катодная защита заключается в присоединении защищаемого изделия к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, т.е. изделие становится катодом. Положительный полюс присоединяют к вспомогательному электроду, играющему роль анода. Материал анода разрушается, а защищаемое изделие надежно предохраняется от коррозии. Метод широко используется для защиты изделий, находящихся в средах с высокой ионной проводимостью, например подземных трубопроводов, резервуаров, железнодорожных рельсов и т.п.

Ингибирование коррозионной среды заключается во введении в раствор, находящийся в контакте с защищаемым изделием, ингибиторов, т.е. веществ, понижающих скорость коррозии. Ингибиторы используют в тех случаях, когда изделие находится в контакте с одной и той же жидкостью длительное время, например в отопительных системах, парогенераторах, системах охлаждении и т.д. Известно огромное количество веществ, обладающих свойствами ингибиторов. Так, в теплоэнергетике в качестве ингибиторов коррозии внутренних поверхностей нагрева котлов, теплообменных аппаратов и трубопроводов используют уротропин N4(CH2)4, тиомочевину CS(NH2)2, тиосульфат натрия Na2S2O3, формальдегид НСНО, фосфаты, хроматы и др.

В некоторых случаях для предохранения от коррозии внутренних поверхностей изделий, находящихся длительное время в контакте с постоянной газовой средой, используют газообразные, или легколетучие ингибиторы.

Водоподготовка. Наличие в теплоносителе кислорода, углекислого газа, аммиака, хлорид-ионов, нитрит-ионов резко сокращает срок работы энергетических установок вследствие ускорения коррозии. Удаление кислорода и других газов посредством деаэрации и ионных примесей методами ионного обмена позволяет резко уменьшить скорость коррозии теплоэнергетического оборудования.

В борьбе с коррозией эффективны и такие нехимические методы, как термическая обработка металлов и рациональное конструирование, с помощью которых устраняют уязвимые для коррозии места конструкций и исключают неблагоприятные контакты разнородных металлов.

Пример 8.15. Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении покрытия? Составить уравнения анодного и катодного процессов.

Решение. Стандартные восстановительные потенциалы имеют следующие значения:=-0,44 В,=-0,14 B, =-0,76 В.

Из сравнения потенциалов делаем вывод, что луженое покрытие является катодным, а оцинкованное – анодным. При нарушении целостности покрытия в первом случае будет разрушаться железо, а во втором – цинк. Уравнения электродных процессов будут следующие:

  1. анод: Fe – 2e- = Fe2+,

катод: 1/2О2 + Н2О + 2е- = 2ОН-;

  1. анод: Zn – 2e- = Zn2+ ,

катод: 1/2О2 + Н2О+ 2е- = 2ОН-.

8.3.3.1. Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки
1. Опишите механизм электрохимической коррозии железа.
2. Объясните, почему используемая в теплоэнергетике в качестве теплоносителя и рабочего тела вода должна содержать минимальное количество растворённого кислорода?
3. Объясните, почему используемая в теплоэнергетике в качестве теплоносителя и рабочего тела вода должна содержать минимальное количество растворённого углекислого газа?

4.. Питательная вода котлов должна иметь Как повлияет на коррозию оборудования отклонения от нормативных значений рН?

5. Для уменьшения коррозии в теплоноситель (вода) вводят аммиак. Объясните влияние добавки на скорость коррозии оборудования.

6. Для уменьшения коррозии в теплоноситель (вода) вводят гидразин (N2H4). Объясните влияние добавки на скорость коррозии оборудования.
8.3.3.2. Лабораторная работа №6

Коррозия и защита металлов
Цель работы: ознакомление с процессами, протекающими при электрохимической коррозии металлов, и методами защиты от неё.

1   2   3   4   5   6
написать администратору сайта