«Методы защиты металлов от коррозии» - Гальваническая протекторная защита. Химическая коррозия. Механизм коррозии. Многие металлы при коррозии. Анод разрушается. Укупоривание ржавчины. Фосфатирование. Процесс коррозии. Поражение. Поверхности. Коррозионное растрескивание. Электрохимическая коррозия. Защита от коррозии. Холодное цинкование.
«Коррозия металлов и её виды» - Классификация видов коррозии. Познавательные задачи. Пробирки. Лабораторный опыт. Факторы, провоцирующие процесс коррозии. Коррозия. Процессы протекающие на катоде. Процесс коррозии. Интенсивность коррозии. Способы защиты от коррозии. Примеры защиты металлических изделий. Изобретательская задача. Задачи.
«Коррозия металла» - Зачем нужны металлы? Разрушение металлов и сплавов под воздействием окружающей среды называется коррозией. Физические свойства металлов. Коррозия металлов Способы получения металлов. Электролиз. Металлическая связь. Из двух металлов корродирует более активный. Общие физические свойства металлов. Химические свойства металлов.
«Виды коррозии металлов» - Электрохимический ряд напряжений металлов. Электрохимическая коррозия. Коррозия. Виды защиты от коррозии. Химическая коррозия. Памятники. Ржавая крыса. Способы защиты от коррозии. Виды коррозии. Коррозия металлов. Опасность.
«Процесс коррозии металлов» - Металлы побочных подгрупп. Коррозия металлов. Коррозионные свойства металлов. Коррозия – рыжая крыса, грызет металлический лом. Самопроизвольное разрушение металлов и сплавов. Способы защиты от коррозии. Электрохимическая коррозия. Виды коррозии. Химическая коррозия. Восстановители - металлы. Алюминий.
«Коррозия металлов» - Практический этап. Способы защиты от коррозии. Условия, способствующие электрохимической коррозии. Повышение температуры. Исторический этап. Механизм электрохимической коррозии. Чем активнее металл, тем он больше подвержен коррозии. Факторы, вызывающие коррозию. Корррозия отрицательно влияет на жизнь и здоровье людей.
Всего в теме 9 презентаций
Некоторые металлы в природе могут встречаться в самородном состоянии. Это в основном благородные металлы, например золото. Его извлекают путем механического отмывания от окружающих пород. Однако подавляющее большинство металлов (те, которые находятся в левой части ряда напряжений) находятся в природе в виде соединений.
Природные минералы, содержащие в своем составе металлы и пригодные для промышленного получения металлов, называют рудами. При получении любого металла необходимо:
1) отделить руду от пустой породы;
2) восстановить металл из соединения.
В зависимости от способа получения металл различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.
Пирометаллургия охватывает способы получения металлов из их оксидов. В тех случаях, когда руда представляет собой соль, например сульфид цинка, ее предварительно переводят в оксид:
2ZnS+3O 2 =2ZnO+2SO 2
В качестве восстановителей металлов из их оксидов используют углерод, оксид углерода (II), водород, метан:
Cu 2 O+С=2Cu+СО
Восстановление углем (коксом) проводят обычно тогда, когда получаемые металлы совсем не образуют карбидов или образуют непрочные карбиды; таковы железо и многие цветные металлы.
Восстановление металлов из их соединений другими металлами называют металлотермией. Эти процессы протекают также при высоких температурах. В качестве восстановителей используют алюминий, магний, кальций, натрий, а также кремний.
Если восстановителем является алюминий, то процесс называется алюмотермией, если магний - магнийтермией:
Cr 2 О 3 +2Аl=2Cr+Аl 2 O 3 ТiCl 4 +2Mg=Ti+2MgCl 2
Металлотермией обычно получают те металлы (и их сплавы), которые при восстановлении их оксидов углем образуют карбиды. Это - марганец, хром, титан, молибден, вольфрам и др.
Иногда металлы восстанавливают из оксидов водородом (водородотермия):
МоO 3 +3Н 2 =Мо+3Н 2 О
Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из их солей. В этом случае элемент металла, входящего в состав руды, сначала переводят в растворимую соль с помощью соответствующего реагента и только после этого из раствора непосредственно извлекают металл.
В настоящее время гидрометаллургическим способом добывают такие металлы, как медь, серебро, цинк, уран и др. Многие медные руды содержат оксид меди. Такую руду обрабатывают
разбавленной серной кислотой и переводят в сульфат меди, растворимый в воде:
CuO+H 2 SO 4 =CuSO 4 +Н 2 О
После этого из сульфата меди медь извлекают либо электролизом, либо вытесняют с помощью железа: CuSO 4 +Fe=Cu+FeSO 4
Электрометаллургия охватывает способы получения металлов с помощью электролиза. Этим способом получают главным образом легкие металлы - алюминий, натрий и другие - из их расплавленных оксидов или хлоридов.
Химические и физические свойства металлов определяются атомной структурой и особенностями металлической связи. Все металлы отличаются способностью легко отдавать валентные электроны. В связи с этим металлы проявляют ярко выраженные восстановительные свойства. Степень восстановительной активности металлов отражает ряд напряжений.
Зная положение металла в этом ряду, можно сделать вывод о сравнительной величине энергии, затрачиваемой на отрыв от атома валентных электронов. Чем ближе к началу ряда, тем легче окисляется металл. Наиболее активные металлы вытесняют водород из воды при обычных условиях с образованием щелочи:
2Na+2Н 2 O=2NaOH+H 2
Менее активные металлы вытесняют водород из воды в виде перегретого пара и образуют оксиды:
2Fe+4H 2 O=Fe 3 O 4 +4H 2
Реагируют с разбавленными и бескислородными кислотами, вытесняя из них водород:
Zn+2HCl=ZnCl 2 +H 2
Металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода, не могут вытеснять его из воды и из кислот, а вступают с кислотами-окислителями в окислительно-восстановительные реакции без вытеснения водорода:
Cu+2H 2 SO 4 ( конц ) = CuSO 4 +SO 2 +Н 2 O
Все предшествующие металлы вытесняют последующие за ними в ряду напряжений из их солей: Fe+CuSO 4 =FeSO 4 +Cu
Во всех случаях вступающие в реакции металлы окисляются. Окисление металлов наблюдается и при непосредственном взаимодействии металлов с неметаллами:
2Na+S=Na 2 S 2Fe+3Cl 2 =2FeCl 3
Большинство металлов активно реагируют с кислородом, образуя оксиды разного состава.
Окисление металлов часто приводит к их разрушению. Разрушение металлов под действием окружающей среды называется коррозией. Различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.
Химической коррозией называется разрушение металла окислением его в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе. При этом происходит взаимодействие металла с составными частями среды - с газами и неэлектролитами.
Так, железо на воздухе ржавеет - покрывается тонкой пленкой оксидов (FeO, Fe 2 O 3 или Fe 3 O 4 в зависимости от условий). Еще более энергично происходит окисление железа в присутствии воды:
4Fe+3O 2 +6Н 2 O = 4Fe(OH) 3
С повышением температуры химическая коррозия увеличивается.
Большой вред различным сооружениям приносит коррозия под действием веществ при высоких температурах в технике (в металлургии, сопла ракетных двигателей, в газовых турбинах). Некоторые металлы, например алюминий, при действии на них кислорода или других окислителей (концентрированной HNO 3) образуют защитную пленку, которая препятствует дальнейшему контакту металла с окислителем и предохраняет таким образом металл от дальнейшей коррозии.
Электрохимической коррозией называется разрушение металла в результате возникновения гальванической пары и появления внутри системы электрического тока. Электрохимическая коррозия возникает при контакте двух металлов посредством электролита, электродами при этом являются сами металлы.
При возникновении гальванической пары появляется электрический ток тем большей силы, чем дальше стоят друг от друга металлы в ряду напряжений. При этом поток электронов идет от более активного металла к менее активному; более активный металл в этом случае разрушается (корродирует).
Например, при возникновении гальванической пары цинк - медь корродирует цинк.
Возьмем цинковую и медную пластинки и опустим их в раствор серной кислоты, которая содержится в растворе в виде ионов:
Атомы цинка, отдавая электроны в виде ионов, переходят в раствор:
Zn°-2e - ®Zn +2
Электроны через проводник переходят на медь, а с меди - на ионы водорода:
Н + +e - ®Н°
Водород в виде нейтральных атомов выделяется на медной пластинке, а цинк постепенно растворяется. Таким образом, медь, как бы оттягивая электроны с цинка, заставляет последний быстрее растворяться, т.е.
способствует окислению (см. рис. 25).
Электрохимическая коррозия протекает в присутствии как сильных, так и слабых электролитов, однако в присутствии сильных электролитов скорость коррозии выше.
С точки зрения электрохимической коррозии становится понятным, почему коррозия увеличивается в том случае, если в металле присутствуют примеси. Металл и примесь образуют гальваническую пару, в результате чего разрушается металл. Именно в тех случаях, когда требуется очень высокая химическая устойчивость металлов, добиваются их высокой чистоты.
Вследствие того, что коррозия наносит народному хозяйству огромный ущерб, разрабатываются различные методы защиты от коррозии. В настоящее время применяются следующие основные методы защиты от коррозии.
1. Поверхностное покрытие металлов, которое изолирует металл от внешней среды.
Покрытия могут быть металлические (цинк, медь, никель, хром) и неметаллические (лаки, краски, эмали).
Воронение - это процесс, при котором железо подвергается действию сильных окислителей, в результате чего металл покрывается непроницаемой для газов оксидной пленкой, предохраняющей его от воздействия внешней среды.
2. Создание сплавов, стойких к коррозии, введение в состав стали хрома, марганца, никеля дает возможность получить нержавеющую сталь, находящую широкое применение в промышленности.
Вещества, замедляющие коррозию, а иногда и практически полностью останавливающие ее, называются ингибиторами - замедлителями. Характер действия ингибиторов различен. Они либо создают на поверхности металлов защитную пленку, либо уменьшают агрессивность среды.
Сплавы
Сплавами называют системы, состоящие из двух или более металлов, а также металлов и неметаллов. Свойства сплавов самые разнообразные и отличаются от исходных компонентов. Химическая связь в сплавах металлическая. Поэтому они обладают металлическим блеском, электрической проводимостью и другими свойствами металлов.
Сплавы получают смешением металлов в расплавленном состоянии, они затвердевают при последующем охлаждении. При этом возможны следующие типичные случаи.
1. Металлы смешивают и расплавляют с последующим затвердеванием. При этом составляющие сплав компоненты ограниченно или неограниченно растворяются друг в друге. Сюда относятся металлы, кристаллизующиеся в однотипных решетках и имеющие близкие по размерам атомы, например Ag-Cu, Cu-Ni, Ag-Au и другие. При охлаждении таких расплавов получаются твердые растворы. Кристаллы последних содержат атомы обоих металлов, чем обуславливается их полная однородность. По сравнению с истинными металлами твердые растворы характеризуются более высокой прочностью, твердостью и химической стойкостью; они пластичны и хорошо проводят электрический ток.
2. Расплавленные металлы смешиваются между собой в любых отношениях, однако при охлаждении твердый раствор не образуется. При затвердевании таких сплавов получается масса, состоящая из мельчайших кристалликов каждого из металлов. Это характерно для сплавов Pb-Sn, Bi-Cd, Ag-Pb и др.
3. Расплавленные металлы при смешении взаимодействуют друг с другом, образуя интерметаллиды. Примером могут служить соединения некоторых металлов с сурьмой: Na 3 Sb, Ca 3 Sb 2 , NiSb и т.д.
В настоящее время некоторые сплавы готовят методом порошковой металлургии. Берется смесь металлов в виде порошков, прессуется под большим давлением и спекается при высокой тем-
пературе в восстановительной среде. Таким путем получают сверхтвердые сплавы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
При соприкосновении с окружающей средой многие металлы, а также сплавы на основе металлов могут подвергаться разрушению за счет химического взаимодействия (ОВР с веществами, находящимися в окружающей среде). Такой процесс называется коррозией .
Различают коррозию в газах (газовая коррозия), происходящую при высоких температурах в отсутствии воздействия влаги на поверхности металлов, и электрохимическую коррозию (коррозия в растворах электролитов, а также коррозия во влажной атмосфере). В результате газовой коррозии на поверхности металлов образуются оксидные, сульфидные и т.д. пленки. Этому виду коррозии подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания и т.д.
В результате электрохимической коррозии окисление металла может приводить как к образованию нерастворимых продуктов, так и переходу металла в раствор в виде ионов. Этому типу коррозии подвергаются трубопроводы, находящиеся в земле, подводные части кораблей и т.д.
Любой раствор электролита – водный раствор, а в воде содержатся кислород и водород, способные к восстановлению:
O 2 + 4H + +4e = 2H 2 O (1)
2H + +2e=H 2 (2)
Эти элементы являются окислителями, которые вызывают электрохимическую коррозию.
При написании процессов, происходящих при электрохимической коррозии важно учитывать стандартные электродные потенциалы (ЭП). Так, в нейтральной среде ЭП процесса 1 равен 0,8B, поэтому окислению кислородом подвергаются металлы ЭП которых меньше, чем 0,8B (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до серебра).
ЭП процесса 2 — -0,41В, значит окислению водородом подвергаются только те металлы, потенциал которых ниже, чем -0,41В (металлы, расположенные в ряду активности от его начала до кадмия).
На скорость коррозии большое влияние оказываю примеси, которые может содержать тот или иной металл. Так, если в металле имеются примеси неметаллического характера, а их ЭП выше, чем ЭП металла, то скорость коррозии существенно повышается.
Виды коррозии
Различают несколько видов коррозии: атмосферную (коррозия во влажном воздухе при н.у.), коррозию в грунте, коррозия при неравномерной аэрации (доступ кислорода к разным частям металлического изделия, находящегося в растворе, неодинаков), контактная коррозия (соприкосновение 2х металлов, с разными ЭП в среде, где присутствует влага).
При коррозии на электродах (аноде и катоде) происходят электрохимические реакции, которые можно записать соответствующими уравнениями. Так, в кислой среде электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией, т.е. на катоде выделяется водород (1). В нейтральной среде электрохимическая коррозия протекает с кислородной деполяризацией — на катоде происходит восстановление воды (2).
К (катод) (+):2H + +2e=H 2 — восстановление (1)
А (анод) (-): Me — ne →Me n + – окисление
К (катод) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH — — восстановление (2)
В случае атмосферной коррозии на электродах происходят следующие электрохимические реакции (причем на катоде, в зависимости от среды могут протекать различные процессы):
А (анод) (-): Me→Me n + +ne
К (катод) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH — (в щелочной и нейтральной среде)
К (катод) (+): O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (в кислой среде)
Защита от коррозии
Для защиты от коррозии применяют следующие методы: использование химически стойких сплавов; защита поверхности металлов покрытиями, в качестве которых чаще всего используют металлы, покрывающиеся на воздухе оксидными пленками, устойчивыми к действию внешней среды; обработка коррозионной среды; электрохимические методы (катодная защита, метод протекторов).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Деталь состоит из сплава железа и никеля. Какой металл будет быстрее разрушаться при коррозии? Запишите уравнения анодного и катодного процессов при атмосферной коррозии. Значения стандартных электродных потенциалов E(Fe 2+ /Fe)= — 0,444В, E(Ni 2+ /Ni)= -0,250В. |
| Решение | В первую очередь коррозии подвергаются активные металлы (обладающие самыми отрицательными значениями стандартных электродных потенциалов), в данном случае – это железо.
При взаимодействии металлов с веществами окружающей среды на их поверхности образуются соединения, обладающие совершенно иными свойствами, чем сами металлы. В обычной жизни мы часто повторяем слова «ржавчина››, «ржавление», видя коричнево-желтый налет на изделиях из железа и его сплавах. Виды коррозии1. Химическая коррозия
происходит в не проводящей электрический ток среде. 3 Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связана с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. Такие защитные пленки появляются у Zn, AI, Сг, Ni, Sn, Pb, Nb, Та и др. У железа она рыхлая, пористая, легко отделяется от поверхности и потому не способна защитить металл от дальнейшего разрушения.
Для защиты железа от коррозии используются всевозможные покрытия: краска, слой металла (олова, цинка). При этом краска и олово предохраняют от коррозии до тех пор, пока защитный слой цел. Появление в нем трещин и царапин способствует проникновению влаги и воздуха к поверхности железа, и процесс коррозии возобновляется, причем в случае оловянного покрытия он даже ускоряется, поскольку олово служит катодом в электрохимическом процессе.
К химическим свойствам следует отнести способность металлов сопротивляться окислению или вступать в соединения с различными веществами: кислородом воздуха, влагой (металлы, соединяясь с кислородом и водой, образуют основания (щелочи)), углекислотой, и д.р. Чем лучше металл вступает в соединения с другими элементами, тем легче он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием окружающей среды при обыкновенной температуре называется коррозией металлов . К химическим свойствам металлов относится способность образовывать окалину при нагреве в окислительной атмосфере, а также растворяться в различных химически активных жидкостях: кислотах, щелочах и т.п. Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называются жаростойкими (окалиностойкими). Способность металлов сохранять в условиях высоких температур свою структуру, не размягчаться и не деформироваться под воздействием нагрузки называется жароупорностью. Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяется по изменению веса испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени. Коррозия металлов . Словом «коррозия» (по-латыни – «разъедание») принято обозначать широко известные явления, заключающиеся в ржавлении железа, покрытие меди зеленым слоем окиси и тому подобных изменениях металлов. В результате коррозии металлы частично или полностью разрушаются, качество изделий ухудшается, и они могут оказаться непригодными для использования. Большинство металлов встречается в природе в виде соединений с другими элементами, например, железо – в виде Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeCO 3 , медь – в виде CuFeS 2 , Cu 2 S, алюминий – в виде Al 2 O 3 , и т.д. В результате металлургических процессов устойчивая связь металлов с веществами, имевшаяся в природном состоянии, нарушается, но она восстанавливается в условиях соединения металлов с кислородом и другими элементами. В этом заключается причина возникновения коррозии. Разработка теории коррозии является заслугой русских ученых В.А.Кистяковского, Г.В.Акимова, Н.А.Изгарышева и д.р. по мнению исследователей явлений коррозии, существуют два вида коррозии: электрохимическая и химическая коррозия. Электрохимической коррозией (Рис.13.) называется процесс разрушения металлов при соприкосновении с жидкостями, проводящими электрический ток (электролитами), т.е. с кислотами, щелочами, растворами солей в воде, водой с растворенным в ней воздухом. Происходящие здесь явления подобны тем, которые можно наблюдать в гальваническом элементе. В стали, например, гальванический элемент образует карбид железа и феррит. В электролитах карбид остается неизменным, феррит же растворяется и дает с веществом электролита ржавчину – продукт коррозии. О поведении различных металлов в электролитах можно судить по занимаемому ими месту в ряду напряжений: калий, кальций, магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, кадмий, кобальт, никель, олово, свинец, водород, сурьма, висмут, медь, ртуть, серебро, золото. В приведенном ряду металлы расположены по величине нормального электрического потенциала (т.е. полученного при погружении металла в нормальный раствор его соли) по отношению к водороду. Каждый металл этого ряда в паре с другим в электролитах образует гальванический элемент, причем разрушаться будет тот металл, который в ряду располагается левее. Так, в паре медь – цинке разрушается цинк. Ряд напряжений имеет весьма большое практическое значение: он указывает на опасность располагать в непосредственном соприкосновении разнородные металлы, так как этим создаются условия для образования гальванического элемента и разрушения одного из металлов, левее располагающегося в ряду напряжений. Рис.13.Схема, иллюстрирующая процесс электрохимической коррозии. На одном полюсе растворяется (корродирует) неблагородный металл, на другом – выделяется водород. Химической коррозией называется разрушение металлов и сплавов в сухих газах при высокой температуре и в жидкостях, не имеющих свойств электролитов, например, в масле, бензине, расплавленных солях и д.р. При химической коррозии под действием кислорода воздуха металлы покрываются тончайшим слоем окислов. При химической коррозии металл подвергается не всегда только поверхностному разрушению, но коррозия проникает и в глубину металла, образуя очаги или располагаясь по границам зерен. (пример. Серебряные предметы со временем темнеют, потому что в воздухе содержаться газообразные соединения серы, которые вступают в химическую реакцию с серебром. Образующийся при этом сульфид серебра остается на поверхности изделий в виде коричневатой или черной пленки.) |
II. Электрохимическая коррозия
происходит в токопроводящей среде (в электролите) с возникновением внутри системы электрического тока. Электрохимической коррозии подвергаются подводные части судов, паровые котлы, подземные трубопроводы, металлические конструкции, находящиеся во влажном воздухе. Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат включения различных примесей. При контакте их с электролитами одни участки поверхности начинают выполнять роль анода (отдают электроны), а другие - роль катода (принимают электроны).
