Меню

Электрохимическая коррозия медь алюминий

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

§ 8.2. Реакции на границе металл–раствор

Электрохимическая коррозия

Все металлы и изделия из них (за исключением золота и платины) подвергаются разрушению в результате химического взаимодействия с окружающими их веществами. В самом общем случае эти процессы называются коррозионными, или просто коррозией. Суммарный химический процесс коррозии в системе «вещество–окружение» всегда самопроизволен, т.е. G 0, проходя под воздействием других реакций.
Ниже пойдет речь об электролитной, или электрохимической, коррозии металлов. Эта коррозия обусловлена образованием гальванических элементов при контакте различных металлов. Корродирующие и заставляющие корродировать вещества создают сложнейшую систему взаимосвязанных реакций, имеющих различные значения изобарных потенциалов, констант скорости и энергий активации. Эта система настолько сложна, что часто для новых металлических материалов или сред коррозия оказывается непредсказуемой.
Почему гвоздь во влажной древесине доски ржавеет и через некоторое время полностью превращается в бурую непрочную массу (рис. 8.9)?

Рис. 8.9.
Схема образования ржавчины на железном гвозде

В кристаллической решетке железа находятся ионы и электроны:

Для электрохимической коррозии железа необходимы вода и кислород воздуха. Начало коррозии заложено в известном вам процессе самопроизвольного перехода ионов Fe 2+ в раствор:

Ионы Fe 2+ диффундируют по влажной древесине и одновременно переходят в ионы Fe 3+ :

Этот переход совершается благодаря тому, что кислород воздуха, реагируя с водой, использует образовавшиеся электроны:

Далее ионы Fe 3+ образуют с ионами ОН – тригидроксид железа:

Это самая примитивная схема ржавления железа. Одновременно протекают многочисленные параллельные и последовательные реакции. Ионы Fe 2+ и Fe 3+ гидролизуются с образованием осно’вных ионов и гидроксидов Fe(ОН)2 и Fe(ОН)3. Гидроксид Fe(ОН)3 может быть представлен также формулой 2Fe(ОН)3 или Fe2О3•3Н2О. Это одна из формул вещества ржавчины. В действительности состав тригидроксида железа или гидратированного триоксида железа неопределенен: Fe2О3nН2О.
К этим реакциям добавляются реакции гидроксидов и осно’вных ионов с углекислым газом, в результате чего образуются осно’вные соли железа типа Fe(ОН)СО3 или (Fе(ОН)2)2СО3.
Приведенные выше реакции взаимосвязаны, и все смещают равновесие перехода ионов железа в раствор.
Суммарно и приближенно процесс ржавления железа может быть выражен следующим уравнением:

Если со столба электричество подается к дому алюминиевым проводом, который у наружной стены скручивается с медным проводом, то место соединения двух проводов скоро перестает проводить электричество из-за образования в месте контакта гидроксида или оксида алюминия. Точно так же алюминиевая заклепка, соединяющая два листа меди, быстро разрушается, если место контакта не было покрыто краской. Причина этого неприятного явления вам станет понятной, если вы сравните электродные потенциалы меди и алюминия:

Алюминий обладает большей способностью отдавать электроны по сравнению с медью, поэтому в водном растворе проходят реакции:

Следовательно, при контакте меди с алюминием алюминий будет в виде ионов переходить в раствор и далее осаждаться в месте контакта в виде гидроксида Al(OH)3.
На рис. 8.10 показано, что происходит в месте контакта алюминия и меди.

Рис. 8.10.
Схема процесса коррозии
при контакте алюминия и меди

Ионы алюминия из кристаллической решетки алюминия переходят в раствор, а электроны поступают на медь и на ее поверхности реагируют с водой с образованием гидроксид-ионов, которые с ионами алюминия образуют гидроксид алюминия. Коррозия алюминия продолжается, т.к. электроны непрерывно уходят из него, смещая тем самым равновесие в сторону образования ионов. Это самое простое описание коррозии при контакте двух металлов.
Аналогичные процессы происходят, если металл не чистый и содержит вкрапления других металлов.
Изучение коррозии всегда преследует цель ее предотвращения или замедления. Простейшая защита железа от коррозии заключается в его изоляции от влаги и воздуха, для чего железо покрывают краской, полимерной пленкой или жироподобными веществами. Однако самыми эффективными способами защиты являются способы, основанные на термодинамических и кинетических принципах. Некоторые важнейшие способы защиты от коррозии состоят в следующем.
Электрохимическая коррозия предотвращается контактом разрушающегося от нее металла с металлом, имеющим более отрицательный электродный потенциал. Например, железо в контакте с цинком или покрытое им (оцинкованное железо) не подвергается коррозии в связи с тем, что в образующемся гальваническом элементе растворяется цинк, а на железе выделяется водород.

следует, что цинк по сравнению с железом обладает большей способностью к передаче ионов в раствор:

Цинк будет реагировать с ионами железа, если они образуются при коррозии, и будет выделяться металлическое железо. Другими словами, цинк смещает равновесие между железом и его ионами в сторону металлического железа.
Цинк в контакте с железом растворяется в водной среде, а образовавшийся отрицательный заряд в виде электронов переходит на железо.
Возникающая повышенная концентрация электронов в железе препятствует его переходу в виде ионов в раствор, т.е. защищает его от коррозии. В результате благодаря реакции с водой на железе выделяется водород:

Цинк, защищая железо от коррозии, переходит в гидроксид цинка:

Поэтому железо с цинком имеет белый налет – слой или даже скопления гидроксида цинка (или оксида цинка).
Электрохимическая коррозия главным образом вызывается примесями и различного вида неоднородностями, выходящими на поверхность металла. При соприкосновении металла с электролитом, которым может быть просто влага, адсорбируемая или конденсирующаяся на поверхности, возникают гальванические элементы.

Благодаря этим гальваническим элементам металл растворяется, а на загрязнениях и примесях в кислотной среде выделяется водород, а в нейтральной и щелочной – кислород:

Почему в скобках второго и третьего уравнений указана концентрация ионов водорода – 10 –7 М, а в первом уравнении концентрация не указана (чему она равна?)?

Заметим, что в обычных условиях при коррозии водород в свободном виде не выделяется, т.к. окисляется атмосферным кислородом и превращается в воду уже в момент образования.
Интересна одна особенность коррозии – в течение весьма длительного начального периода скорость коррозии довольна низкая и значительно возрастает со временем. Это связано с постепенным накоплением на поверхности тех включений, которые в начале коррозии находились не на поверхности металла и не образовывали микрогальванических элементов.
Другой способ защиты состоит в том, что легко корродирующий металл в виде куска размещается поблизости от защищаемого металла и соединяется с ним проводником. Это может быть цинк или магний. Для магния:

Источник

Лаборатория 115

Техническое творчество в УГЛТУ

Гальваническая коррозия

Казалось бы, химия наука оторванная от быта, но тем не менее важна для инженера. Сегодняшний пост про электрохимическю (гальваническую) коррозию.

Нельзя просто так взять, и соединить два разных металла. Точнее можно, но могут быть проблемы. Многие помнят из школьного курса химии ряд напряженности металлов. Вот он:

Li K Sr Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au
-3,04 -2,93 -2,89 -2,86 -2,71 -2,37 -1,7 -0,76 -0,74 -0,44 -0,40 -0,28 -0,23 -0,14 -0,12 +0,52 +0,79 +0,85 +0,96 +1,69

Более подробная таблица есть в википедии.

Данная таблица говорит, что например, если мы в апельсин (электролит) воткнем цинковую проволочку и медную, то потенциал между ними будет 0,76+0,52 = 1,28В. При этом при протекании тока один металл — цинк, так как он левее будет разрушаться. Чем дальше разнесены по таблице металлы, тем больше потенциал в их паре, тем интенсивнее реакция.

При соприкосновении двух металлов, и наличия электролита начинается процесс электрохимической коррозии, вот наглядная картинка отсюда:

В паре металлов разрушается более электроотрицательный металл, тот который в таблице левее — алюминий в данном случае. Электролитом может служить простая влага воздуха. Это основная причина почему нельзя скручивать вместе алюминиевый и медный провод, их постепенно сожрет коррозия и контакт будет потерян. Такая мина замедленного действия. Но про это будет отдельная статья.

Примеры коррозии. Пара медь — железо. Железо в ряду левее, и оно разрушается:

Источник. Чтобы такого не происходило медная труба должна соединяться через изолирующую пластиковую вставку, исключающей электрический контакт металлов. Но если вставка будет повреждена — начинается процесс коррозии.

Или вот. Нержавеющая сталь и оцинкованное железо. Цинк разрушился обнажив железо:

Видно, что ржавчина появляется только после того как растворится цинк. Электрохимическая защита лучше окраски тем, что действует до последнего, и не отшелушится при старении, как краска.

Вот еще хорошая демонстрация отсюда. Стальной болт — медная гайка, медный болт — стальная гайка, и алюминиевый болт — медная гайка.

Настоятельно рекомендую знающим английский язык почитать подробно тут.

Видел как то в интернете мастер делал орнамент на клинке расчеканивая в углубление медный провод. После шлифовки выглядело красиво. Но теперь мы знаем, что будет при контакте с водой.

Катодная защита.

Зло гальванической коррозии можно обратить во благо. Как мы видим, если у нас есть два металла, то в присутствии воды начнет разрушаться более электроотрицательный, активный металл. Пока он полностью не разрушится — не начнется обычная коррозия второго металла. Поэтому железо оцинковывают для защиты от коррозии. Если взять и поцарапать оцинкованный болт, то у нас появится место контакта железа, цинка и электролита. И прелесть в том, что начнет разрушаться цинк, а не железный болт. Только когда разрушится весь цинк — болт начнет ржаветь. Поэтому оцинкованное железо служит дольше, слой «жертвенного» металла дает дополнительные годы эксплуатации.

Ситуация полностью наоборот случится если мы покроем железо оловом. Железо лудят если оно контактирует с пищей. Олово, попавшее в пищу безопаснее железа или цинка. Но олово правее железа в ряду напряженности металлов, а значит при наличии царапины и воды начнет разрушаться железо. И этот процесс не прекратится пока не останется тонкая скорлупка олова.

Но к счастью не обязательно покрывать защищаемый металл жертвенным. Достаточно их соединить электрически и поместить в один электролит. Пример — катодная защита трубопроводов:

Магниевая болванка будет разрушаться, защищая железный трубопровод от ржавчины. Такой же магниевый электрод помещают в бойлеры, это позволяет сделать бак дешевым, из тонкой стали,а сам электрод сделать расходным материалом. Они даже продаются.

Источник

Читайте также:  Как почистить медь после перегонки
Adblock
detector