Коррозия при непосредственном контакте различных металлов

Основные случаи электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия

В природных условиях в большинстве случаев коррозия металлов про­текает по электрохимическому механизму. При этом разрушение металлов может происходить на воздухе, в растворах электролитов, в почве, в мор­ской и пресной воде, в бетоне и т.д.

Сущность электрохимического механизма коррозии металлов заклю­чается в том, что атомы окисляющегося металла и частицы окислителя не находятся в непосредственном контакте друг с другом, а передача электро­нов от атома металла к окислителю происходит через металл, или поверх­ность контакта разных металлов.

На любой металлической поверхности есть точки или участки неоди­накового потенциала. Это анодные и катодные участки: Е°_анода< Е°_катода.

Анодные участки - места коррозии (так как именно на аноде всегда проис­ходит процесс окисления). На катоде восстанавливаются ионы или молеку­лы, содержащиеся в электролите. То есть, в основе электрохимической коррозии лежит функционирование самопроизвольно возникающих галь­ванических пар за счет разности потенциалов на различных участках ме­таллической конструкции.

Необходимым условием электрохимической коррозии является нали­чие контакта металла с электропроводной жидкостью, которой может быть раствор электролита, вода в природе, в трубах или аппаратах, или даже тонкая плёнка влаги на поверхности металла во влажном воздухе.

Рассмотрим коррозию железа, находящегося в контакте с медью в ки­слой среде, например водном растворе НС1(рис.11). В образующемся галь­ваническом элементе анодом является железо (Е° _Fe/Fe2+ = -0,44 В), а като-

дом - медь (Е°_Cu/Cu2+ = +0,34 В), так как Е°_анода< Е°_катода

Рисунок 11- Коррозии железа при контакте с медью в кислой среде (рН <7)

Следовательно, железо на поверхности окисляется, образующиеся при этом свободные электроны перемещаются от железа к меди (на катод), где участвуют в процессе восстановления ионов водорода (Н⁺), находящихся в электролите (рН < 7):

Анод: Fe│ Fe° - 2 е → Fe²⁺

Катод: Сu | 2Н⁺ + 2 ё → Н₂

Если в электролите не содержится кислоты (рН > 7), то анодный про­цесс не изменится, но на катоде будет восстанавливаться растворённый в воде кислород:

При контакте железа с металлом, имеющим меньший потенциал, на­пример с цинком (E°_Zn/Zn2+ = - 0,76 В), в возникающем гальваническомэлементе анодом будет являться цинк, а катодом - железо. Коррозии в дан­ном случае будет подвергаться цинк, а железо разрушаться не будет, так как катодные реакции не затрагивают металл катода:

Анод: Zn│Zn° - 2 ё → Zn²⁺

Катод: Fe │2Н⁺ + 2 ё → Н₂ (в кислой среде),

или:

Анод:Zn│Zn° - 2 ё → Zn│2

Катод: Fe │О₂+2Н₂О + 4ё →4(ОН)^-│1(в отсутствие кислоты)

Таким образом, контакт с цинком предотвращает коррозию железа, что часто используется для защиты стальных изделий от коррозии. Соединения металлов в сплавах также обладают электропроводно­стью, а следовательно, могут участвовать в работе гальванических эле­ментов.

Рассмотрим атмосферную коррозию стали (рис. 12).

Рисунок 12 - Атмосферная коррозия стали

В составе стали всегда имеются кристаллиты феррита (железо) и цемен­тита (карбид железа - Fe₃C). Так как Е°_Fе< Е°_Fе3С, то при наличии влаги (элек­тролита) на поверхности стали между кристаллами Fe и Fe₃C возникает мно­жество микрогальванических элементов, в которых анодом будут частицы железа (феррита), а катодом - кристаллиты цементита:

Анод:Fe │Fe° - 2 ё → Fe²⁺ │2

Катод: Fe₃С │О₂+2Н₂О + 4ё →4(ОН)^-│1

Образующиеся на аноде и катоде ионы соединяются в нерастворимый гидроксид:

Fe²⁺+ 2ОН^- →Fe(ОН)₂↓,

который быстро окисляется ки­слородом воздуха:

4Fe(OH)₂↓ + О₂ + 2Н₂О → 4Fe(OH)₃↓

Получающийся таким образом Fe(OH)₃ составляет основу ржавчины. При высыхании он может частично или полностью терять воду, превращаясь в метагидроксид FeO(OH), или Fe₂О₃. Ржавчина представляет собой бурый, рыхлый налет, не защищающий металл от дальнейшего разрушения.

2) Коррозия при неравномерной аэрации разных участков поверхности одного металла

Неравномерная аэрация означает неодинаковое содержание кислорода воздуха в электролите (воде) у разных участков поверхности металла. Из­вестно, что с ростом концентрации растворённого в электролите (воде) ки­слорода, возрастает и значение электродного потенциала металла.

Если на гладкую железную пластинку нанести каплю водного раствора соли (например, NaCl), то по краям капли (там, где кислорода больше) обра­зуются катодные участки, а анод будет находиться там, где содержание кисло­рода меньше всего - в центре капли. Там же (на аноде) будет происходить окисление, то есть коррозия железа. По краям капли на поверхности железной пластинки происходит восстановление кислорода с образованием ионов ОН^-. Эти ионы образуют с ионами железа нерастворимые гидроксиды (ржавчина) в виде колец между центром и краями капли, как показано на рис.13.

Рисунок 13 - Коррозия железа в условиях неравномерной аэрации

Запишем анодный и катодный процессы:

Анод: Fe - центр капли│Fe° - 2 ё → Fe²⁺ │2

Катод: Fe - край капли│О₂+2Н₂О + 4ё →4(ОН)^-│1

Аналогичные процессы будут происходить и в других случаях нерав­номерной аэрации: коррозии в первую очередь подвергается тот участок поверхности металла, доступ кислорода воздуха к которому затруднён.

3) Коррозия под действием блуждающих токов

Источником подземных блуждающих токов могут быть различные устройства, работающие на постоянном токе. Это электропоезда, метро, трамваи, троллейбусы, установки для электросварки, электролизёры и т.д. Коррозию под действием внешнего источника электрического тока назы­вают электрокоррозией.

Рассмотрим коррозию подземного стального трубопровода во влажной почве под действием блуждающих токов (рис.14).

Рисунок 14 - Коррозия подземных коммуникаций под действием блуждающих токов

В месте входа тока в трубопровод возникает катодный участок, и на этом участке будет протекать реакция восстановления молекулярного ки­слорода, находящегося во влажной почве. Участок металла трубопровода, где происходит выход тока, становится анодом и разрушается.

Запишем анодный и катодный процессы:

Анод: Fe│Fe° - 2 ё → Fe²⁺ │2

Катод: Fe│О₂+2Н₂О + 4ё →4(ОН)^-│1

Коррозия под действием блуждающих токов обычно приводит к быст­рому разрушению подземных металлических конструкций.

Дата добавления: 2014-11-29