Реферат по курсу: Коррозия и защитные свойства металлов

Реферат по курсу: Коррозия и защитные свойства металлов
скачать (268 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc

268kb.

04.12.2011 01:23

скачать

содержание

1.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Контрольная работа № 2
по курсу: «Коррозия и защитные свойства металлов»
Мариуполь

2008

СОДЕРЖАНИЕ
стр.

1. Поляризация. Ее причины и проявления

2. Понятие «электродный потенциал». Расчет его величины

3. Цель проведения деаэрации электролита. Возможность ее осуществления

4. Катодная деполяризация с учетом водорода. Уравнение. Распространенность этого коррозионного процесса

5. Кислотные неорганические материалы
Перечень ссылок

^ 1. ПОЛЯРИЗАЦИЯ. ЕЕ ПРИЧИНЫ И ПРОЯВЛЕНИЯ
Если электроды обратимого гальванического элемента с потенциалами в разомкнутом состоянии (V_a)_o₆_pи (V_к)_обр и сопротивлением электролита между ними в цепи R замкнуть и измерить установившееся значение силы генерируемого тока I', то оказывается, что эта сила значительно меньше значения, рассчитанного по закону Ома, т. е.

(1.1.)

Так как практически R = const, причину неравенства следует искать в числителе дроби. И, действительно, измерения показывают (рисунок 1.1), что потенциалы электродов, через которые проходит при их работе электрический ток, отличаются от потенциалов электродов, не нагруженных током: потенциал анода при прохождении через него тока становится положительнее, а потенциал катода – отрицательнее:

(1.2.)

гед V_a и V_к – устанавливающиеся при данном значении тока электродные потенциалы, называемые эффективными;

∆V_a и ∆V_к – смещения потенциалов анода и катод.
Это изменение потенциалов, а следовательно, и и разности, приводящее к уменьшению силы тока, называют поляризацией.

Таким образом, в уравнении (1.1.) должны фигурировать не начальные (V_K)o6p и (V_a)_o₆_p, а эффективные значения потенциалов электродов, т. е

(1.3.)

Явления поляризации электродов наблюдаются как в гальванических элементах, так и в электролизерах, т.е. при прохождении через электроды электрического тока независимо от его происхождения (генерации тока в результате работы гальванического элемента или его подвода от внешнего источника к электролизеру).

Поляризация является следствием отставания электродных процессов от перетока электронов в гальваническом элементе. Анодный процесс выхода ионов металла

Рисунок 1.1 Изменения потенциалов анода и катода гальванического элемента с увеличением силы протекающего между ними тока

Рисунок 1.2 Кривые анодной и катодной поляризации металла

Кинетику электродных процессов, в том числе и электродных процессов электрохимической коррозии металлов, принято изображать в виде поляризационных кривых, представляющих графическое изображение измеренной с помощью описанной в ч. III методики зависимости потенциалов электродов V от плотности тока i =

, т. е. V = f(i). На рисунке 1.2 приведены кривые анодной и катодной поляризации металла, характеризующие его поведение в качестве анода и катода коррозионного элемента. Степень наклона кривых характеризует большую (крутой ход) или малую (пологий ход) затрудненность протекания электродного процесса. Количественно это может быть выражено истинной поляризуемостью процесса при данной плотности тока (в данной точке поляризационной кривой):

(1.4.)

или средней поляризуемостью процесса для данного интервала плотности тока (на данном участке поляризационной кривой):

(1.5.)

Причины анодной поляризации. т. е. отставания процесса выхода ионов в электролит от перетока электронов с анодных участков на катодные, следующие.

Замедленность анодной реакции коррозии металла

(1.6.)

которая определяется соответствующим значением энергии активации этой реакции Q_a, приводит к возникновению электрохимической поляризации (∆V_а)_э-х, называемой перенапряжением ионизации металла.

При очень малых значениях анодной плотности тока (ориентировочно при i_а<10^-а а/м²) зависимость перенапряжения ионизации металлов от анодной плотности тока может быть выражена линейным уравнением [участок (V_Mе)_обр А, рисунок 1.3.]:

(1.7.)

где k₁ – постоянная, зависящая от материала и состояния поверхности анода, температуры и др.

Рисунок 1.3 Анодные поляризационные кривые:

а – в координатах i_а – V_a;

б – в координатах Ig i_а – V_a [(V_Mе)_обр ABC – перенапряжение ионизации металла; BE – пассивирование металла; (Vо₂ )_обр DEF – перенапряжение анодного выделения кислорода]
При плотностях тока, больших, чем примерно 10^-2 а/м², анодная поляризация может быть представлена логарифмическим уравнением (участок ABC, рисунок 1.3)

(1.8.)

где а₁ – постоянная, зависящая от материала и состояния поверхности анода, температуры и пр.;

b₁ – постоянная, связанная с механизмом возникновения перенапряжения ионизации металла.
Поляризация, вызываемая перенапряжением ионизации металлов, достигает небольших величин [пологая кривая (V_Me)_o_6р АВС, рисунок 1.3], которые максимальны у металлов группы железа (Fe, Co, Ni).

Причинами катодное поляризации, т. е. отставания процесса ассимиляции электронов от поступления на катодные участки электронов, являются:

а) замедленность катодной деполяризационной реакции

(1.9.)

которая определяется соответствующим значением энергии активации этой реакции Q_к и приводит к возникновению электрохимической поляризации (∆V_к)_э-х, называемой перенапряжением реакции катодной деполяризации;

б) замедленность диффузии деполяризатора из объема электролита к катодной поверхности или продукта катодной деполяризационной реакции в обратном направлении, которая приводит к концентрационной поляризации катода (∆V_к)_конц.

^ 2. ПОНЯТИЕ «ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ». РАСЧЕТ ЕГО ВЕЛИЧИНЫ
При погружении металла в электролит в результате взаимодействия между ними возникает разность электрических потенциалов, что связано с образованием двойного электрического слоя, т. е. несимметричного распределения заряженных частиц у границы раздела фаз. Причинами возникновения этого скачка потенциала между металлом и электролитом являются:

переход заряженных частиц (катионов) из одной фазы в другую (из металла в электролит или из электролита в металл) с образованием двойного электрического слоя в пределах этих двух фаз (рисунок 2.1, а и б);
избирательная адсорбция на поверхности металла частиц из жидкой фазы – ионов (например, Сl^- - рисунок 2.1,в) или полярных молекул (например, Н₂О – рисунок 2.1, г) и появление противоположного заряда в близлежащем слое электролита с образованием двойного электрического слоя в пределах одной (жидкой) фазы;
образование двойного слоя, обусловленного обеими причинами, т. е. адсорбционно-ионного скачка потенциала (например, при адсорбции анионов – рисунок 2.1, д или при адсорбции поляризуемых молекул или атомов, например кислорода – рисунок 2.1, е) на поверхности металла в условиях наличия перехода катионов из металла в электролит или из электролита в металл.

Как известно из физической химии, скачок потенциала между двумя фазами не может быть измерен, но можно измерить электродвижущую силу элемента, состав ленного из исследуемого электрода (например, металла в электролите) и электрода, потенциал которого условно принят за нуль (стандартного водородного электрода). Эту э. д. с. принято называть потенциалом электрода, в частности электродным потенциалом металла.

Если при взаимодействии металла с электролитом (водным раствором) фазовую границу пересекают только ионы металла, то, по представлениям А. Н. Фрумкина и его школы, протекают два. процесса:

1) переход этих ионов из металла в раствор с образованием, согласно Л. В. Писаржевскому, гидратированных ионов (окислительный или анодный процесс):

(2.1.)

скорость которого, измеряемая числом ионов, переходящих из фазы в фазу в единицу времени, может быть выражена через соответствующий ток Ī;

2) разряд этих ионов из раствора с выделением их на поверхности металла в виде нейтральных атомов, входящих в состав кристаллической решетки металла (восстановительный или катодный процесс):

(2.2.)

скорость которого также может быть выражена через соответствующий ток Ī.

Рисунок 2.1 Схемы строения двойного электрического слоя
Какой из этих процессов преобладает, определяется уровнем потенциальной энергии катионов в узлах кристаллической решетки металла П_Ме и в растворе П_р .Если П_Ме>П_р, то Ī>Ī, т. е. преобладает анодный процесс – переход ионов металла в раствор (рисунок 2.1, а), суммарная скорость которого равна:

(2.3.)

если П_р >П_Ме, то Ī>Ī, т. е. преобладает катодный процесс – разряд ионов металла из раствора (рисунок 2.1, б), суммарная скорость которого равна:

(2.4.)

Образующийся двойной электрический слой затрудняет протекание прямого процесса и облегчает протекание обратного. Когда потенциал в нем достигает значения, при котором энергетический уровень ионов в металле и растворе становится одинаковым, т. е. П_Ме П_р (что наступает довольно быстро), устанавливается динамическое равновесие, при котором скорости анодного и катодного процессов равны:

(2.5.)

где I₀ – ток обмена, обусловленный постоянно протекающим обменом ионами между металлом и раствором.
Кинетику равновесного обмена ионами наблюдали в опытах с применением радиоактивных изотопов металлов. В водных растворах на твердых металлах плотность тока обмена равна от 10^-8 до 10^-5 а/см².

Электродный потенциал бывает двух родов: обратимый и необратимый.

Обратимый электродный потенциал металла (V_Me)_обр устанавливается, когда в процессе обмена, определяющего потенциал металла в электролите, участвуют только ионы данного металла, т.е. когда металл находится в равновесии с собственными и онами в электролите. Его можно рассчитать по термодинамическому уравнению Нернста:
(
(2.6.)
V_Me)_обр = (V_Me)⁰_обр +

ln a_Men+
где (V_Me)⁰_обр – стандартный потенциал металла (обратимый потенциал металла при активности его ионов в растворе, равной единице);

R – газовая постоянная;

Т – абсолютная температура;

n – валентность ионов металла;

F – число Фарадея;

a_Men+ - активность ионов металла в растворе.

Необратимый электродный потенциал металла V_Me устанавливается, когда в процессе обмена, определяющего потенциала металла в электролите, участвуют не только ионы данного металла, но и ионы или атомы, причем анодный процесс осуществляется основными ионами металла (Ī₁ > Ī₁), а катодный – другими ионами (Ī₂ > Ī₂). Устойчивое во времени значение необратимого электродного потенциала металла, соответствующее равенству сумм скоростей анодных и катодных процессов, называют стационарным потенциалом металла. При этом значении потенциала, по теории А.Н. Фрумкина, имеет место следующее равенство:
Ī₁ + Ī₂ = Ī₁ + Ī₂
^ 3. ЦЕЛЬ ПРОВЕДЕНИЯ ДЕАЭРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТА. ВОЗМОЖНОСТЬ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Защиту металлических конструкций от коррозии с кислородной деполяризацией в нейтральных электролитах осуществляют при помощи метода деаэрации – удаление из электролита деполяризатора – кислорода или этот метод еще называют обезкислороживанием.

Деаэрарируют воду, использующуюся для охлаждения паровых котлов, турбин, систем охлаждения металлургических агрегатов, термических печей и т.д.

^ 4. КАТОДНАЯ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ С УЧЕТОМ ВОДОРОДА. УРАВНЕНИЕ. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭТОГО КОРРОЗИОННОГО ПРОЦЕССА
Катодный процесс водородной деполяризации в кислых средах состоит из следующих шести стадий (рисунок 4.1.):

диффузии гидратированных ионов водорода Н+·Н₂0 к катодным участкам поверхности корродирующего металла;
разряда водородных ионов:

(4.1.)

растворения и диффузии части Н-атомов в металле;
рекомбинации (молизации) водородных атомов:

(4.2.)

или электрохимической десорбции:

(4.3.)

диффузии и переноса конвекцией водорода от катодных участков в глубь раствора, а затем его диффузии в воздух;
образования и отрыва пузырька водорода от поверхности металла:

(4.4.)

В щелочных растворах, в которых концентрация ионов Н+·Н₂0 крайне мала, коррозия металлов с выделением водорода идет за счет восстановления водорода из молекулы воды:

(4.5.)

В большинстве случаев коррозии металлов с водородной деполяризацией при высокой концентрации ионов Н+ · Н₂0 в растворе концентрационная поляризация катодного процесса вследствие замедленности диффузии водородных ионов к катодным участкам незначительна. Это обусловлено большой подвижностью водородных ионов и наличием дополнительного перемешивания раствора у катода выделяющимся газообразным водородом. В нейтральных растворах или при очень больших скоростях коррозии ионная концентрационная поляризация становится заметной.

Главными причинами катодной поляризации, т. е. отставания процесса ассимиляции электронов от поступления их на катодные участки, являются: а) замедленность катодной реакции, которая приводит к возникновению перенапряжения водорода; б) концентрационная поляризация по

Рисунок 4.1 Схема катодного процесса водородной деполяризации:

П – слой Прандтля;

δ – дифузионный слой;

К – катодный участок поверхности коррозирующего металла: 1-6 – стадии процесса
молекулярному водороду вследствие замедленности процесса отвода образующегося молекулярного водорода с поверхности металла, которая наблюдается до насыщения приэлектродного слоя водородом, когда становится возможным выделение его в виде пузырьков, в которых Рн₂ = 101 кн/м² (1 атм).

^ 5. КИСЛОТНЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
К кислотостойким неорганическим материалам относятся: стекло, эмали, керамика, графит и графитовые материалы, каменное литье и сеталлы.

Эмали – стекловидные покрытия. Кислотостойкие эмали изготавливают с высоким содержанием SiO₂, а кислото-щелочестойкие в своем составе имеют диоксид циркония. Эмали получают сплавлением шихты (песок, мел, глина и пр.) и плавней (бура, сода фтористые соли). Их высокая химическая стойкость обусловлена присутствием буры и кремнезема. Эмалевые покрытия получают погружением в расплав или пульверизацией с последующим обжигом до спекания в печи при температуре 880-1050 °С.

Керамика – неорганический материал, получаемый обжигом глинистых материалов, состоящих из небольших кристаллов гидратированных алюмосиликатов. Из керамики изготавливают кислотостойкие изделия (плиты, кирпич).

Графит и графитовые материалы, вследствие их универсальной химической стойкости, используются в противокоррозионной технике как футеровочные изделия (плитки, пластины блоки).

Каменное литье (ЮТ) – материал, получаемый, кристаллизацией из расплава, основой которого является диабаз, базальт, андезит. Изделия из ЮТ: плитки, фасонные детали, трубы.

Ситаллы – неметаллический, неорганический стеклокристаллический материал, получаемый кристаллизацией стекломассы при наличии в ней нуклеаторов (центров кристаллизации). Из ситаллов изготавливают листы (футеровочный материал, трубы, фасонные изделия). Изделия из КЛ и ситаллов обладают высокой кислотостойкостью при температурах не более 100°С.

^ ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

Н.П. Жук. Курс коррозии и защиты металлов. Жук Н.П. Учебник для студентов металлургических вузов. М: Металлургия. 1968г., 404с.
Конспект лекций по коррозии и защите металлов Бурлаков В.И.

Скачать файл (268 kb.)

Реферат по курсу: Коррозия и защитные свойства металлов - файл 1.doc

Доступные файлы (1):

1.doc