ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

Коррозия металлов.

1. Разделы теоретического курса для повторения.

Коррозия металлов. Классификация коррозионных процессов. Химическая и электрохимическая коррозия. Гальванические элементы. Катод и анод гальванического элемента. Катодные и анодные процессы. Причины электрохимической гетерогенности поверхности металла. Коррозия с кислородной и водородной деполяризацией. Пассивность. Защита металлов от коррозии. Легирование, защитные покрытия, изменение свойств коррозионной среды, ингибиторы коррозии. Современные конструкционные материалы. Электрохимическая защита. Катодная и гальваническая (протекторная) защита.

3. Вопросы и упражнения.

1. Какие факторы могут вызвать электрохимическую гетерогенность?

2. Напишите схемы анодного и катодного процессов, имеющих место при электрохимической коррозии стали

а) в водном растворе хлорида натрия?

б) в растворе кислоты.

3. При электрохимической защите от коррозии применяются:

1) контакт с более активным металлом

2) контакт с менее активным металлом

3) источник постоянного тока.

Какие названия носят электрохимические методы защиты.

4. Экспериментальная часть.

I. Электрохимическая гетерогенность модели металлических конструкций (опыт проводится под контролем лаборанта).

Соберите установку для изучения электрохимической гетерогенности модели металлических конструкций (рис.1). Для этого стальную пластинку с медной и алюминиевой заклепками подключите к соответствующим клеммам потенциометра. Погрузите электроды в ячейку с 3% раствором хлорида натрия.

Рис. 1. Схема установки для изучения электрохимической гетерогенности модели металлических конструкций:

I - модель металлической конструкции (стальная пластина с медной и алюминиевой заклепками); 2 - хлорсеребряный электрод сравнения; 3 - потенциометр; 4 - медная заклепка; 5 - алюминиевая заклепка; 6 - ячейка с раствором электролита.
Прикасаясь кончиком электрода сравнения к соответствующим участкам рабочего электрода, определите величину нестационарного неравновесного электродного потенциала на поверхности стали, меди и алюминия по насыщенному хлорсеребряному электроду.

Е (стали) _{по нас. хлорсер.} =

Е (меди) _{по нас. хлорсер.} =

Е (алюминия) _{по нас. хлорсер.} =

На основании полученных значений величин электродных потенциалов, определите анодные и катодные участки металлической конструкции.

Сделайте вывод о окислительно-восстановительных процессах, протекающих на данных металлах при контакте друг с другом.

Напишите уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде данного гальванического элемента, учитывая, что в нейтральной среде электрохимическая коррозия протекает с кислородной деполяризацией.

Чем объясняются близкие значения электродных потенциалов катода и анода в работающем гальваническом элементе?
2. Коррозия под каплей электролита

На хорошо зачищенную стальную пластинку нанести крупную каплю заранее приготовленного раствора, представляющего собой смесь 3%-го раствора хлорида натрия, раствора гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль) и раствора фенолфталеина.

Через 5-10 минут наблюдать появление синей окраски в центре капли и розовой окраски по периферии капли.

Принимая во внимание, что при взаимодействии ионов железа Fe²⁺ с ионами [Fe(CN)₆]^3- образуется имеющий синюю окраску гексацианоферррат(III) железа(II) - Fe₃[Fe(CN)₆] (турнбулева синь):

Fe²⁺ + [Fe(CN)₆]^3- → Fe₃[Fe(CN)₆],

^{темно-синяя окраска}

объясните, что представляет из себя процесс, протекающий в центре капли.

Розовая окраска фенолфталеина по краям капли указывает на повышенную концентрацию в растворе ионов OH^-. Учитывая, что коррозионная среда имеет нейтральную реакцию, сделайте вывод о катодном процессе, протекающем по краям капли?

Чем обусловлена электрохимическая гетерогенность поверхности металла в данном случае?

Нарисуйте схему процесса коррозии металла под каплей электролита, вызванной неравномерной аэрацией. Напишите уравнения анодной реакции (в центре капли) и катодной реакции (по краям капли).

3. Защитное действие оксидных пленок на поверхности металла

а) Пассивирование железа в концентрированном растворе азотной кислоты (демонстрационный опыт выполняется лаборантом).

Зачищенный и обезжиренный железный стержень (железный гвоздь) опускают в умеренно разбавленный раствор азотной кислоты. Обратите внимание на активное взаимодействие металла с кислотой, протекающее по схеме:

Fe + HNO_{3 ум. разб.} → Fe(NO₃)₃ + NO₂ + H₂O

Этот же стержень промывают водой и погружают в концентрированный раствор азотной кислоты. Начавшееся сначала взаимодействие железа и кислоты прекращается, вследствие явления пассивации (образования на поверхности металла защитной оксидной пленки, тормозящей процесс растворения металла.)

Очень осторожно, не касаясь стенок сосуда, стержень переносится в стакан с разбавленным раствором азотной кислоты. Что можно сказать о взаимодействии пассивированного железа с разбавленным раствором азотной кислоты?

Напишите уравнение реакции железа с умеренно разбавленным раствором азотной кислоты. Составьте схему электронного баланса, укажите процессы окисления и восстановления, окислитель и восстановитель.

Сделайте вывод о характере взаимодействия ряда пассивирующихся металлов (Fe, Cr, Al) с концентрированными растворами кислот – окислителей (HNO₃, H₂SO₄).

б) Активация алюминия в растворе соляной кислоты.

Налейте в пробирку 1-2 мл раствора сульфата меди и опустите в нее на 1-2 минуты свернутую в шарик алюминиевую фольгу. Отметьте, что выделение меди происходит в виде отдельных точек лишь на некоторых участках. Другой шарик из алюминиевой фольги обработайте сначала раствором соляной кислоты. После этого фольгу промойте дистиллированной водой и так же погрузите в раствор сульфата меди. Наблюдайте выделение меди на алюминии в виде сплошного слоя.

Объясните наблюдаемые явления и напишите уравнения реакций:

- растворения оксидной пленки на алюминии в растворе соляной кислоты.

- взаимодействия активированного алюминия с раствором соли меди.

Запишите, какую роль играет оксидная пленка на поверхности алюминия?

б) Активация алюминия в растворе соли ртути.

(демонстрационный опыт выполняется лаборантом)

На поверхность алюминиевой фольги нанесите несколько капель раствора нитрата ртути (П) и потрите поверхность фольги стеклянной палочкой. Подождите 2-3 минуты.

Запишите наблюдаемые явления.

При взаимодействии алюминия с раствором соли ртути вначале выделяется ртуть. Образовавшаяся ртуть на поверхности металла образует амальгаму алюминия. (Амальгамы - сплавы ртути с другими металлами.) Вследствие этого нарушается плотная структура защитной пленки, что дает возможность алюминию проявить свою химическую активность. Алюминий начинает энергично взаимодействовать с водой. При этом образуется гидроксид алюминия и выделяется водород.

Напишите:

- уравнение реакции взаимодействия нитрата ртути с алюминием, приводящей к образованию ртути;

- схему процесса образования амальгамы из алюминия и ртути:

Al + Hg  амальгама;

- уравнение реакции взаимодействия лишенного защитной пленки (амальгамированного) алюминия с водой, которая протекает по схеме:

Al _{амальгама} + H₂O → Al(OH)₃ + H₂↑

4 . Гальваническая (протекторная) защита

В две пробирки налейте по 1-2 мл 2 н. серной кислоты и по 2-3 капли гексацианоферрата (III) калия (К₃[Fe(CN)₆]). В одну пробирку поместите стальную скрепку с зажатым в ней кусочком цинка, а в другую - скрепку с кусочком олова. В первом случае мы имеем дело с гальваническим элементом железо - цинк:

Zn|H₂SO₄||H₂SO₄|Fe,

а во втором – железо – олово:

Fe|H₂SO₄||H₂SO₄|Sn,

Наблюдайте окрашивание раствора в первой пробирке в желтоватый цвет, вследствие образования малорастворимого соединения цинка Zn₃[Fe(CN)₆]₂:

3ZnSO₄ +2K₃[Fe(CN)₆]^3- → Zn₃[Fe(CN)₆]₂ + 3K₂SO₄,

^{желтоватая окраска}

В другой пробирке раствор окрашивается в синий цвет, вследствие образования малорастворимого комплексного соединения железа Fe₃[Fe(CN)₆]₂:

3FeSO₄ +2K₃[Fe(CN)₆]^3- → Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + 3K₂SO₄,

^{темно-синяя окраска}

На основании этих данных сделайте заключение о том, какой металл в каждом из рассмотренных гальванических элементов является анодом, и растворяется, а на каком металле протекает безвредный для металла катодный процесс.

Анализируя данные эксперимента, а также, воспользовавшись данными табл. 2, заполните таблицу 1

Таблица 1

К опыту гальваническая (протекторная защита)

Контактирующие металлы	цинк - железо	олово - железо
Гальванический элемент	Zn|H2SO4||H2SO4|Fe	Fe|H2SO4||H2SO4|Sn
Стандартные электродные потенциалы	Е0 (Zn+2/Zn0) = Е0 (Fe+2/Fe 0) =	Е0 (Sn+2/Sn0) = Е0 (Fe+2/Fe 0) =
Функция металла в гальваническом элементе	Цинк – Железо –	Олово – Железо –
Схемы процессов при работе элемента	на аноде: на катоде:	на аноде: на катоде:
Разрушающийся металл
Защищенный металл

По результатам опыта сделайте вывод: какой из металлов - олово или цинк - может быть использован в качестве протектора для защиты железа от коррозии.

5. Влияние ингибиторов на процесс коррозии.

В две пробирки налейте 1-2 мл разбавленного раствора соляной кислоты. В одну из пробирок добавьте 2-3 капли ингибитора коррозии (например, уротропина). В каждую пробирку поместите по кусочку цинка. Через 2-3 минуты сравните интенсивность реакции в каждой пробирке.

Запишите наблюдения и приведите уравнение реакции растворения цинка в кислоте.

Дайте определение термину ингибитор коррозии.

Таблица 2

Стандартные электродные потенциалы некоторых металлов.

Электрод	Е0298, В			Электрод	Е0298, В		Электрод		Е0298, В
Li+/Li		-3,04	Zn2+/Zn			-0,76		Sb3+/Sb		0,20
K+/K		-2,92	Cr3+/Cr			-0,74		Bi3+/Bi		0,23
Ba2+/Ba		-2,90	Fe2+/ Fe			-0,44		Cu2+/Cu		0,34
Ca2+/Ca		-2,87	Cd2+/Cd			-0,40		Co3+/Co		0,40
Na+/Na		-2,71	Co2+/Co			-0,28		Сu1+/ Cu		0,52
La3+/La		-2,37	Ni2+/Ni			-0,25		Hg22+/Hg		0,79
Mg2+/Mg2+		-2,36	Mo3+/Mo			-0,20		Ag+/Ag		0,80
Ti2+/Ti		-1,75	Sn2+/Sn			-0,14		Hg2+/Hg		0,85
Al3+/Al		-1,66	Pb2+/Pb			-0,13		Pd2+/Pd		0,98
Mn2+/Mn2+	-1,05			Fe3+/Fe	-0,04		Pt/Pt2+		1,19
Nb3+/Nb	-1,1			2H+ / H2	0,00		Au3+/Au		1,50