Анодные и катодные процессы при коррозии металлов

Обновлено: 04.10.2024

Электрохимическая коррозия - самый распространенный вид коррозии. Электрохимическая коррозия возникает при контакте металла с окружающей электролитически проводящей средой. При этом восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не одновременно с ионизацией атомов металла и от электродного потенциала металла зависят их скорости. Первопричиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в окружающих их средах. Ржавление трубопровода, обивки днища морского суда, различных металлоконструкций в атмосфере - это, и многое другое, примеры электрохимической коррозии.

К электрохимической коррозии относятся такие виды местных разрушений, как питтинги, межкристаллитная коррозия, щелевая. Кроме того процессы электрохимической коррозии происходят в грунте, атмосфере, море.

Механизм электрохимической коррозии может протекать по двум вариантам:

1) Гомогенный механизм электрохимической коррозии:

- поверхностный слой мет. рассматривается как гомогенный и однородный;

- причиной растворения металла является термодинамическая возможность протекания катодного или же анодного актов;

- К и А участки мигрируют по поверхности во времени;

- скорость протекания электрохимической коррозии зависит от кинетического фактора (времени);

- однородную поверхность можно рассматривать как предельный случай, который может быть реализован и в жидких металлах.

2) Гетерогенный механизм электрохимической коррозии:

- у твердых металлов поверхность негомогенная, т.к. разные атомы занимают в сплаве различные положения в кристаллической решетке;

- гетерогенность наблюдается при наличии в сплаве инородных включений.

Электрохимическая коррозия имеет некоторые особенности: делится на два одновременно протекающих процесса (катодный и анодный), которые кинетически зависимы друг от друга; на некоторых участках поверхности электрохимическая коррозия может принять локальный характер; растворение основного мет. происходит именно на анодах.

Поверхность любого металла состоит из множества короткозамкнутых через сам металл микроэлектродов. Контактируя с коррозионной средой образующиеся гальванические элементы способствуют электрохимическому его разрушению.

Причины возникновения местных гальванических элементов могут быть самые разные:

1) неоднородность сплава

- неоднородность мет. фазы, обусловленная неоднородностью сплава и наличием микро- и макровключений;

- неравномерность окисных пленок на поверхности за счет наличия макро- и микропор, а также неравномерного образования вторичных продуктов коррозии;

- наличие на поверхности границ зерен кристаллов, выхода дислокации на поверхность, анизотропность кристаллов.

2) неоднородность среды

- область с ограниченным доступом окислителя будет анодом по отношению к области со свободным доступом, что ускоряет электрохимическую коррозию.

3) неоднородность физических условий

- облучение (облученный участок - анод);

- воздействие внешних токов (место входа блуждающего тока - катод, место выхода - анод);

- температура (по отношению к холодным участкам, нагретые являются анодами) и т. д.

При работе гальванического элемента одновременно протекает два электродных процесса:

Анодный - ионы металла переходят в раствор

Происходит реакция окисления.

Катодный - избыточные электроны ассимилируются молекулами или атомами электролита, которые при этом восстанавливаются. На катоде проходит реакция восстановления.

O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH - (кислородная деполяризация в нейтральных, щелочных средах)

O₂ + 4H + + 4e → 2H₂O (кислородная деполяризация в кислых средах)

2 H + + 2e → H₂ (при водородной деполяризации).

Торможение анодного процесса приводит к торможению и катодного.

При соприкосновении двух электропроводящих фаз (например, мет. - среда), когда одна из них заряжена положительно, а другая отрицательно, между ними возникает разность потенциала. Это явление связано с возникновением двойного электрического слоя (ДЭС). Заряженные частицы располагаются несимметрично на границе раздела фаз.

Скачек потенциалов в процессе электрохимической коррозии может происходить из-за двух причин:

При достаточно большой энергии гидратации ионы металла могут отрываться и переходить в раствор, оставляя на поверхности эквивалентное число электронов, которые определяют ее отрицательный заряд. Отрицательно заряженная поверхность притягивает к себе катионы мет. из раствора. Так на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой.

На поверхности металла разряжаются катионы электролита. Это приводит к тому, что поверхность мет. приобретает положительный заряд, который с анионами раствора образует двойной электрический слой.

Иногда возникает ситуация, когда поверхность не заряжена и, соответственно, отсутствует ДЭС. Потенциал, при котором это явление наблюдается называется потенциалом нулевого заряда (φ_N). У каждого металла потенциал нулевого заряда свой.

Величина электродных потенциалов оказывает очень большое влияние на характер коррозионного процесса.

Скачок потенциала между двух фаз не может быть измерен, но при помощи компенсационного метода можно измерить электродвижущую силу элемента (ЭДС), который состоит из электрода сравнения (его потенциал условно принят за ноль) и исследуемого электрода. В качестве электрода сравнения берется стандартный водородный электрод. ЭДС гальванического элемента (стандартный водородный электрод и исследуемый элемент) называют электродным потенциалом. Электродами сравнения могут также выступать хлорсеребряный, каломельный, насыщенный медно-сульфатный.

Международной конвенцией в Стокгольме 1953г. решено при записях электрод сравнения всегда ставить слева. При этом ЭДС рассчитывать, как разность потенциалов правого и левого электродов.

Если положительный заряд внутри системы движется слева направо - ЭДС элемента считается положительной, при этом

где F - число Фарадея. Если положительные заряды будут двигаться в противоположном направлении, то уравнение будет иметь вид:

При коррозии в электролитах самыми распространенными и значимыми являются адсорбционные (адсорбция катионов или анионов на границе раздела фаз) и электродные потенциалы (переход катионов из металла в электролит или наоборот).

Электродный потенциал, при котором металл находится в состоянии равновесия с собственными ионами называется равновесный (обратимый). Он зависит от природы металлической фазы, растворителя, температуры электролита, активности ионов мет.

Равновесный потенциал подчиняется уравнению Нернста:

где, E ο - стандартный потенциал мет.; R - молярная газовая постоянная; n - степень окисления иона мет.; Т - температура; F - число Фарадея;α_{Me n+} - активность ионов мет.

При установленном равновесном потенциале электрохимическая коррозия не наблюдается.

Если по электроду проходит электрический ток - равновесное состояние его нарушается. Потенциал электрода изменяется в зависимости от направления и силы тока. Изменение разности потенц., приводящее к уменьшению силы тока, принято называть поляризацией. Уменьшение поляризуемости электродов называют деполяризацией.

Скорость электрохимической коррозии тем меньше, чем больше поляризация. Поляризация характеризуется величиной перенапряжения.

Поляризация бывает трех типов:

- электрохимическая (при замедлении анодного или катодного процессов);

- концентрационная (наблюдается, когда скорость подхода деполяризатора к поверхности и отвода продуктов коррозии мала);

- фазовая (связана с образованием на поверхности новой фазы).

Электрохимическая коррозия наблюдается также при контакте двух разнородных металлов. В электролите они образуют гальванопару. Более электроотрицательный из них будет анодом. Анод в процессе будет постепенно растворяться. При этом идет замедление или даже полное прекращение электрохимической коррозии на катоде (более электроположительном). Например, при контакте в морской воде дюралюминия с никелем интенсивно растворятся будет именно дюралюминий.

Электрохимическая коррозия. Процессы, протекающие на катодном и анодном участках при электрохимической коррозии однородного металлического изделия.

К этому типу относят коррозию металлов, происходящую в растворах или расплавах электролитов. В отличие от химической, электрохимическая коррозия обусловлена появлением местных электрических токов. В этом случае наряду с химическими процессами (отдача электронов) протекают и электрические (перенос электронов от одного участка к другому). Другое важное отличие электрохимической коррозии от химической состоит в том, что общая реакция взаимодействия металла с окислителем может быть разделена на два процесса: анодный и катодный. Эти два сопряженных процесса взаимосвязаны и не могут протекать один без другого, например коррозия стали:

Анодный процесс в данном случае заключается в окислении металла – переходе ионов металла из кристаллической решетки в раствор в виде гидратированных ионов. Если бы никаких других электродных процессов в системе не происходило, то анодный процесс вскоре прекратился из-за наступления равновесия:

Катодный процесс заключается в восстановлении окислителей – химическом связывании избыточных электронов молекулами, атомами или ионами окислителей, присутствующими в окружающей среде. Молекулы, атомы или ионы веществ, которые связывают электроны, называют деполяризаторами коррозии.

Наиболее часто встречающиеся катодные процессы:

2. Ионизация молекул кислорода (деполяризатор – молекула кислорода):

а) O2 + 4H+ + 4e = 2H2O (pH < 7);

б) O2 + 2H2O + 4e = 4OH- (pH ³ 7)

При коррозии в атмосферных условиях на катодных участках имеет место борьба за преимущественное связывание электронов между ионами водорода (воды или кислоты) и молекулами кислорода, растворенного в жидкости. Вопрос решается в зависимости от величин электродных потенциалов металлов и потенциалов водородного и кислородного электродов в данных условиях.

Если потенциал металла–анода более отрицателен, чем потенциалы водородного и кислородного электродов в данных условиях, то коррозия может происходить как с ионизацией кислорода, так и с выделением водорода, т. е. оба катодных процесса будут протекать одновременно, параллельно. Если же потенциал металла более положителен, чем потенциал выделения водорода, но более отрицателен, чем потенциал ионизации кислорода в данных условиях, то коррозия металла может происходить только с поглощением кислорода.

Коррозия, возникающая при контакте двух металлов различной активности (гальванокоррозия). Определение катодного и анодного участков. Процессы, протекающие на катодном и анодном участках.

Частным случаем электрохимической коррозии является гальванокоррозия.

Гальванокоррозия возникает при контакте двух металлов различной активности. При этом металл с меньшим значением электродного потенциала начнет окисляться, т. е. выполнять функцию анода под действием окислителя, который будет восстанавливаться на поверхности другого металла, играющего роль катода. Образуется гальваническая пара.

Окисление металла, являющегося анодом самопроизвольно возникающей гальванической цепи, и называется гальванокоррозией.

Процессы, протекающие при гальванокоррозии, можно рассмотреть на примере действия воды на два металла, находящиеся в контакте железо – медь:

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия относится к наиболее часто встречающимся процессам постепенного разрушения металла.

Как мы знаем, наше окружение наполнено электричеством.

В зависимости от среды, меняются показатели проводимости. Не отличается то, что при контакте с такой средой сталь начинает постепенно портиться.

У процесса есть несколько важных отличий.

В первую очередь – неодновременное протекание восстановления окислительного процесса и ионизации атомов металла.

На интенсивность распространения при этом влияет такой параметр, как электродный потенциал металла.

Главная причина электрохимической коррозии в том, что большинство металлов проявляют термодинамическую неустойчивость.

Примеры распространения коррозии такого типа встречаются в воде, почве, на открытом воздухе.

Она часто становится причиной потери прочности и постепенного разрушения металла на днище судов, трубопроводов, опор ЛЭП и других объектов.

Если говорить о типах электрохимической коррозии, то называют 3 разновидности:

щелевые поражения;
питтинги;
межкристаллическое повреждение.

Повреждаться могут разные типы металлов в зависимости от их расположения. Ржавчина появляется при контакте со стоячей и текущей водой, в местах соединения разных металлов, а также на сварных швах.

Какие механизмы отвечают за протекание электрохимической коррозии

Такое повреждение металла проводится двумя механизмами – гомогенным и гетерогенным. Рассмотрим каждый из них подробно.

Гомогенный. Первоначально затрагивается поверхностный слой металлического изделия. Постепенно металл начинает растворяться под действием актов – катодного или анодного. На протяжении определенного времени происходит миграция катода и анода. Со временем процесс ускоряется. Особенность гомогенного механизма в том, что затрагивает как твердые, так и жидкие металлы. Меняется только скорость течения.
Гетерогенный. У большинства твердых металлов не наблюдается гомогенной поверхности. Это связано с тем, что в самом материале состав кристаллической решетки может отличаться. Также как и в описанном выше случае, формируется анодный и катодный процессы, металл начинает постепенно разрушаться.

У такого вида процесса есть несколько особенностей.

В первую очередь – четкое деление на катодный и анодный процесс. Один из основных факторов, влияющих на их скорость протекания относительно друг друга – это время.

Схема электрохимической коррозии

В зависимости от типа металла, коррозия может быть локализована на отдельных участках. Также наблюдается растворение поверхностного слоя на анодах, что позволяет поражению затронуть обширные площади.

Здесь появляется еще одна особенность протекания процесса – формирование гальванических элементов. Это происходит из-за специфики структуры поверхности, на которой присутствуют микроэлектроды.

Из-за чего начинает развиваться коррозия

После того, как мы рассмотрели суть электрохимической коррозии, пришло время обратить внимание на причины распространения коррозии.

Среди них три распространенные:

Сплав имеет неоднородную структуру. В большинстве сплавов поверхность негомогенная, потому что в кристаллической решетке присутствуют посторонние включения. Ухудшает ситуацию и присутствие пор макро и микротипа. Это приводит к тому, что продукты коррозии также начинают образовываться неравномерно.
Неоднородная среда, в которой находится металл. Чтобы коррозия протекла быстрее, важен фактор доступа окислителя. Электрохимическая реакция может быть ускорена.
Отличие физических условий. Коррозия усиливается в том случае, если происходит облучение, в среде присутствуют блуждающие тока. Негативно влияет и температура, особенно при перепадах. В таком случае разница между холодными и теплыми местами становится причиной появления анода.

Именно по причине различия в критических факторах, скорость электрохимической коррозии может сильно меняться.

Главные внутренние факторы протекания электрохимической коррозии

На интенсивность распространения коррозийного поражения влияют две группы факторов – внешние и внутренние.

Текущее состояние поверхности металла

Когда поверхность металла неровная, коррозийный процесс протекает намного интенсивнее. Если на поверхности присутствуют небольшие выступы, они начинают накапливать воду.

Это может негативно повлиять на интенсивность распространения.

Чтобы не допустить такого фактора, важно использовать отшлифованный или отполированный металл.

Когда сталь гладкая, вода не так сильно повреждает ее, потому что постепенно происходит формирование равномерной пленки по всей поверхности.

Также хорошим средством для уменьшения поражения становится применение пассивирования, а также ряд других способов.

Степень термодинамической стойкости металла

Разные виды материалов отличаются разными показателями термодинамической устойчивости.

Наиболее стойкие разновидности материала не разрушаются при помещении в агрессивную среду.

Чтобы понять, есть ли у металла склонность к коррозии под действием термодинамических факторов, измеряют потенциал анодного и катодного процесса, а также изобарно-изотермического.

Именно такой фактор оказывает большое влияние на потенциальное воздействие среды на постепенное развитие коррозии.

К сожалению, у большинства представленных в продаже марок металлов стойкость невысокая. Есть и неустойчивые разновидности, у которых этот риск нивелируется благодаря склонности к образованию пассивных пленок на поверхности.

Кристаллографическая структура

Оказывает прямое воздействие на металл.

Как известно, атомы в кристаллической решетке располагаются по-разному. Лучше защищены те разновидности, у которых атомы упакованы неплотно.

Особенности решетки также учитывают при планировании защиты материала методом создания на нем специальных пленок. И пленка и сам основной материал должны четко соответствовать по составу друг другу или быть максимально приближенными.

В этом случае исключается появление напряжения, которое негативно отражается на текущем состоянии заготовки. Если контакт с агрессивной средой все-таки происходит, материал начинает разрушаться слой за слоем.

Гетерогенность

Этот фактор рассматривается в непосредственной связи с величиной зерна металла.

Если в сплаве есть выраженные анодные включения, они сильно влияют на ускорение протекания коррозии.

Катодные включения не столь опасны, потому что на интенсивности процесса не отражаются. Величина зерна как фактор риска рассматривается не так часто и этим показателем можно пренебречь.

Не стоит сбрасывать со счетов и механические факторы

Важно понимать, что многие конструкции из металла используются под постоянным напряжением.

К этой категории относится повышенное внутреннее напряжение, когда сильно увеличивается риск деформации.

Негативно влияют на качество металла также воздействие истирания, периодические контакты с другими металлическими изделиями.

Такой фактор оказывает значительное влияние на интенсивность распространения повреждения.

Даже если само сырье первоначально обладало стойкостью к потенциальным повреждениям, в таком случае она уменьшится – формируемые пленки просто не будут закрепляться на поверхности.

Потому лучше сразу исключить это условие электрохимической коррозии – постараться не использовать металлоконструкции под пиковыми сильными нагрузками, не допускать возникновения трения и соприкосновения между собой стальных деталей.

Основные внешние факторы электрохимической коррозии

Кроме внутренних, на металл также влияют и внешние факторы.

Они могут не только ускорять, но и замедлять процесс, а также влиять на характер его протекания.

К ним относятся следующие:

Температура. Температура сильно влияет на то, как себя ведет металл в разных условиях. От нее сильно зависит то, насколько быстро будут растворяться вторичные продукты коррозии. Среди других особенностей – запуск и стимуляция диффузионных процессов в металле, создание перенапряжения на электродах и другие проявления. Когда металлическое изделие помещается в растворы с кислородной деполяризацией, по мере прогрева электролита диффузия окислителя ускоряется. На фоне этого наблюдается сильное снижение перенапряжения ионизации кислорода.

Если деталь помещается в растворы неокисляющихся кислот, наблюдается коррозия с водородной деполяризацией.

Повышение температуры уменьшает скорость распространения повреждений, потому что сильно снижается перенапряжение водорода.

Отдельно стоит отметить ситуацию, когда металл уже покрывается специальной защитной пленкой. В этом случае сам тип пленки будет влиять на то, как именно она поведет себя при контакте с разными видами внешних угроз, в том числе, с повышением температуры.

Нагрев и охлаждение могут отразиться на состоянии катодов и анодов через их внутренние процессы.

В некоторых случаях полярность электродов значительно меняется.

Как мы уже отмечали выше, проблемы могу возникать из-за того, что разные участки детали нагреты до отличающихся друг от друга температур.

В этом случае стремительно увеличивается количество термогальванических пар, стимулирующих распространение коррозии на новые участки.

Уровень рН раствора, в который помещен металл. Такой показатель как рН указывает, насколько в растворе будут активными ионы водорода, и как быстро коррозия будет распространяться по материалу. Это опасно, потому что может непредсказуемо менять потенциал катодных процессов, формирование окисных пленок. Также создается значительное перенапряжение реакции на электродах. Рекомендуется не допускать контакта металла со средами, у которых показатель рН высокий.

Если по каким-то причинам металлическая заготовка оказалась помещена в раствор, большое значение будет иметь скорость, с которой он движется, а также само наличие внутренних колебаний.

Заранее определить точное воздействие будет сложно по той причине, что всегда непросто предсказать, как поведут себя нейтральные электролиты.

Cчитается, что при смешении электролита, меняются показатели диффузии кислорода, что значительно отражается на процессе протекания коррозии.

Можно уделять меньше внимания скорости движения электролита в том случае, если вы имеете дело со средами повышенной кислотности.

На них подобное поражение оказывает минимум влияния.

Чем отличаются анодный и катодный процессы

Если вы внимательно проследите за тем, как работает гальванический элемент, то увидите, что в нем протекают сразу два связанных друг с другом процесса – анодный и катодный.

Рассмотрим их более подробно.

Анодный процесс

В химии показывается формулой Fe → Fe2+ + 2e. Она показывает, что постепенно запускается окисление, ионы металла начинают переход в раствор.

Катодный процесс

Может протекать по-разному.

В частности, переизбыток электронов решается ассимиляцией атомами электролита и его молекул. На фоне этого происходит восстановительная реакция непосредственно на самом катоде.

Формула будет зависеть от того, в каких условиях протекает реакция.

Так при наличии водородной деполяризации можно записать процесс как 2 H+ + 2e → H2.

Важно понимать, что оба процесса сильно связаны друг с другом под влиянием кинетического фактора.

С течением времени может происходить взаимное замедление или ускорение анодного или катодного процесса. При этом сам анод всегда будет оставаться тем местом, на котором формируется коррозия металла.

Во время анализа протекания процесса коррозии часто обращают внимание на электропроводящие фазы и момент после их соприкосновения.

Обычно одна фаза имеет положительный заряд, в то время как другая – отрицательный. Это приводит к появлению разности потенциалов.

Таким образом возникает ДЭС или как его часто называют ученые – двойной электрический слой с ассиметричным расположением частиц в местах, где фазы разделяются.

Опасным для металла становится скачок потенциалов. Он может стимулироваться двумя центральными причинами:

Большая накопленная энергия гидратации. В таком случае наблюдается отрыв ионов металла и постепенное перетекание их в раствор. На поверхности в результате остается аналогичное число электронов, заряд становится отрицательным. Далее, в соответствии с законами физики, наблюдается перетекание катионов из раствора, формируется ДЭС на границе, как мы уже описывали выше.
Разряжение катионов электролита. В результате металл начинает стремительно принимать положительный заряд. ДЭС появляется из-за активности анионов раствора в контакте с катионами электролита.

Что происходит в том случае, если поверхностный слой металла совсем не имеет определенного заряда?

В таком случае ДЭС наблюдаться не будет, возникнет явление нулевого заряда.

Его потенциал будет отличаться в зависимости от того, с каким металлом вам приходится работать.

Описанный процесс значительно отражается на том, как протекает коррозия и как быстро она захватывает все новые и новые участки металла.

В современной науке нет средств, которые могли бы точно измерить величину скачка потенциала, значит и процесс формирования электродвижущей силы оказывается на таким интенсивным.

Если рассматривать вопросы, связанные с процессом поляризации, можно написать отдельную статью на эту тему.

Потому далее мы рассмотрим другой важный показатель – поляризацию.

Поляризация и ее влияние на скорость протекания коррозии

Процесс поляризации связан с интенсивностью распространения электрохимической коррозии.

Этот показатель отражает, насколько сильное перенапряжение наблюдается на определенном участке.

Принято выделять три вида поляризации:

Электрохимическая. Чаще всего наблюдается в ситуации, когда катодный и анодный процессы начинают замедляться.
Фазовая. Возникает в том случае, если на поверхности материала формируется новая фаза.
Концентрационная. Этот процесс появляется в том случае, если есть очень малые показатели скорости отвода продуктов коррозии, а также подхода деполяризатора.

Особенности поляризации также стоит учитывать в том случае, если вы заинтересованы в дополнительной защите металлов от постепенного разрушения.

Обеспечиваем эффективную защиту от коррозии

Наша компания предлагает заказчикам защиту металлоконструкций разных типов от коррозии.

В пользу работы с нами говорит сразу несколько факторов:

Опыт работы с 2007 года, есть постоянные заказчики.
Большие производственные площади. Три цеха для горячего цинкования, мощность 120 тысяч тонн в год.
Универсальность. Работаем со множеством видов изделий благодаря установленной на предприятии самой глубокой ванны в ЦФО – 3,43 метра.

Мы используем в процессе проверенное европейское оборудование. Даем гарантию соответствия качества товаров требованиям ГОСТ 9.307-89.

Чтобы получить дополнительные консультации и ответы на интересующие вас вопросы, звоните нам или оставляйте заявку на сайте.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Электрохимическая коррозия - это взаимодействие металла с коррозионной средой, проводящей электрический ток, и ее скорость зависит от электродного потенциала металла.

Примером электрохимической коррозии является разрушение деталей машин, приборов и различных металлических конструкций в почвенных, грунтовых, речных и морских водах, в атмосфере, под пленками влаги, в технических растворах, под действием смазочно-охлаждающих жидкостей и т.д. При электрохимической коррозии всегда требуется наличие электролита (конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаются электроды — либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами.

Коррозионный элемент

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани

В гальванических элементах происходит переход химической энергии в электрическую энергию

Гальванический элемент содержит два металлических электрода, которые отличаются значениями своих электродных потенциалов. Электроды соединены между собою проводником и погружены в раствор электролита. Более активный металл является анодом, на котором протекает окисление, а менее активный – катодом, на котором протекает восстановление. Электроны, которые освобождаются при окислении анода, перемещаются на катод. Благодаря пространственному разделению полуреакций окисления и восстановления возникает электрический ток.

Анодом (А) называется участок поверхности металла, с которого ионы переходят в раствор электролита. Анод заряжен отрицательно (-) и на нем протекает окислительный процесс разрушения металла. Катод (К) - участок поверхности металла, где разряжаются катионы электролита. Катод заряжен положительно (+) и на нем протекает восстановительный процесс. Таким образом, поверхность металлического изделия представляет собой совокупность катодных и анодных микроучастков, которые в среде электролита образуют короткозамкнутые гальванические элементы. Во время работы гальванические элементы могут частично поляризоваться. В результате перехода электронов с анода на катод потенциал катода становится более отрицательным, а потенциал анода более положительным. В этом случае происходит явление выравнивания потенциалов, что вызывает прекращение тока и коррозии.

Активность металла характеризуется величиной стандартного потенциала металла. Чем меньше величина стандартного потенциала металла, тем больше способность атомов металла, погруженного в раствор, отдавать электроны, т.е. тем больше его химическая активность. В зависимости от величины стандартного потенциала металлы объединены в электрохимический ряд напряжений. Окислительная способность металлов увеличивается в этом ряду слева направо, а восстановительная способность металлов увеличивается справа налево. Чем левее находится металл в ряду напряжений (чем отрицательней значение его потенциала), тем выше его химическая активность. Анодом является более химически активный металл в паре, а катодом - пассивный.

Причины возникновения местных гальванических элементов:

• неоднородность металлической фазы, обусловлена неоднородностью сплава и наличием микро- и макровключений;

• неравномерность окисных пленок на поверхности за счет наличия макро-и микропор, а также неравномерного образования вторичных продуктов коррозии;

• наличие на поверхности границ зерен кристаллов, выхода дислокации на поверхность, анизотропность кристаллов.

• область с ограниченным доступом окислителя будет анодом по отношению к области со свободным доступом, что ускоряет электрохимическую коррозию.

• облучение (облученный участок - анод);

• воздействие внешних токов (место входа блуждающего тока - катод, место выхода - анод);

• температура (по отношению к холодным участкам, нагретые являются анодами) и т. д.

Анодные и катодные процессы при электрохимической коррозии металлов

Любой металл содержит примеси других металлов, поэтому в среде электролита система из основного металла (Мe₁) и металла-примеси (Мe₂) образуют большое число микрогальванических элементов:

где более активный металл, например Мe₁, является анодом (А) и на аноде идут процессы окисления (окисляется сам металл):

Менее активный металл (Мe₂) является катодом (К), на катоде идет процесс восстановления окислителя среды. При электрохимической коррозии в кислой среде на поверхности катода (менее активного металла) происходит восстановление катионов водорода:

процесс электрохимической коррозии Cu–Zn в кислой среде:

А(Zn): Zn – 2ē = Zn 2+ 1

Zn + 2H + = Zn 2+ + H₂

Образование гальванической пары Cu–Zn ускоряет процесс разрушения цинка.

Катионы водорода, восстанавливаясь на катоде, принимают электроны на медной поверхности, а на аноде происходит окисление цинка. Таким образом, при электрохимической коррозии происходит возникновение электрического тока, обусловленное перемещением электронов по поверхности металлов.

Морская вода имеет слабощелочную реакцию среды, рН варьирует в пределах от 7,5 до 8,4. При электрохимической коррозии в щелочной среде на аноде происходит окисление (разрушение) металла, а на катоде – восстановление молекулярного кислорода, растворенного в морской воде. А: Me(0) – ne → Me(n+) К: 2H₂O + О₂ + 4e → 4OH(-) (рН ≥ 7 – среда слабощелочная) При электрохимической коррозии анодом становится металл, обладающий меньшим значением электродного потенциала, а катодом – металл с большим значением электродного потенциала.

Влажная атмосферная коррозия наблюдается при наличии на поверхности тончайшей пленки влаги. Толщина такой пленки составляет от 100 до 1 мкм. Относительная влажность воздуха, при которой начинается образование влажной пленки, составляет около 60 – 70%. Значение, при котором начинается конденсация на поверхности влаги, называется критической влажностью. Критическая влажность зависит от загрязнения воздуха и состояния металла.

Уравнение атмосферной коррозии:

Анод: ионы металла переходят в раствор:

Катод: проходит реакция восстановления:

O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH - (щелочные, нейтральные среды)

O₂ + 4H + + 4e → 2H₂O (подкисленная среда)

Во многом стойкость металлов и сплавов, в условиях атмосферной коррозии, зависит от природы металла и состояния его поверхности.

Термодинамические основы процессов коррозии

Термодинамическую возможность электрохимической коррозии, как любого химического процесса, можно определить по изменению энергии Гиббса. Поскольку коррозия является самопроизвольно протекающим процессом, то сопровождается ее убылью, т.е. ∆G_T Me + mHO +ne.

Анодная пассивность металлов.

При значительном торможении анодной реакции ионизации металла скорость коррозионного процесса может понизится на несколько порядков. Такое состояние металла принято называть анодной пассивностью. Пассивность можно определить следующим образом: пассивность - состояние повышенной коррозионной устойчивости металла или сплава (в условиях, когда термодинамически он является реакционно способным), вызванное преимущественным торможением анодного процесса. Т.е. может произойти так, что в реальных условиях скорость коррозии "активных" элементов оказывается весьма незначительной в следствии наступления пассивного состояния. Например, титан расположенный левее цинка, и хром, расположенный рядом с цинком, в следствии наступления пассивности оказываются более коррозионностойкими в большинстве водных сред, чем цинк.

На склонность к пассивному состоянию влияет природа системы металл-раствор. Наибольшую склонность к переходу в пассивное состояние проявляют Ti,Ni,Al,Mg,Fe,Co и др.

Экспериментальное изучение процесса коррозии.

При выполнении практической части работы был проведен ряд экспериментов.

Опыт 1. Изучение влияния среды на коррозию железа

Посуда и реактивы: четыре химические пробирки, четыре железных гвоздя; дистиллированная вода, 0.5н раствор хлорида натрия, 0.5н раствор гидроксида натрия, 0.5 н раствор хлорида аммония.

Четыре одинаковых железных гвоздя помещают в четыре пробирки, приливают разные жидкости, закрывают пробирки и в течение месяца наблюдают за происходящими изменениями. В пробирке № 1 дистиллированная вода (вода была оставлена на воздухе для на насыщения O₂ ); в пробирке № 2 раствор хлорида натрия, в пробирке № 3 раствор гидроксида натрия, в пробирке № 4 раствор хлорида аммония.

Коррозия железа наблюдается во всех пробирках, кроме третьей.

Рис.1. Первая неделя эксперимента.

Рис.2.Вторая неделя эксперимента.

Рис.3. Третья неделя эксперимента.

Рис.4. Четвертая неделя эксперимента.

В пробирке 1 мало ржавчины, в чистой воде коррозия идет медленно т. к. вода слабый электролит.

A: Fe → Fe 2+ + 2 e −

4 Fe 2+ + O₂ → 4 Fe 3+ + 2 O 2−

В пробирке 2 ржавчины больше, следовательно, хлорид ионы увеличивают скорость коррозии. Эта система аналогична морской воде. Роль катода выполняют примеси в железе.

А: Fe 0 - 2e - →Fe 2+

В пробирке 3 ржавчины не наблюдается. В щелочных растворах (рН ≥ 10) на железе происходит образование нерастворимых гидроксидов, и скорость коррозии резко падает.

В пробирке 4 ржавчины много.

Это объясняется тем, что железо неустойчиво в кислой среде. Кислая среда обеспечивается солью NH₄Cl. Соль образована слабым основанием и сильной кислотой (гидролиз протекает по катиону). (NH4ОH -слабое основание, НСl - сильная кислота).

NH₄ + + НОН ↔ NH₄OH + Н + сокращенное уравнение

NH₄Cl + Н₂О ↔ NH₄OH + НСl молекулярное уравнение

Из сокращенного уравнения видно, что ионы ОН− воды связываются в слабый электролит, ионы Н + накапливаются в растворе и cреда становится кислой pH катодное покрытие

Реакции в кислой среде:

А: Fe 0 -2e - →Fe 2+

При нарушении целостности катодного покрытия разрушается защищаемый металл (Fe).

Zn более активный металл, чем Fe => анодное покрытие

А: Zn 0 -2e - →Zn 2+

При нарушении целостности анодного покрытия разрушается покрытие, а металл (Fe) остается защищенным.

Читайте также: