Электронное уравнение коррозии меди в кислой среде

Электрохимическая коррозия металлов

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлов под действием различных окислителей из окружающей среды.

В реальных условиях коррозии обычно подвергаются технические металлы, содержащие примеси других металлов и неметаллических веществ.

Механизм электрохимической коррозии в таких металлах аналогичен механизму процессов, протекающих в короткозамкнутых гальванических элементах, в которых на участках с более отрицательным потенциалом идет процесс окисления (разрушение металлов), а на участках с более положительным потенциалом процесс восстановления окислителя (коррозионной среды).

Наиболее часто встречаются окислители (деполяризаторы):

· ионы водорода (коррозия с водородной деполяризацией)

2Н + + 2 ē = Н ₂ (в кислой среде),

2Н₂О + 2 ē = Н₂ + 2ОН — (в нейтральной и щелочной средах);

O₂ + 4 ē + 4Н + = 2Н₂О (в кислой среде);

О₂ +4 ē + 2Н₂О = 4ОН — (в щелочной и нейтральной средах).

Методика рассмотрения работы гальванопары при электрохимической коррозии.

· Составляют схему гальванопары:

· Выписывают стандартные потенциалы металлов и окислителей коррозионной среды (табл.П.7), определяют восстановитель (меньший потенциал), окислитель (больший потенциал).

· Записывают уравнения процессов окисления и восстановления и суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей при гальванокоррозии.

· Указывают направление движения электронов.

Пример 1.Гальванопара алюминий —железо в воде (среда нейтральная). В воде растворен кислород.

· Схема гальванопары Al / H₂O, O₂ / Fe

· Потенциалы = —1,88 B; = —0,46B;

= + 0,814B.

Восстановитель – Al, окислитель — О₂.

· Al(—): 4 Al — 3 ē + 3Н₂О = Al(OH)₃+ 3Н + —процесс окисления;

Fe(+): 3 О₂ + 4 ēē + 2Н₂ О = 4ОН — —процесс восстановления

· Направление движения электронов от участка с меньшим потенциалом к участку с большим потенциалом:

(—) Al/ Fе (+) ē

О₂ , Н₂О

Пример 2. Определить процессы, протекающие при коррозии луженого железа (среда – влажный воздух, содержащий кислород, пары воды и ионы Н + ), если нарушена сплошность покрытия.

· Потенциалы:= —0,44 B; = —0,136 B;

= + 1,228 B.

Восстановитель – железо, окислитель – кислород.

·Fe(—): 2 Fe — 2ē = Fe 2+ – процесс окисления

Sn(+): 1 О₂ + 4 ē + 4Н + =2Н₂О – процесс восстановления

2Fe + О₂ + 4Н + = 2Fe 2+ + 2Н₂О

При нарушении целостности покрытия будет разрушаться Fe.

· Электроны движутся от участка с меньшим потенциалом к участку с большим потенциалом:

(—) Fe/ Sn (+) ē

О₂ , Н +

Пример 3. Рассмотреть коррозию детали из железа и алюминия в щелочной среде (КОН), если растворенный кислород отсутствует.

· Схема гальванопары: Al / КОН/ Fe

· Потенциалы: = —2,36 B; = —0,874 B;

= — 0,827 B. Восстановитель —алюминий, окислитель — вода.

· Al(—): 2 Al — 3ē + 4OH — = AlO₂ — + 2H₂O – процесс окисления

Fe(+): 3 2 H₂O + 2 ē = 2 OH — + H₂ – процесс восстановления

2 Al + 2 OH — + 2H₂O = 2 AlO₂ — + 3 H₂

· Направление перемещения электронов в системе:

(—) Al/ Fe (+) ē

H₂O, KOH

Задание к подразделу 4.4

Рассмотрите коррозию гальванопары, используя потенциалы (табл. П.7), укажите анод и катод соответствующей гальванопары в различной коррозионной среде, рассчитайте ЭДС, напишите уравнения анодного и катодного процессов, молекулярное уравнение реакции коррозии, укажите направление перемещения электронов в системе.

Электролиз растворов

Электролиз – это совокупность окислительно-восстановительных процессов, происходящих при прохождении электрического тока через электрохимическую систему, состоящую из двух электродов и электролита.

Электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом, он заряжен отрицательно. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом, он заряжен положительно.

При электролизе водных растворов могут протекать процессы, связанные с электролизом воды, т.е. растворителя.

Катодные процессы

На катоде возможно восстановление:

· катионов металла Ме n+ + nē = Me;

· катиона водорода (свободного или в составе молекул воды):

2H + + 2ē = H ₂­ ( в кислой среде) ;

2H₂O + 2 ē =H ₂­+ 2 OH — ( в нейтральной и щелочной средах).

Для выбора приоритетного процесса следует сравнить стандартные электродные потенциалы металла и водорода (табл. П.6, П.7). Потенциал восстановления катионов водорода необходимо использовать с учетом перенапряжения, » —1 В.Все металлы по своему поведению при электролизе водных растворов можно разделить на 3 группы.

1. Активные металлы (Li — Al) из-за низкой окислительной способности их ионов на катоде не осаждаются, вместо них идет восстановление ионов водорода.

2. Металлы средней активности (Mn, Zn, Fe, Sn) могут осаждаться на катоде с одновременным выделением водорода.

3. Малоактивные металлы (стоящие в ряду напряжений после водорода) из-за высокой окислительной способности их ионов осаждаются на катоде без выделения водорода.

Анодные процессы

На аноде возможны процессы окисления:

· материала анода Ме — nē = Me n +

Анионы кислородосодержащих кислот, имеющие в своем составе атом

элемента в высшей степени окисления (SO₄ 2 — , NO₃ — и др.), при электролизе водных растворов на аноде не разряжаются.

С учетом перенапряжения величину потенциала выделения кислорода нужно считать равной 1,8 В.

Пример 1. Электролиз водного раствора сульфата калия с инертными электродами:

(-) Kатод K + H₂O(+) Aнод SO₄ 2 — H₂O

= — 2,92 B ; = -1 B. Сульфат-ионы не разряжаются.

Так как> , » 1,8 B.

происходит восстановление воды: 2H₂O — 4ē = O₂­ + 4 H +

среда щелочная среда кислая

Пример 2. Электролиз водного раствора хлорида олова с инертными электродами:

SnCl ₂ = Sn 2+ + 2Cl —

(-) Kатод Sn 2 + , H₂O(+) Aнод Cl — , H₂O

= — 0,136 B ; = -1B. = 1,36 В ; » 1,8 B.

Так как> , Так как , идет идет процесс восстановления процесс окисления ионов Сl — :

ионов олова: Sn 2+ + 2 ē = S n 2Cl — — 2 ē = Cl ₂­

Пример 3. Электролиз сульфата меди с медным анодом:

(-) Kатод Cu 2+ H₂O (+) Aнод —Сu SO₄ 2 — H₂O

= + 0,34 B ; = -1 B. = + 0,34 B; » 1,8 B.

Так как> , Сульфат-ионы не разряжаются.

происходит восстановление Так как ,

ионов меди:Cu 2+ +2ē = Cu анод растворяется: Cu — 2ē = Cu 2+

Количественные соотношения при электролизе определяют в соответствии с законами, открытыми М. Фарадеем (1834).

Обобщенный закон Фарадея связывает количество вещества, образовавшегося при электролизе, со временем электролиза и силой тока:

,

где m — масса образовавшегося вещества , г;

М — молярная масса вещества, г/ моль;

n — количество электронов, участвующих в электродном процессе;

t — время электролиза, с;

F — константа Фарадея (96500 Кл/моль).

Для газообразных веществ, выделяющихся при электролизе, формулу использют в виде ,

где V— объем газа, выделяющегося на электроде; V 0 — объем 1 моль газообразного вещества при нормальных условиях (22,4 л/моль).

Пример 4. Рассчитать массу олова и объем хлора при нормальных условиях, выделившихся при электролизе раствора хлорида олова с инертными электродами в течение 1 часа при силе тока 4А.

Решение.

Задание к подразделу 4.5

Рассмотрите катодные и анодные процессы при электролизе водных растворов веществ. Процессы на электродах обоснуйте значениями потенциалов (табл. П.6,7,8). Составьте схемы электролиза с инертными электродами водных растворов предложенных соединений (отдельно два раствора) с инертными электродами либо растворимым анодом. Рассчитайте массу или объем (при нормальных условиях для газов) продуктов, выделяющихся на электродах при пропускании через раствор в течение 1 часа тока силой 1 А.

Электронное уравнение коррозии меди в кислой среде

8.2 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ

Причиной электрохимической коррозии * является возникновение на поверхности металла короткозамкнутых гальванических элементов *.

В тонком слое влаги, обычно покрывающем металл, растворяются кислород, углекислый, сернистый и другие газы, присутствующие в атмосферном воздухе. Это создает условия соприкосновения металла с электролитом *. Различные участки поверхности любого металла обладают разными потенциалами. Причинами этого могут быть наличие примесей в металле, различная обработка отдельных его участков, неодинаковые условия (окружающая среда), в которых находятся различные участки поверхности металла. При этом участки поверхности металла с более электроотрицательным потенциалом становятся анодами и растворяются.

Электрохимическая коррозия может развиваться в результате контакта различных металлов. В этом случае будет возникать не микр о- , а макрогальванопара , и коррозия называется контактной (см. детальную классификацию видов коррозии). Сочетания металлов, сильно отличающихся значениями электродных потенциалов *, в технике недопустимы (например, алюминий – медь). В случае коррозии, возникающей при контакте какого-либо металла со сплавом, последний имеет потенциал, соответствующий наиболее активному металлу, входящему в состав сплава. Например, при контакте латуни (сплав цинка и меди) с железом корродировать будет латунь за счет наличия в ней цинка.

Представим схематично работу короткозамкнутого гальванического элемента, возникающего на поверхности металла, подверженного коррозии в электролите * (рисунок 8.1). Анодный участок имеет более электроотрицательный потенциал, поэтому на нем идет процесс окисления металла. Образовавшиеся в процессе окислен ия ио ны переходят в электролит, а часть освободившихся при этом электронов может перемещаться к катодному участку (на рисунке 8.1 показано стрелками). Процесс коррозии будет продолжаться в том случае, если электроны, перешедшие на катодный участок, будут с него удаляться. Иначе произойдет поляризация электродов *, и работа коррозионного гальванического элемента прекратится.

Рисунок 8.1 – Схема электрохимической коррозии. Д – деполяризатор

Процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией. Вещества, при участии которых осуществляется деполяризация, называются деполяризаторами. На практике чаще всего приходится встречаться с двумя типами деполяризации: водородной и кислородной. Тип деполяризации (катодный процесс) зависит от реакции среды раствора электролита.

В кислой среде электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией. Рассмотрим коррозию железной пластинки с примесями меди во влажной хлористоводородной атмосфере Имеется в виду атмосфера с примесью газообразного HCl. . В этом случае железо будет анодом ( E ° = –0,44В), а медь – катодом ( E ° =+0,34В). На анодном участке будет происходить процесс окисления железа, а на катодном – процесс деполяризац ии ио нами водорода, которые присутствуют в электролите:

А: Fe – 2e → Fe 2+ – окисление

К: 2 H + + 2e → H₂ ↑ – восстановление

Схема возникающего короткозамкнутого гальванического элемента выглядит следующим образом:

A (–) Fe | HCl | Cu (+) К

В нейтральной среде коррозия протекает с кислородной деполяризацией, т.е. роль деполяризатора выполняет кислород, растворенный в воде. Этот вид коррозии наиболее широко распространен в природе: он наблюдается при коррозии металлов в воде, почве и в незагрязненной промышленными газами атмосфере. Если коррозии во влажном воздухе подвергается железо с примесями меди, то электродные процессы можно записать в виде:

(А) Fe – 2e → Fe 2+ – окисление

(К) 2 H₂O + O₂ + 4e → 4 OH – – восстановление

У поверхности металла в электролите протекают следующие реакции:

Fe 2+ + 2 OH – → Fe( OH)₂

Основная масса черных металлов разрушается вследствие процесса ржавления, в основе которого лежат вышеуказанные реакции.

Коррозия металла в результате неравномерного доступа кислорода . Случаи электрохимической коррозии, возникающей вследствие неравномерной аэрации кислородом различных участков металла, очень часто встречаются в промышленности и в подземных сооружениях. Примером может служить коррозия стальной сваи, закопанной в речное дно (рис 8.2).

Рисунок 8.2 – Коррозия в результате неравномерного доступа кислорода. Б – техническое сооружение; А – анодный участок; К – катодный участок.

Часть конструкции, находящаяся в воде, омывается растворенным в ней кислородом и, в случае возникновения условий для электрохимической коррозии, будет выполнять роль катода. Другая же часть конструкции, находящаяся в почве, будет анодом и подвергнется разрушению.

Какие факторы разрушают структуру меди

Что такое коррозия

Это разрушение металлов в результате воздействия на них окружающей среды. В странах с хорошо развитой промышленность ущерб от коррозии составляет 4–5% национального дохода. Портятся не только металлы, но и механизмы, и детали, изготовленные из них, что ведет к очень большим затратам. В результате ржавления трубопроводов зачастую происходит утечка вредных химических веществ, что приводит к загрязнению почвы, воды и воздуха. Все это пагубно сказывается на здоровье людей. Коррозия меди является спонтанным ее разрушением под влиянием отдельных элементов среды обитания человека. Причина порчи металла заключается в неустойчивости его к отдельным веществам, находящимся в воздухе. Скорость коррозии тем больше, чем выше температура.

Условия разрушения материала

Несмотря на устойчивость к порче, даже медные изделия при определенных условиях могут ржаветь. Меньше всего подобные явления выражены во влажном воздухе, воде, почве, больше – в кислой среде.

Серьезно снизить коррозию можно путем лужения – покрытия меди слоем олова. Качественное лужение дает надежную защиту от повреждений, повышает коррозионную стойкость, делает материал не подверженным действию высоких температур, дождя, града, снега. Срок службы луженых изделий составляет более 100 лет без потери первоначальных свойств.

Влияние воды

Скорость коррозии меди в воде сильно зависит от наличия оксидной пленки на ее поверхности, а также от степени насыщенности воды кислородом. Чем больше содержание последнего, тем интенсивнее протекает разрушение материала. В целом, медь считается стойкой к вредному воздействию соленой и пресной воды, и пагубно влияют на нее только растворенные ионы хлора, низкий уровень pH. Прочность, неподверженность ржавлению позволяет применять материал для изготовления трубопроводов.

Если на поверхности изделия, покрытого медью, имеется коричневая или зеленая оксидная корка, разрушающие вещества в малой степени проникают внутрь. Обычно оксидный слой формируется спустя 60 дней нахождения металла в воде. Более прочной считается зеленая корка (карбонатная), рыхлой и менее крепкой – черная (сульфатная).

В морской воде уровень коррозии практически такой же, как и в пресной. Лишь при ускорении движения жидкости коррозия становится ударной, поэтому – более интенсивной. Медь – материал, который не способен обрастать морскими микроорганизмами, ведь его ионы губительны для моллюсков, водорослей. Это свойство металла используется в судоходстве, рыбном хозяйстве.

Свойства меди

Медь – это самый первый металл, который стал использовать человек. Она золотистого цвета, а на воздухе покрывается оксидной пленкой и приобретает красно-желтый цвет, что отличает ее от других металлов, имеющих серый оттенок. Она очень пластична, обладает высокой теплопроводностью, считается отличным проводником, уступая только серебру. В слабой соляной кислоте, пресной и морской воде коррозия меди незначительная.

На открытом воздухе происходит окисление металла с образованием оксидной пленки, защищающей металл. Со временем она темнеет и становится коричневого цвета. Слой, покрывающий медь, называют патиной. Он изменяет свой цвет от коричневатого оттенка до зеленого и даже черного.

Чистка монет из меди

Медные монеты представляют собой антиквариат, и в наше время не выпускаются. Нередко их приходится чистить, чтобы вернуть привлекательный вид. Если монета контактировала со свинцом, налет на ней может быть желтоватым. В таком случае он прекрасно очищается столовым уксусом (9%). Зеленый налет убирают раствором лимонной кислоты (10%) или соком лимона, коричневый – аммиаком, углекислым аммонием.

Нужно помнить, что порой слой патины придает монетам более благородный и винтажный вид, поэтому удалять его желательно не всегда. Некоторые, напротив, стараются искусственно состарить деньги домашним способом. Для этого надо взять литр дистиллированной воды, 5 г аптечной марганцовки, 50 г медного купороса. Раствор нагреть, не кипятя, бросить в него монеты, оставить до достижения нужного оттенка. Для закрепления эффекта высохшие деньги обработать смесью бензола и спирта (1:1). После монеты обретут красивый состаренный облик и смогут украсить любую коллекцию предметов антиквариата.

Электрохимическая коррозия

Это самый распространенный вид разрушения металлических изделий. Электрохимическая коррозия разрушает детали машин, различные конструкции, находящиеся в земле, воде, атмосфере, смазочно-охлаждающих жидкостях. Это повреждение поверхности металлов под воздействием электрического тока, когда при химической реакции происходит отдача и перенос электронов с катодов на аноды. Способствует этому неоднородная химическая структура металлов. При контакте меди с железом в электролите возникает гальванический элемент, где железо становится анодом, а медь – катодом, потому что железо в ряду напряжений по таблице Менделеева стоит левее меди и обладает большей активностью.

В паре железа с медью коррозия железа наступает быстрее, чем меди. Это происходит потому, что при разрушении железа электроны от него переходят к меди, которая остается защищенной до тех пор, пока полностью не разрушится весь слой железа. Этим свойством часто пользуются для защиты деталей и механизмов.

Влияние примесей на порчу металлов

Известно, что металлы в чистом виде практически не подвергаются коррозии. Но на практике все материалы содержат какое-то количество примесей. Как же влияют они на сохранность при эксплуатации изделий? Допустим, что имеется деталь, изготовленная из двух металлов. Рассмотрим, как происходит коррозия меди с алюминием. При нахождении на воздухе ее поверхность покрывается тончайшей пленкой из воды. Надо заметить, что вода разлагается на ионы водорода и гидроксид-ионы, а углекислый газ, растворенный в воде, образует угольную кислоту. Получается, что медь и алюминий, погруженные в раствор, создают гальванический элемент. Причем алюминий – анод, медь – катод (алюминий в ряду напряжений стоит левее меди).

Ионы алюминия попадают в раствор, а к меди переходят избыточные электроны, разряжая у ее поверхности ионы водорода. Ионы алюминия и гидроксид-тоны соединяются и откладываются на поверхности алюминия в виде белого вещества, вызывая коррозию.

Коррозия в почве и влажном воздухе

Разрушение меди в грунте происходит под влиянием кислот, содержащихся в почве, в отличие от воды насыщенные кислородом породы в меньшей степени окисляют металл. Наибольшую опасность для изделий из меди представляют живущие в почве микроорганизмы, точнее, продукты их жизнедеятельности.

Земля также как и вода подвергает медные трубы коррозии

Многие из них выделяют сероводород, который способен разрушить структуру металла. Изделие, которое находилось долгое время в земле, может полностью рассыпаться при изъятии.

Во влажном воздухе коррозия меди проявляется с течением длительного периода времени. Сухой климат вообще не влияет на разрушение металла. Влажный воздух насыщен углекислым газом, сульфидами, хлоридами – эти вещества вызывают коррозию металла, разрушая ее защитную пленку. При длительном пребывании изделия во влажном воздухе начинает образовываться слой патины – это оксид солей, он сначала имеет темно-коричневый цвет, затем приобретает зеленый оттенок. Патина не растворяется в воде и не подвержена влиянию влажности, а также нейтральна к меди, поэтому не только не разрушает ее, но и выполняет защитную функцию. На сегодняшний день существуют методы искусственного создания патины, их чаще всего используют художники и скульпторы, делая предметы, похожими на старинные вещи. Винтажный стиль в интерьере сейчас пользуется большой популярностью.

Коррозия меди в кислых средах

Медь проявляет хорошую устойчивость к коррозии в любых условиях, так как нечасто вытесняет водород, потому что она в электрохимическом ряду напряжений стоит около благородных металлов. Широкое использование меди в химической промышленности вызвано ее стойкостью ко многим агрессивным органическим средам:

• нитратам и сульфидам;
• фенольным смолам;
• уксусной, молочной, лимонной и щавелевой кислоте;
• гидроокиси калия и натрия;
• слабым растворам серной и соляной кислоты.

С другой стороны, отмечается сильное разрушение меди в:

• кислых растворах солей хрома;
• минеральных кислотах — хлорной и азотной, причем коррозия усиливается с увеличением концентрации.
• концентрированной серной кислоте, усиливаясь при повышении температуры;
• гидроокиси аммония;
• окисляющих солях.

Почему ржавеет медь и как защитить ее от коррозии

Изделия из меди используются человеком на протяжении нескольких веков. В дореволюционные времена цена этого металла приравнивалась к стоимости золота, настолько дорогим было его производство. Сейчас медь намного подешевела, поэтому из нее, кроме украшений, делают посуду, интерьерные аксессуары и иные предметы.

Коррозия меди, в отличие от железа, развивается медленно благодаря ее устойчивости к данному явлению, и все-таки иногда приходится принимать меры по очистке изделий от некрасивого налета.

Методы предохранения металла

Практически все металлы в газообразной или жидкой среде подвергаются поверхностному разрушению. Основным способом защиты меди от коррозии является нанесение на поверхность изделий защитного слоя, состоящего из:

• Металла – на медную поверхность изделия наносится слой металла, который более устойчив к коррозии. Например, в качестве него используют латунь, цинк, хром и никель. В этом случае контакт с окружающей средой и окисление будет происходить с металлом, используемым для покрытия. Если защитный слой частично портится, то происходит разрушение основного металла – меди.
• Неметаллических веществ – это неорганические покрытия, состоящие из стекловидной массы, цементного раствора, или органические – краски, лаки, битум.
• Химических пленок – защиту образуют химическим способом, создавая на поверхности металла соединения, надежно предохраняющие медь от коррозии. Для этого используют оксидные, фосфатные пленки или насыщают поверхность сплавов азотом, органическими веществами либо обрабатывают углеродом, соединения которого надежно сохраняют ее.

Кроме этого, в состав медных сплавов вводят легирующий компонент, который усиливает антикоррозийные свойства, или изменяют состав окружающей среды, удаляя из нее примеси и вводя ингибиторы, замедляющие протекание реакции.

Воздействие кислот и щелочей

Водопроводные трубы из меди

Кислотная среда является для меди наиболее агрессивной. Самое сильное воздействие оказывают азотная и серная кислота, если раствор концентрированный, то металл может полностью раствориться. Эту особенность металла учитывают при изготовлении труб, деталей для нефтегазовой промышленности, где такие кислоты присутствуют постоянно. Коррозия меди в щелочной среде не наблюдается, наоборот, в щелочи медь восстанавливается с двухвалентного состояния до одновалентного. Медь сама по себе является щелочным металлом.

Для защиты металла от кислотного воздействия используют ингибиторы – это такие вещества, которые способны замедлить химические реакции. Различают следующие виды ингибиторных веществ:

• экранирующие – образуют на поверхности металла защитную пленку и не позволяют ему контактировать с кислотой;
• окислительные – образуют слой окиси на металле, который вступает в реакцию с кислотой и препятствуют ее проникновению к поверхности металла, при этом чем толще это слой, тем выше защита;
• катодные – повышают перенапряжение катодов раствора, вследствие чего химическая реакция замедляется.

Для меди наиболее приемлемым является экранирующий вид ингибиторов, при этом используют бензотриазол, вместе с солями меди он образует защитную пленку и препятствует разрушению металла.