Уравнения анодного катодного процессов при коррозии металлов

Процессы, идущие при электрохимической коррозии металлов

Задание 379.
Каков механизм электрохимической коррозии стального реактора, заполненного водным раствором HСl с рН 1,5? Приведите уравнения электродных процессов. Сколько граммов Fe прокорродировало, если на катодных участках выделилось 5,6 мл водорода (н. у.) и поглотилось 44,8 мл кислорода (н. у.)?
Решение:
M(Fe) = 55,845 г/моль
Причиной протекания электрохимической коррозии углеродистой стали в растворе соляной кислоте является 
неоднородность металла из-за наличия в нем примесей карбида железа Fe₃C. В результате на внутренней поверхности стального реактора возникают участки, имеющие разный потенциал и образующие микрогальванические элементы. Роль анода в таком элементе выполняет железо, которое окисляется, а роль катода – присутствующие в 
металле примеси карбида железа. 
На аноде осуществляется окисление металла по реакции: Fe – 2e  → Fe²⁺, образующиеся электроны по металлу переходят на катодный участок, где 
связываются окислителем из окружающей среды. В качестве окислителя выступают ионы (Н⁺), образующиеся при диссоциации хлороводороа (HCl = H⁺  + Cl^—), а также молекулы кислорода О₂, растворенного в растворе соляной кислоты. Стимулятором кислородной деполяризации на катоде будет карбид железа.
Учитывая то, что в качестве окислителей выступают ионы (Н⁺) и молекулы кислорода (О₂), на катоде могут протекать следующие процессы: 

2H⁺ + 2e- → H₂;
1/2O₂ + 2H⁺ + 2e- → H₂O.

Возможность протекания коррозии как с водородной так и с кислородной деполяризацией указывает на то, что коррозия углеродистой стали относится к типу смешанной коррозии металла.
Давайте проверим правильность наших предположений относительно смешанной коррозии углеодистой стали. Известно, если ЭДС коррозионного гальванического элемента меньше нуля (ЭДС < 0), то деполяризация водорода (или кислорода) не протекает; если же ЭДС коррозионного гальванического элемента больше нуля (ЭДС > 0), то деполяризация водорода (или кислорода) протекает.
Рассчитаем ЭДС предполагаемых коррозионных микроэлементов, получим:
Найдём стандартный электродный потенциал железа (E⁰(Fe²⁺/Fe⁰) =-0,44 В). По уравнению Нернста определим равновесные потенциалы вероятных окислителей (H⁺ и O₂) при нормальных условиях:

E (H⁺/H₂) = — 0,059 ^. pH = — 0,059 ^. 1,5 = -0,0885 В;
E (О₂/2Н₂0) = 1,227 — 0,059 ^. p1,5 = +1,1385 В.

ЭДС коррозионных микроэлементов равны:

ε₁ = Е_к(Н⁺) – Е_а = -0,0885 В – (-0.44 В) = +0.3515 В > 0 – коррозия с выделением водорода возможна;
ε₂ = Е_к(О₂) – Е_а = +1,1385 – (-0.44 В) = +0,6985 В > 0 – коррозия с поглощением кислорода также возможна.

Значит, возможна коррозия железа с протеканием на катоде двух реакций:

2H⁺ + 2e- → H₂;
1/2 O₂ + 2H⁺ + 2e- → H₂O.

Таким образом, уравнения реакций анодного и катодного процессов выглядят следующим образом:

(анод):  Fe – 2e- → Fe²⁺
(катод): 2H⁺ + 2e- → H₂
O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O (молекулярная форма).

Таким образом, уравнения реакций анодного и катодного процессов выглядят следующим образом:

Видео:Коррозия металлов и меры по ее предупреждению. 8 класс.Скачать

(анод):  Fe – 2e- → Fe²⁺
(катод): 1|2|2H+ + 2e- → H₂

 O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O (молекулярная форма).

Тогда

Электродные процессы при водородной деполяризации:

Анод:  1|2|Fе⁰ – 2е   = Fe²⁺ 
Катод: 1|2|2Н⁺ + 2е   = Н₂↑.

Суммарное ионно-молекулярное уравнение реакции:

Fe⁰ + 2H⁺ = Fe²⁺  + H₂↑. 

Суммарное молекулярное уравнение реакции:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑.

Электродные процессы при кислородной деполяризации:

Анод:  2|4|Fе⁰ – 2е   = Fe²⁺ 
Катод: 1|2|О₂ +  4Н⁺ + 4е   = 2Н₂О.

Суммарное молекулярное уравнение реакции:

 2Fe⁰ + O₂ + 4H⁺ = 2Fe²⁺  + 2H₂O.

Видео:Электрохимическая коррозияСкачать

Суммарное онно-молекулярное уравнение реакции:

2Fe + 4HCl + O₂ = 2FeCl₂ + 2H₂O.

Таким образом, на катоде будет одновременно выделяться газообразный водород, а поглощаться — кислород.
При вычислении массы прокорродировавшего железа будем учитывать молекулярные процессы водородной и кислородной деполяризаций на катоде. Из молекулярного уравнения процессов при водородной деполяризации вытекает, что на 1 моль прокорродированного железа выделяется 1 моль водорода, n(Fe) = n(H₂). Из молекулярного уравнения процессов при кислородной деполяризации вытекает, что на 2 моль прокорродированного железа выделяется 1 моль кислорода, n(Fe) = 1/2n(О₂).
Рассчитаем количество выделившегося водорода:

n(H₂) = n(Fe) = V(H₂)/Vm = 5,6/22,4 = 0,25 моль

Рассчитаем массу прокорродировавшего железа на катоде при водородной деполяризации:

m1(Fe) = n(Fe) ^. M(Fe) = 0,25 ^. 55,845 = 13,96 г.

Рассчитаем количество поглощенного кислорода:

n(О₂) = 2n(Fe) = V(О₂)/Vm = 44,8/22,4 = 2 моль, n(Fe) = 4 моль.

Рассчитаем массу прокорродировавшего железа на катоде при кислородной деполяризации:

m2(Fe) = n(Fe) ^. M(Fe) = 4 ^. 55,845 = 223,38 г.

Теперь рассчитаем сколько граммов Fe прокорродировало:

mобщ(Fe) = m₁(Fe) + m₂(Fe) = 13,96 + 223,38 = 237,34 г приблизительно 237 г.

Ответ: 237 г Fe.
 

Задача 380.
Написать процессы, идущие при электрохимической коррозии меди, покрытой серебром, в слабощелочной среде.
Решение:
Разрушению всегда подвергается металл, чей потенциал E(Men⁺/Me) будет меньше. Роль второго металла — проводник электронов, он защищен от коррозии, так как на нем возникает отрицательный заряд, и именно на втором металле окислитель среды принимает электроны.
Стандартные электродные потенциалы меди и серебра равны соответственно -0,136 В и -2,38 В. Окисляться, т.е. подвергаться коррозии, будет магний. 
Медь имеет более электроотрицательный стандартный электродный потенциал (+0,345 В), чем серебро (+0,799 В), поэтому она является анодом, серебро – катодом.
Значит, коррозионному разрушению будет подвергаться более активный металл‑ медь (анод). Окислителем в щелочной среде являются ионы водорода из воды, которые разряжаются на серебре.

Видео:Коррозия металла. Химия – ПростоСкачать

Cu – 2e = Cu²⁺ анодный процесс (окисление меди);
2H₂O + 2e = H₂ +2OHˉ катодный процесс (протекает на Ag).
Cu + 2H₂O = Cu²⁺ + H₂ + 2OHˉ (ионно-молекулярная форма);
Сu + 2H₂O = Cu(OH)₂ + H₂ (молекулярная форма).
 

Задача 381.
Стальная конструкция находится в морской воде. Как будет протекать коррозия с цинковым протектором? Запишите уравнения протекающих при этом процессов.
Решение:
Для защиты металических конструкций в морской воде применяют протекторную защиту. В качестве протектора применяется более активный металл, чем железо, например цинк. 
Стандартный электродный потенциал цинка (-0,763 В) отрицательнее, чем потенциал железа (-0,44 В), поэтому цинк будет являться анодом, а железо – катодом. 
При таком контакте возникает гальваническая пара типа Zn — Fe и коррозии подвергается протектор, а не сама стальная конструкция (трубопровод, корпус корабля и т.п.). Например, корпус корабля защищают протектором – цинковые брусья, которые крепят в нескольких местах днища корабля. Под действием морской воды и кислорода  цинк разрушается, а корпус корабля защищается, таким образом, от коррозии. 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. При этом протекают следующие электрохимические процессы:

 Анодный процесс: 2|4|Zn⁰ — 2e → Zn²⁺;
Катодный процесс: 1|2|O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH^─.
2Zn⁰ + O₂ + 2H₂O = 2Zn²⁺ + 4OH^─ (ионно-молекулярная форма процесса);
2Zn + O₂ + 2H₂O = 2Zn(OH)₂ (молекулярная форма процесса).

Таким образом, цинк разрушается, окисляясь до ионов Zn²⁺, которые с гидроксильными ионами образуют нерастворимый гидроксид Zn(OH)₂ или в виде ионов Zn²⁺ уходит в раствор. Основной металл конструкции остаётся неповреждённым. 
Схема коррозионного элемента:

А(-) Zn|Zn²⁺||О₂, 2H₂O |4OH^─ (+)К.
 

Анодное и катодное покрытие металлов

Задача 382.
Из таблицы стандартных электродных потенциалов подобрать анодное и катодное покрытие для Cd. Составить электронные уравнения анодного и катодного процессов.
Решение:
а) Анодные покрытия – это покрытия, выполненные из металла, у которого электродный потенциал меньше, чем у защищаемого металла. Для кадмия, работающего в малокислых или нейтральных растворах, анодными покрытиями являются железо, хром, цинк, марганец, алюминий и другие металлы, имеющие меньший электродный потенциал, чем у кадмия.
Поскольку Е(Cd/Cd²⁺) = — -0,403 В, то потенциал протектора должен быть меньше потенциала свинца.
Выбираем в качестве протектора марганец, потенциал которого (-1,179). 
Следовательно, анодом теперь будет протектор – Mn, а на сплаве будут протекать катодные процессы. При нарушении марганцевого покрытия будут происходить следующие электрохимические процессы:

1) В кислой среде (пусть будет раствор серной кислоты):

Анодный процесс: Mn⁰ — 2e  = Mn²⁺
Катодный процесс: 2Н⁺ + 2e = Н₂↑
Mn + 2H⁺ = Mn²⁺ + Н₂↑ (ионно-молекулярная форма);
Mn + H₂SO₄ = MnSO₄ + Н₂↑ (молекулярная форма).

2) в нейтральной среде:

Анодный процесс: Mn – 2e + 2H₂O  = Mn(OH)₂ + 2H⁺ 
Катодный процесс: 2H₂O + 2e = H₂↑ + 2OHˉ 
Mn + 2H₂O + 2H₂O = Mn(OH)₂ + H₂↑ + 2H⁺ + 2OH ˉ (ионно-молекулярная форма);
Mn + 2H₂O  = Mn(ОН)₂ + H₂↑ (молекулярная форма)/

3) в щелочной среде:

 Анодный процесс: 1|Mn – 6e + 8OH⁺ = MnO₄^2- + 4H₂O
Катодный процесс: 3|2H₂O + 2e = H₂ +2OHˉ 
Mn + 6H₂O + 8OH^— = MnO₄^2- + 4H₂O + H₂↑ + 6OHˉ

После приведения обоих членов равенства получим:

Mn + 2H₂O + 2OH^— = MnO₄^2- + 3H₂↑ (ионно-молекулярная форма);
Mn + 2H₂O + 2NaOH = Na₂MnO₄ + 3H₂↑ (молекулярная форма).

Видео:Химия 11 класс (Урок№9 - Коррозия металлов и её предупреждение.)Скачать

Таким образом, при анодном покрытии будет разрушаться металл покрытияр, а кадмий останется невредимым. Следовательно, анодные покрытия могут защищать металл от коррозии даже при повреждений покрытия.

б) Катодные покрытия – это покрытия, выполненные из металла, у которого электродный потенциал больше, чем у защищаемого металла. Для кадмия, работающего в малокислых или нейтральных растворах, катодными покрытиями являются кобальт, никель, цинк, олово, свинец и другие металлы, имеющие больший электродный потенциал, чем у кадмия. При повреждении покрытия (или наличии пор) возникает коррозионный элемент, в котором основной материал в поре служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. Следовательно, катодные покрытия могут защищать металл от коррозии при отсутствии пор и повреждений покрытия.
При покрытиикадмия оловом возникает коррозионная пара, в которой олово является катодом, а кадмий – анодом, так как кадмий имеет более отрицательный стандартный электродный потенциал (-0,403 В), чем олово (-0,14 В). При этом будут протекать следующие электрохимические процессы:

1) В кислой среде (пусть будет раствор серной кислоты):

Анодный процесс: Cd⁰ — 2e  = Cd²⁺
Катодный процесс: 2Н⁺ + 2e = Н₂↑
Cd + 2H⁺ = Cd²⁺ + Н₂↑ (ионно-молекулярная форма);
Cd + H₂SO₄ = CdSO₄ + Н₂↑ (молекулярная форма).

2) в нейтральной среде:

Анодный процесс: Cd – 2e + 2H₂O  = Cd(OH)₂ + 2H⁺ 
Катодный процесс: 2H₂O + 2e = H₂↑ + 2OHˉ 
Cd + 2H₂O + 2H₂O = Cd(OH)₂ + H₂↑ + 2H⁺ + 2OH ˉ (ионно-молекулярная форма);
Cd + 2H₂O  = Cd(ОН)₂ + H₂↑ (молекулярная форма)/

3) в щелочной среде:

 Анодный процесс: 1|Cd – 6e + 8OH⁺ = CdO₄^2- + 4H₂O
Катодный процесс: 3|2H₂O + 2e = H₂ +2OHˉ 
Cd + 6H₂O + 8OH^— = CdO₄^2- + 4H₂O + H₂↑ + 6OHˉ

После приведения обоих членов равенства получим:

Cd + 2H₂O + 2OH^— = CdO₄^2- + 3H₂↑ (ионно-молекулярная форма);
Cd + 2H₂O + 2NaOH = Na₂[Cd(OH)₄] + H₂↑ (молекулярная форма).
 

Задача 383.
Выберите два металла, которые можно выбрать для анодного покрытия детали из свинца и напишите уравнение реакции в кислой, нейтральной и щелочной среде при повреждении покрытия.
Решение:
Анодные покрытия – это покрытия, выполненные из металла, у которого электродный потенциал меньше, чем у защищаемого металла. Для свинца, работающего в малокислых или нейтральных растворах, анодными покрытиями являются цинк, хром, марганец, алюминий и другие металлы, имеющие меньший электродный потенциал, чем у цинка. 
Поскольку Е(Pb/Pb²⁺) = — 0,126 В, то потенциал протектора должен быть меньше потенциала свинца.
1. Выбираем в качестве протектора марганец, потенциал которого (-1,179 В). 
Следовательно, анодом теперь будет протектор – Mn, а на сплаве будут протекать катодные процессы. При нарушении марганцевого покрытия будут происходить следующие электрохимические процессы:

а) в кислой среде (пусть будет раствор серной кислоты):

Анодный процесс: Mn⁰ — 2e  = Mn²⁺
Катодный процесс: 2Н₊ + 2e = Н₂↑
Mn + 2H⁺ = Mn²⁺ + Н₂↑ (ионно-молекулярная форма);
Mn + H₂SO₄ = MnSO₄ + Н₂↑ (молекулярная форма).

б) в нейтральной среде:

Видео:Коррозия металловСкачать

Анодный процесс: Mn – 2e + 2H₂O  = Mn(OH)₂ + 2H⁺ 
Катодный процесс: 2H₂O + 2e = H₂↑ + 2OHˉ 
Mn + 2H₂O + 2H₂O = Mn(OH)₂ + H₂↑ + 2H⁺ + 2OH ˉ (ионно-молекулярная форма);
Mn + 2H₂O  = Mn(ОН)₂ + H₂↑ (молекулярная форма)/

в) в щелочной среде:

 Анодный процесс: 1|Mn – 6e + 8OH⁺ = MnO₄^2- + 4H₂O
Катодный процесс: 3|2H₂O + 2e = H₂ +2OHˉ 
Mn + 6H₂O + 8OH^— = MnO₄^2- + 4H₂O + H₂↑ + 6OHˉ

После приведения обоих членов равенства получим:

Mn + 2H₂O + 2OH^— = MnO₄^2- + 3H₂↑ (ионно-молекулярная форма);
Mn + 2H₂O + 2NaOH = Na₂MnO₄ + 3H₂↑ (молекулярная форма).

2. Выбираем в качестве протектора хром, потенциал которого (-0,913 В)

Следовательно, анодом теперь будет протектор – Cr, а на сплаве будут протекать катодные процессы. При нарушении хромового покрытия будут происходить следующие электрохимические процессы:

а) В кислой среде (пусть будет раствор серной кислоты):

 Анодный процесс: 2|Cr⁰ — 3e  = Cr³⁺
Катодный процесс: 3|2Н⁺ + 2e = Н₂↑
2Cr + 6H⁺ = 2Cr³⁺ + 3Н₂↑ (ионно-молекулярная форма);
2Cr + 3H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 3Н₂↑ (молекулярная форма).

б) в нейтральной среде:

 Анодный процесс: 2|Cr – 3e + 3H₂O  = Cr(OH)₃ + 3H⁺ 
Катодный процесс: 3|2H₂O + 2e = H₂↑ + 2OHˉ 
2Cr + 6H₂O + 6H₂O = 2Cr(OH)₂ + 3H₂↑ + 6H⁺ + 6OH ˉ (ионно-молекулярная форма);
2Cr + 6H₂O  = 2Cr(ОН)₃ + 3H₂↑ (молекулярная форма)/

в) в щелочной среде:

 Анодный процесс: 2|Cr – 3e + 4OH⁺ = CrO₂^— + 2H₂O
Катодный процесс: 3|2H₂O + 2e = H₂ +2OHˉ 
2Cr + 6H₂O + 8OH^— = CrO₂^— + 4H₂O + 3H₂↑ + 6OHˉ (ионно-молекулярная форма);

Видео:Электролиз. 10 класс.Скачать

После приведения обоих членов равенства получим:

2Cr + 2H₂O + 2OH^— = CrO₂^— + 3H₂↑ (ионно-молекулярная форма);
2Cr + 2H₂O + 2NaOH = 2NaCrO₂ + 3H2↑ (молекулярная форма).