Уравнения анодного катодного процессов при коррозии металлов

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 = Ек+) – Еа = -0,0885 В – (-0.44 В) = +0.3515 В > 0 – коррозия с выделением водорода возможна;
ε2 = Ек2) – Еа = +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:Электрохимическая коррозияСкачать

Электрохимическая коррозия

(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:Коррозия металла. Химия – ПростоСкачать

Коррозия металла. Химия – Просто

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 металлов и меры по ее предупреждению. 8 класс.Скачать

Коррозия металлов и меры по ее предупреждению. 8 класс.

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+ = MnO42- + 4H2O
Катодный процесс: 3|2H2O + 2e = H2 +2OHˉ 
Mn + 6H2O + 8OH = MnO42- + 4H2O + H2↑ + 6OHˉ

После приведения обоих членов равенства получим:

Mn + 2H2O + 2OH = MnO42- + 3H2↑ (ионно-молекулярная форма);
Mn + 2H2O + 2NaOH = Na2MnO4 + 3H2↑ (молекулярная форма).

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

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

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+ = CdO42- + 4H2O
Катодный процесс: 3|2H2O + 2e = H2 +2OHˉ 
Cd + 6H2O + 8OH = CdO42- + 4H2O + H2↑ + 6OHˉ

После приведения обоих членов равенства получим:

Cd + 2H2O + 2OH = CdO42- + 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:Электролиз. 10 класс.Скачать

Электролиз. 10 класс.

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+ = MnO42- + 4H2O
Катодный процесс: 3|2H2O + 2e = H2 +2OHˉ 
Mn + 6H2O + 8OH = MnO42- + 4H2O + H2↑ + 6OHˉ

После приведения обоих членов равенства получим:

Mn + 2H2O + 2OH = MnO42- + 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:Коррозия металловСкачать

Коррозия металлов

После приведения обоих членов равенства получим:

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


💡 Видео

Электрохимическая коррозия (алюминий — медь)Скачать

Электрохимическая коррозия (алюминий — медь)

Гальванические элементы. 1 часть. 10 класс.Скачать

Гальванические элементы. 1 часть. 10 класс.

Коррозия металлов и способы защиты от нееСкачать

Коррозия металлов и способы защиты от нее

ЭлектролизСкачать

Электролиз

Химия 9 Коррозия металловСкачать

Химия 9 Коррозия металлов

Классификация коррозионных процессовСкачать

Классификация коррозионных процессов

Электрохимическая защита. Катодная защитаСкачать

Электрохимическая защита. Катодная защита

8. Коррозия металловСкачать

8. Коррозия металлов

Урок 22. Коррозия металлов. Химия 11 классСкачать

Урок 22. Коррозия металлов. Химия 11 класс

Коррозия металлов и её предупреждениеСкачать

Коррозия металлов и её предупреждение

Межкристаллитная коррозияСкачать

Межкристаллитная коррозия

Ингибиторы коррозииСкачать

Ингибиторы коррозии

Коррозия металла (часть 2). Химия – ПростоСкачать

Коррозия металла (часть 2). Химия – Просто

коррозия металловСкачать

коррозия металлов
Поделиться или сохранить к себе:
Конспекты лекций по химии