ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ: МЕХАНИЗМЫ, ПРИМЕРЫ, ЗАЩИТА - ХИМИЯ - 2024

Гальваническая или электрохимическая коррозия представляет собой процесс , при котором металл или сплав деградирует более резко по сравнению с обычным окислением. Можно сказать, что это ускоренное окисление и даже намеренно стимулированное; как это происходит с элементами или батареями.

Это происходит при соблюдении ряда условий. Во-первых, должен быть активный металл, называемый анодом. Кроме того, во-вторых, должен быть низкоактивный благородный металл, называемый катодом. Третье и четвертое условия - это наличие среды, в которой распространяются электроны, такой как вода, и ионных частиц или электролитов.

Ржавая железная корона. Источник: Pixnio.

Гальваническая коррозия особенно заметна в морской среде или на берегах пляжей. Воздушные потоки поднимают массу водяного пара, который, в свою очередь, переносит некоторые ионы; последние остаются прилипшими к тонкому слою воды или каплям на металлической поверхности.

Эти условия влажности и солености способствуют коррозии металла. То есть железная корона, подобная той, что на изображении выше, будет ржаветь быстрее, если она будет находиться в непосредственной близости от моря.

Легкость окисления одного металла по сравнению с другим может быть измерена количественно через его восстановительные потенциалы; Таблицы с этими потенциалами изобилуют книгами по химии. Чем более вы отрицательны, тем больше вы склонны к ржавчине.

Точно так же, если этот металл находится в присутствии другого с очень положительным восстановительным потенциалом, таким образом, имея большой ΔE, окисление химически активного металла будет более агрессивным. Другие факторы, такие как pH, ионная сила, влажность, присутствие кислорода и соотношение между областями металла, который окисляется и который восстанавливается, также важны.

Механизмы

Концепции и реакции

Прежде чем рассматривать механизмы, лежащие в основе гальванической коррозии, необходимо прояснить некоторые концепции.

В окислительно-восстановительной реакции один вид теряет электроны (окисляется), а другой получает их (восстанавливает). Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом; и на котором происходит восстановление, катод (в английском языке мнемоническое правило redcat обычно используется для его запоминания).

Таким образом, для электрода (кусок, винт и т. Д.) Из металла M, если он окисляется, он называется анодом:

M => M ^{n +} + ne ^-

Количество выпущенных электронов будет равно величине положительного заряда образовавшегося катиона M ^{n +} .

Затем другой электрод или металл R (оба металла должны каким-то образом соприкасаться) получает высвобожденные электроны; но он не подвергается химической реакции, если он получает электроны, поскольку он будет только проводить их (электрический ток).

Следовательно, в растворе должна быть другая разновидность, которая может формально принимать эти электроны; как легко восстанавливаемые ионы металлов, например:

R ^{n +} + ne ^- => R

То есть образовался бы слой металла R, и поэтому электрод стал бы тяжелее; в то время как металл M потерял бы массу из-за растворения его атомов.

деполяризаторов

Что, если бы не было катионов металлов, которые можно было бы достаточно легко восстановить? В этом случае другие частицы, присутствующие в среде, примут электроны: деполяризаторы. Они тесно связаны с pH: O ₂ , H ⁺ , OH ^- и H ₂ O.

Кислород и вода приобретают электроны в результате реакции, выражаемой следующим химическим уравнением:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

В то время как ионы H ⁺ превращаются в H ₂ :

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

Это то есть виды ОН ^- и Н ₂ являются общие продукты гальванического или электрохимической коррозии.

Даже если металл R не участвует ни в какой реакции, тот факт, что он более благороден, чем M, способствует его окислению; и, следовательно, будет более высокое производство ионов OH ^- или газообразного водорода. Потому что, в конце концов, это разница между потенциалами восстановления ΔE, один из основных драйверов этих процессов.

Железная коррозия

Механизм коррозии железа. Источник: Википедия.

После предыдущих пояснений можно рассмотреть пример коррозии железа (верхнее изображение). Предположим, есть тонкий слой воды, в которой растворяется кислород. В отсутствие других металлов тон реакции задают деполяризаторы.

Таким образом, железо потеряет часть атомов со своей поверхности, чтобы раствориться в воде в виде катионов Fe ²⁺ :

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Два электрона будут проходить через кусок железа, потому что он хорошо проводит электричество. Итак, известно, где началось окисление или анодный участок; но не там, где будет происходить восстановление или расположение катодной площадки. Катодная площадка может быть где угодно; и чем больше его возможная площадь, тем сильнее будет коррозия металла.

Предположим, электроны достигают точки, как показано на изображении выше. Здесь и кислород, и вода вступают в уже описанную реакцию, при которой выделяется ОН ^- . Эти анионы OH ^- могут реагировать с Fe ²⁺ с образованием Fe (OH) ₂ , который выпадает в осадок и подвергается последующему окислению, которое в конечном итоге превращает его в ржавчину.

Между тем анодная площадка трескается все больше и больше.

Примеры

Примеры гальванической коррозии в повседневной жизни многочисленны. Нам не обязательно говорить о железной короне: любой артефакт из металла может пройти тот же процесс в присутствии влажной и соленой среды.

Помимо пляжа, зимой также могут быть идеальные условия для коррозии; например, при засыпании соли в снег на дороге для предотвращения заноса автомобилей.

С физической точки зрения влага может сохраняться в сварных соединениях двух металлов, являющихся активными очагами коррозии. Это связано с тем, что оба металла ведут себя как два электрода, причем более реактивный из них теряет электроны.

Если образование ионов ОН ^- значительно, это может даже вызвать коррозию краски автомобиля или рассматриваемого устройства.

Анодные индексы

Можно построить свои собственные примеры гальванической коррозии, используя таблицы восстановительного потенциала. Однако для иллюстрации этого момента будет выбрана таблица анодного индекса (сама по себе упрощенная).

Анодные индексы для различных металлов или сплавов. Источник: Википедия.

Предположим, например, что мы хотим построить электрохимический элемент. Металлы, которые находятся в верхней части таблицы анодных индексов, более катодны; то есть они легко восстанавливаются, и поэтому их будет трудно получить в растворе. В то время как металлы, которые находятся внизу, более анодны или химически активны, и они легко корродируют.

Если мы выберем золото и бериллий, оба металла не смогут долго находиться вместе, поскольку бериллий будет окисляться очень быстро.

А если, с другой стороны, у нас есть раствор ионов Ag ⁺ и мы погрузим в него алюминиевый брусок, он растворится одновременно с осаждением частиц металлического серебра. Если бы этот стержень был подключен к графитовому электроду, электроны отправились бы к нему, чтобы электрохимически осаждать на нем серебро в виде серебряной пленки.

А если бы вместо алюминиевого бруска он был сделан из меди, раствор стал бы голубоватым из-за присутствия в воде ионов Cu ²⁺ .

Электрохимическая защита от коррозии

Жертвенные покрытия

Предположим, вы хотите защитить цинковый лист от коррозии в присутствии других металлов. Самым простым вариантом было бы добавить магний, который покрыл бы цинк, так что после окисления электроны, высвобождаемые из магния, восстанавливали бы катионы Zn ²⁺ .

Однако пленка MgO на цинке рано или поздно растрескается, создавая анодные участки с высокой плотностью тока; то есть коррозия цинка резко ускорится именно в этих точках.

Этот метод защиты от электрохимической коррозии известен как использование защитных покрытий. Самый известный из них - цинк, используемый в известной технике гальванизации. В них металл М, особенно железо, покрыт цинком (Fe / Zn).

Опять же, цинк окисляется, и его оксид покрывает железо и передает ему электроны, восстанавливая Fe ^2+, которое может образоваться.

Благородные покрытия

Снова предположим, что вы хотите защитить тот же лист цинка, но теперь вы будете использовать хром вместо магния. Хром более благородный (более катодный, см. Таблицу анодных чисел), чем цинк, и поэтому действует как благородное покрытие.

Проблема с этим типом покрытия заключается в том, что при растрескивании оно будет еще больше способствовать и ускорять окисление металла под ним; в этом случае цинк подвергнется коррозии даже больше, чем покрытие из магния.

И, наконец, есть другие покрытия, состоящие из красок, пластиков, антиоксидантов, жиров, смол и т. Д.

Эксперимент для детей

Железная пластина в растворении солей меди

Из той же таблицы анодных индексов можно провести простой эксперимент. Растворив разумное количество (менее 10 граммов) CuSO ₄ · 5H ₂ O в воде, ребенка просят окунуть в полированную железную пластину. Делается фотография, и процессу дают разворачиваться на пару недель.

Раствор изначально имеет голубоватый оттенок, но начнет тускнеть, пока железная пластина станет медного цвета. Это связано с тем, что медь более благородна, чем железо, и, следовательно, ее катионы Cu ²⁺ будут восстановлены до металлической меди из ионов, полученных в результате окисления железа:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Очистка оксидом серебра

Серебряные предметы со временем становятся черными, особенно если они находятся в контакте с источником соединений серы. Его ржавчину можно удалить, погрузив предмет в ванну с водой с пищевой содой и алюминиевой фольгой. Бикарбонат обеспечивает электролиты, которые облегчают перенос электронов между объектом и алюминием.

В результате ребенок поймет, что предмет теряет черные пятна и начинает светиться характерным серебристым цветом; в то время как алюминиевая фольга подвергнется коррозии и исчезнет.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
3. Wikipedia. (2019). Гальваническая коррозия. Получено с: en.wikipedia.org
4. Стивен Лоуэр. (16 июня 2019 г.). Электрохимическая коррозия. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
5. Открытый университет. (2018). 2.4 Коррозионные процессы: гальваническая коррозия. Получено с: open.edu
6. Техническая поддержка клиентов Brush Wellman Inc. (sf). Руководство по гальванической коррозии. Кисть Wellman Engineered Materials.
7. Джорджио Карбони. (1998). Эксперименты по электрохимии. Получено с: funsci.com