- •Требования к оформлению отчета
- •Лабораторная работа №1 электродные потенциалы металлов
- •Лабораторная работа № 2 Контактная коррозия металлов
- •Практическая часть
- •Ход работы
- •Обработка экспериментальных данных
- •Лабораторная работа №3 защита сталей внешним током от коррозии
- •Практическая часть
- •Обработка экспериментальных данных
- •Защита стали от коррозии с помощью анодного протектора
- •Практическая часть
- •Ход работы
- •Приложение 1
Наука о коррозии металлов имеет огромное прикладное значение в металлургической промышленности, позволяя разрабатывать и внедрять новые методы противокоррозионной защиты металла, а также увеличивать коррозионную стойкость сплава путем варьирования его химического состава и металлографической структуры. Именно поэтому целью любого научного исследования в области коррозии является выявление закономерностей процесса разрушения металла в различных условиях для создания теоретических основ и практической реализации методов защиты. Таким образом, наука о коррозии - коррозиология - занимает промежуточное положение между естественными и прикладными науками, а научной базой курса «Коррозия и защита металлов» являются физическая химия, металловедение и материаловедение, позволяющие связывать закономерности физико-химических превращений металлов и сплавов с их металлографическими, механическими и другими характеристиками. Поэтому в практику коррозионных исследований широко вошли такие физико-химические методы анализа, как хронопотенцио-, вольтамперо- и гравиметрия.
Для будущих специалистов металлургического профиля хорошее усвоение курса «Коррозия и защита металлов» невозможно без ознакомления с этими методами на лабораторных занятиях, конечной целью которых является, во-первых, овладение основами методов коррозионных исследований, и, во-вторых, умение интерпретировать полученные результаты и в должной мере распространять их на иные условия эксплуатации металлоизделия.
Результаты каждой лабораторной работы должны быть оформлены и представлены в виде отчета в соответствии с требованиями, изложенными ниже.
Требования к оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен включать:
название работы;
цель работы;
теоретическую часть, содержащую основные теоретические сведения об изучаемом в работе явлении или процессе;
практическую часть, содержащую схемы лабораторных установок, таблицы полученных величин и параметров, необходимые их графические представления;
вывод, кратко отражающий результаты лабораторной работы.
Лабораторная работа №1 электродные потенциалы металлов
Цель работы: определение значений и природы электродных потенциалов железа и меди в растворах электролитов.
Процесс электрохимической коррозии металла в электролите представляет собой совокупность двух сопряженно протекающих электрохимических реакций – анодной (1.1) и катодной (1.2):
Ме→Меn++ne, (1.1)
D+ne→[Dne]. (1.2)
Веществом D (деполяризатором) могут являться как ионы металла Men+, так и Н+-ионы, О2--молекулы и другие частицы, способные к восстановлению. Возможность протекания электрохимической коррозии определяется величиной разности электродных потенциалов анодной (Е0а) и катодной (Е0к) реакций, значения которых могут быть рассчитаны из уравнения Нернста:
, (1.3)
, (1.4)
где и- стандартные значения электродных потенциалов,и- активности частиц Меn+ и D в растворе.
Если металл (Ме) погружен в раствор, содержащий одноименные с ним Меn+-ионы, то в катодной реакции (1.2) под веществом D понимаются Меn+-ионы, и процесс сводится к их разряду на поверхности металла и вхождению в его решетку. В этом случае коррозионное разрушение металла не происходит, и значение потенциала, формирующегося на металле в таком растворе, называется обратимым ().
В реальных условиях в катодной реакции (1.2) принимают участие, как правило, иные частицы, поэтому ионы, перешедшие из решетки металла в раствор по реакции (1.1), обратно в решетку не возвращаются, и развивается электрохимическая коррозия. Потенциал металла называют необратимым и его значение не подчиняется уравнению Нернста (1.3). Примерами такой катодной реакции, называемой деполяризацией, могут служить процессы восстановления водорода и кислорода:
, (1.5)
. (1.6)
Уравнение Нернста в этом случае имеет вид
, (1.7)
где - стандартный электродный потенциал, равный +0,401 В при 250С с изотермическим коэффициентом мВ/град,- парциальное давление кислорода (для воздуха=0,21 атм),- активность ОН—ионов в растворе.
Для выявления природы электродного потенциала металла в растворе следует сопоставить измеренное значение (Ех) и рассчитанное теоретически по уравнению (1.3), для чего необходимо знать величину активности Меn+-ионов в электролите. В нейтральных электролитах коррозия металла сопровождается образованием труднорастворимого соединения состава MemAn (например, Fe(OH)2) на поверхности металла. При этом активность Men+-ионов рассчитывают из значения произведения растворимости () соединения:
, (1.8)
откуда следует, что активность равна
. (1.9)
Выявление природы электродного потенциала металла имеет большое значение при изучении кинетики электрохимической коррозии для установления контролирующего фактора, то есть наиболее замедленной ступени коррозионного процесса. Такими ступенями являются реакции: ионизации металла (1.1), восстановления деполяризатора (1.2). Количественно величина контролирующего фактора оценивается степенью анодного (Са) и катодного (Ск) контроля:
, (1.10)
, (1.11)
где Ек0 и Еа0 – обратимые электродные потенциалы анодной и катодной реакций, ∆Еа = ЕМе - Еа0, ∆Ек = ЕМе - Ек0, ЕМе – измеренное по водородной шкале значение электродного потенциала металла.
Сравнивая значения Са и Ск, можно установить, какой из процессов – анодный или катодный – определяет скорость электрохимической коррозии металла.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Лабораторная работа состоит из следующих заданий:
Измерить электродный потенциал меди в растворах, содержащих Cu2+-ионы.
Измерить электродный потенциал железа в растворах, содержащих Fe2+-ионы.
Измерить электродный потенциал железа в растворе хлорида натрия.
Ход работы
Измерение значений электродных потенциалов проводят на установке, схема которой представлена на рис. 1.1. Поверхность образца исследуемого металла зачищают абразивным материалом, обезжиривают органическим растворителем и закрепляют клеммой в тексталитовой пластине.
Установку собирают в такой последовательности:
Заполняют солевые мостики и хлорсеребряный электрод сравнения раствором хлорида калия;
Устанавливают солевые мостики и электрод сравнения в установку;
Подключают электрические контакты.
После этого стакан с рабочим электродом заполняют исследуемым раствором, фиксируют время начала эксперимента, снимают показания вольтметра (Ех) и записывают результаты в таблицу (1.1) отдельно для каждого металла и раствора. Опыт продолжают в течение 15 мин, измеряя и фиксируя значения электродного потенциала металла через каждую минуту.
Перед измерением электродного потенциала металла в новом растворе образец промывают водой и вновь осуществляют обработку его поверхности.
Таблица 1.1
Исследуемый металл:
Рабочий электролит:
Температура:
Время, мин |
Ех , В |
ЕМе, В |
Етеор, В |
Примечание | ||
|
|
|
|
|
|
|
Измеренные значения электродного потенциала (Ех) пересчитывают на нормальный водородный электрод (нвэ) по формуле
ЕМе = Ех + 0,22, (1.12)
и полученные значения заносят в таблицу.
Обработка экспериментальных данных по заданию №1,2
Величину активности ионов металла в растворе рассчитывают на основании значения концентрации раствора по формуле
, (1.13)
где m – моляльная концентрация электролита (указана на склянке с раствором), - средний коэффициент активности, зависящий от ионной силы раствора; значенияприведены в приложении 1.
На основании активности ионов металла в растворе по уравнению (1.3) рассчитывают теоретическое значение электродного потенциала (Етеор). Необходимые значения стандартных потенциалов иприведены в приложении 2.
На миллиметровой бумаге строят графики зависимости измеренного значения потенциала, пересчитанного на водородную шкалу (ЕМе) и рассчитанного по уравнению (1.3) от величины , сравнивают полученные кривые и делают вывод об обратимости или необратимости электродного потенциала металла в данном растворе.
Обработка экспериментальных данных по заданию №3
Считая, что при коррозии железа в растворе хлорида натрия катодная реакция осуществляется молекулами О2 в соответствии с уравнением (1.6), значение электродного потенциала катодного процесса (Ек) рассчитывают по уравнению (1.7). При этом необходимую величину определяют из условия нейтральности раствора (рН=7), принимая ее равной 10-7 моль/л. Активность ионов металла в растворе рассчитывают по формуле (1.9), считая, что продуктом коррозии (MemAn) является малорастворимое вещество Fe(OH)2 и используя величину произведения растворимости L=1,65.10-15. После этого по формулам (1.10) и (1.11) рассчитывают степень анодного и катодного контроля и для установившегося значения электродного потенциала делают вывод о природе электродного потенциала железа в растворе соли.
На основании полученных результатов делают выводы о природе электродных потенциалов (обратимые или необратимые) исследованных металлов в разных электролитах, указывают контролирующий фактор и степень контроля при протекании коррозионного процесса.