Химия методичка_Практическая №1

ХИМИЯ

для студентов 2 курса специалитета

23.05.03 Подвижной состав железных дорог (ПСс)

23.05.06 Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей (СЖс)

2 курса бакалавриата

13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника (ТЭ)
(для заочной формы обучения)

Практическое занятие №1 «КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ»

Методические указания к практическому занятию №1

В Практическом занятии «Коррозия металлов» студент самостоятельно
выполняет задание №1 (общее для всех студентов) и задание №2 (по варианту).
Практическое занятие выполняется после изучения лекции и практикума, и будет
рассматриваться на очных практических занятиях, предусмотренных учебным планом.
Выполнение практического занятия в Электронном учебном курсе учитывается на
зачете.

Перед тем как выполнять задания необходимо освоить теоретический материал
и разобраться с приведенными в теории примерами. Текст набирается только в
текстовом редакторе WORD, формулы - в редакторе формул, условия
переписываются перед каждым заданием, потом решение или ответ на вопросы.
Обязателен титульный лист (пример дан в Приложении 1).Выполненную работу
предоставляют в распечатанном виде на зачете.

Вариант задания №2 находится по студенческому шифру – номер варианта
совпадает с последней цифрой учебного шифра студента. Например, студент,
имеющий учебный шифр 2022 -ПСс - 3525 находит в таблице вариант 5. Выполняет
задачи 5 и 15, а затем отвечает на вопрос 25. Ответ на вопрос - не более одной
страницы.

Теоретическая часть

Коррозия - это самопроизвольное разрушение (окисление) металлов под
действием окружающей среды.

Если пластину металла поместить в раствор его соли, то на границе твердой и
жидкой фаз образуется двойной электрический слой, величину которого оценивают
значением электродного потенциала φ. Для многих металлов электродные потенциалы
определены с помощью водородного электрода, потенциал которого принят равным
нулю φ=0. Данные электродных потенциалов представлены в таблице №1.

Электродные потенциалы со знаком «минус» относятся к тем металлам, которые
вытесняют водород из кислот. В заголовке таблицы – «Стандартные электродные
потенциалы» соответствуют потенциалам, определенных в стандартных условиях:
температура t =25⁰C (Т = 298 К), давление Р = 1 атм, концентрация раствора, в
который погружен электрод С = 1 моль/л (т.е. φ⁰ )

Таблица 1. Стандартные электродные потенциалы ( ϕ⁰ ) металлов (ряд
напряжений ) при стандартной Т= 298К (t = 25⁰C)

Чем меньше электродный потенциал φ, тем активнее металл, тем
большим восстановителем он является.

Пример 1. Какой металл более активный цинк или алюминий?

Ответ:Алюминий, так как его потенциал $ = -1,663 В (по таблице №1)
меньше, чем у цинка $ = -0,763 В.

Пример 2. Какой металл в этой паре является анодом - цинк или алюминий?

Металл, имеющий меньшее значение электродного потенциала считается
анодом и он окисляется.

Металл, имеющий большее значение электродного потенциала считается
катодом и он восстанавливается.

Ответ.Алюминий является анодом, так как его стандартный электродный
потенциал меньше, чем потенциал цинка.

Механизм электрохимической коррозии

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно
протекают два процесса:

• 1) анодный - окисление металла: Ме 0 - ne = Me²⁺.
• 2) катодный - восстановление ионов водорода: 2Н⁺ + 2е = Н2,

или молекул кислорода, растворенного в воде: О 2 + 2Н 2О + 4e = 4ОН^-.

Пример 3. Как происходит коррозия цинка, находящегося в контакте с кадмием
в нейтральном и кислом растворе, например, в соляной кислоте. Составьте
электронные уравнения анодного и катодного процессов. Каков состав продуктов
коррозии?

Решение.Цинк имеет более отрицательный потенциал (-0,763 В), чем кадмий (-
0,403 В), поэтому он является анодом, а кадмий - катодом.

• а) в кислой среде

  Анодный процесс:	А: Zn0 - 2e = Zn2+
  Катодный процесс:	К: 2Н ++ 2e = Н 2

Ионы Zn²⁺ образуют с кислотным остатком соль этой кислоты, в данном
случае ZnCl2.

• б) в нейтральной среде

  Анодный процесс:	А: Zn0 - 2e = Zn2+
  Катодный процесс:	К:2Н2О + O2 + 4ё ^ 4ОН-

Так как ионы Zn²⁺ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то
продуктом коррозии будет Zn(ОН)2.

ВЫВОД: коррозия (окисление) металла всегда анодный процесс, а на
катоде происходит восстановление среды.

Пример 4.Две пластинки: однасвинцовая, частично покрытая железом, и другая -
цинковая, частично покрытая медью, находятся во влажном воздухе. Какая из этих
пластинок быстрее подвергается коррозии? Почему? Какой тип покрытия в каждом
покрытии?

Решение. Электрохимическое взаимодействие протекает между средой и
металлом, причем коррозионные процессы разрушения протекают на аноде. Оценку
электрохимического взаимодействия проводят по ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЕ -
ЭДС (оценивает величину разности потенциалов и работу, которую может совершить
это напряжение):

Е = ϕК⁰ - ϕА⁰

Поэтому необходимо рассчитать ЭДС для каждого контакта и сравнить.

• 1) Первый контакт свинец - железо. В этом контактежелезо имеет более
  отрицательный потенциал (-0,440Вдля Fe²⁺), чем свинец (-0,126В), поэтому железо
  является анодом, а свинец – катодом, следовательно покрытие анодное.

ЕPb-Fe = ϕК⁰ - ϕА⁰= -0,126- (-0,440) = 0,314 В

• 2) Второй контакт цинк- медь. Цинк имеет более отрицательный потенциал
  (-0,763 В), чем медь (+0,337 В для Cu²⁺), поэтому он является анодом, а медь –
  катодом,следовательно покрытие катодное.

ЕZn-Cu= ϕК⁰ - ϕА⁰= +0,337- (-0,763)= 1,100 В

• 3) Так как ЭДС для контактаPb-Fe больше, чем ЭДС для контактаZn-Cu, то
  коррозия железного покрытия, будет быстрее корродировать, чем цинковая
  пластинка, частично покрытая медью.

ЗАДАНИЕ№1 (общее обязательное для всех студентов).

• 1. Используя значения электродных потенциалов для каждого металла, определите
  какое металлическое покрытие изображено на рис. 1А анодное или катодное?
  Устойчиво ли оно при использовании в кислой среде? Напишите для этой
  системы ионные коррозионные электронные уравнения для катода и анода в
  кислой среде и во влажном воздухе.
• 2. Используя значения электродных потенциалов для каждого металла, определите
  какое металлическое покрытие изображено на рис. 1Б анодное или катодное?
  Устойчиво ли оно при использовании в кислой среде? Напишите для этой
  системы ионные коррозионные электронные уравнения для катода и анода в
  кислой среде, во влажном воздухе.
• 3. Рассчитайте разницу электродных потенциалов, используя «ряд напряжений
  металлов», между защищаемым металлом и металлом покрытия в случае п.1 и
  п.2. На основании произведенных расчетов укажите: как называется параметр,
  который Вы определили, и в каком случае коррозионные процессы протекают
  быстрее?

Рис. 1. Защита металлов от коррозии – металлические покрытия.

ЗАДАНИЕ №2 (по варианту)

Таблица 2. Варианты для Задания №2

*вариант определяется по последней цифре шифра студента

ЗАДАЧИ

• 1. Две цинковые пластинки, частично покрытые одна оловом, другая алюминием,
  находятся во влажном воздухе. Какая из этих пластинок быстрее подвергается
  коррозии? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного
  процессов коррозии этих пластинок.
• 2. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и
  водородной деполяризацией при коррозии пары Mg - Pb. Рассчитайте ЭДС для
  этого контакта. Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?
• 3. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и
  водородной деполяризацией при коррозии пары Mn - Ni. Рассчитайте ЭДС для
  этого контакта. Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?
• 4. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и
  водородной деполяризацией при коррозии контакта Al - Pb. Рассчитайте ЭДС для
  этого контакта. Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?
• 5. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии
  никеля, покрытого медью при нарушении покрытия во влажном воздухе и в
  соляной кислоте, и никеля, покрытого цирконием при нарушении покрытия во
  влажном воздухе и в разбавленной азотной кислоте. Какая из этих пластинок
  быстрее подвергается коррозии? Почему? В каком случае процесс коррозии
  защищаемого металла происходит интенсивнее. О каком покрытии идет речь?
  Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?
• 6. В раствор серной кислоты поместили две железных пластинки, одна из которых
  частично покрыта свинцом, а другая титаном. В каком случае процесс коррозии
  железа протекает менее интенсивно? Ответ мотивируйте с помощью расчета ЭДС.
  Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.. О каком
  покрытии идет речь в каждом случае?
• 7. В раствор соляной кислоты поместили две алюминиевых пластинки, одна из
  которых частично покрыта медью, другая никелем. В каком случае процесс
  коррозии алюминия происходит интенсивнее. О каком покрытии идет речь?
  Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов. Ответ
  мотивируйте. Какие продукты коррозии будут образовываться?
• 8. В раствор электролита, содержащего растворенный кислород, опустили две
  свинцовых пластинки, одна из которых частично покрыта медью. В каком случае
  процесс коррозии свинца происходит интенсивнее. Составьте электронные
  уравнения анодного и катодного процессов.
• 9. Железное изделие покрыли хромом. Какое это покрытие? Анодное или катодное?
  Почему? Составьте уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого
  изделия при нарушении целостности покрытия во влажном воздухе и в растворе
  соляной кислоты. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором
  случаях.
• 10. Какое покрытие металла называется анодным, а какое катодным. Назовите
  металлы, которые можно использовать для анодного и катодного покрытия для
  кобальта во влажном воздухе и в сильнокислой среде. Напишите уравнения
  процессов, протекающих при коррозии в случае нарушения покрытия.
• 11. Как протекает атмосферная коррозия железа, покрытого слоем серебра, если
  покрытие нарушено. О каком покрытии идет речь? Составьте электронные
  уравнения катодного и анодного процессов. Каков состав продуктов коррозии.
• 12. Две железные пластинки, частично покрытые одна оловом, другая медью,
  находятся во влажном воздухе. На какой из этих пластинок быстрее образуется
  ржавчина. Почему? Составьте электронные уравнения катодного и анодного
  процессов коррозии этих пластинок. Каков состав продуктов коррозии железа. О
  каком покрытии идет речь?
• 13. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии
  кобальта, покрытого серебром при нарушении покрытия во влажном воздухе и в
  соляной кислоте, и олова, покрытого хромом при нарушении покрытия во
  влажном воздухе и в разбавленной азотной кислоте. Какая из этих пластинок
  быстрее подвергается коррозии? Почему? В каком случае процесс коррозии
  защищаемого металла происходит интенсивнее. О каком покрытии идет речь?
  Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?
• 14. Составьте электронные уравнения коррозии железа, покрытого хромом, и железа,
  покрытого свинцом в кислой среде (разбавленной соляной кислоте) и во влажном
  воздухе. Что будет происходить в случае нарушения покрытия. В каком случае
  процесс коррозии защищаемого металла происходит интенсивнее и почему? О
  каком покрытии идет речь? Какие продукты коррозии будут образовываться в
  каждой среде?
• 15. Составьте электронные уравнения катодного и анодного процессов с кислородной
  и водородной деполяризацией при коррозии пары Al – Ni. Рассчитайте ЭДС для
  этого контакта. Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?
• 16. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих при коррозии сплава
  Sn – Zn в кислой среде и во влажном воздухе. Рассчитайте ЭДС для этого
  контакта. Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?
• 17. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной
  и водородной деполяризацией при коррозии пары Mg - Zn. Рассчитайте ЭДС для
  этого контакта. Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?
• 18. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии
  хрома, покрытого алюминием, и хрома, покрытого никелем в кислой среде и во
  влажном воздухе. В каком случае процесс коррозии быстрее? Ответ мотивируйте с
  помощью расчета ЭДС. О каком покрытии идет речь в каждом случае?
• 19. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии
  хрома, покрытого цинком, и хрома, покрытого свинцом в кислой среде и во
  влажном воздухе. В каком случае процесс коррозии быстрее? Ответ мотивируйте с
  помощью расчета ЭДС. О каком покрытии идет речь в каждом случае?
• 20. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной
  и водородной деполяризацией при коррозии пары Co - Sn. Рассчитайте ЭДС для
  этого контакта. Какие продукты коррозии будут образовываться в каждой среде?

ВЫПРОСЫ

ПО ТЕМЕ:СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

• 21. Какие методы нанесения металлов используют для анодных и катодных покрытий?
• 22. Что такое ингибиторы? Вещества, используемые в качестве анодных и катодных
  ингибиторов. Чем обусловлены их защитные свойства?
• 23. В чем сущность «протекторной защиты» металлов от коррозии. Приведите пример
  «протекторной защиты» железа в электролите, содержащем растворенный
  кислород. Составьте уравнение анодного и катодного процессов.
• 24. Какое покрытие еще работает при небольшом повреждении и при каком покрытии
  может развиваться «подповерхностная» коррозия? В чем состоит ее опасность?
• 25. Какое покрытие металла называется анодным, а какое катодным. Назовите
  металлы, которые можно использовать для анодного и катодного покрытия железа
  во влажном воздухе и в сильно кислой среде. Напишите уравнения процессов,
  протекающих при коррозии луженого железа.
• 26. Какие процессы возможны при контакте железа с раствором соляной кислоты.
  Какие методы защиты железа от коррозии можно рекомендовать в этом случае.
  Напишите уравнения процессов.
• 27. Влияет ли жесткость воды на скорость коррозии водопроводных труб? Какой
  уровень жесткости воды должен подаваться в водопроводную систему, чтобы
  скорость коррозии была минимальной? Каким образом проводят водоподготовку
  для уменьшения скорости коррозии труб?
• 28. Каковы основные требования к организации защиты от микробиологической
  коррозии? Какие из электрохимических способов защиты металлов от коррозии
  подходят для защиты от микробиологической атаки?
• 29. Виды коррозии. Предложите для каждого вида коррозии оптимальный набор
  способов защиты металлов.
• 30. В чем сущность «катодной защиты» металлов от коррозии? Сравните «катодную»
  и «протекторную» защиты металлов от коррозии.

Приложение 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»
(ФГАОУ ВО РУТ(МИИТ), РУТ(МИИТ)

Российская открытая академия транспорта

Практическое занятие №1 по химии

Выполнил: студент 2 курса,
группа ЗЖМ-2911,
шифр 2110-пСЖс-1238

Иванов Илья Петрович

Проверил: доц.Журавлева М.А. (Ф.И.О. вашего преподавателя)

Москва 202