Действие кислот и щелочей на металлы и сплавы

Действие кислот и щелочей на разные металлы различно в зависимости от реакционной способности металла и концентрации кислоты или щелочи.

В разбавленных кислотах и щелочах металлы с более отрицательным потенциалом окисляются ионом водорода, вытесняя его из растворов. При этом протекают следующие реакции окисления - восстановления:

 

1 Me – ne= Me ⁿ⁺;

 

2 nH⁺ + ne = n/2 Н₂  

 

Эти реакции протекают с одинаковой скоростью, взаимно обуславливая друг друга, и могут быть реализованы как на одной и той же поверхности металла (и даже в одной материальной точке поверхности), так и на разных металлах, если они находятся в контакте. В последнем случае анодный процесс (реакция 1) будет протекать на металле с более отрицательным потенциалом, а катодный процесс (реакция 2) будет протекать преимущественно на металле с более положительным потенциалом.

В технических металлах и сплавах видимого разделения участков с анодными и катодными процессами не наблюдается, если поверхность однородна с точки зрения чистоты обработки, наклепа, наличия загрязнений и т.д. При погружении таких металлов в кислоту происходит выделение водорода со всей поверхности, объем которого эквивалентен количеству растворенного металла. Концентрированные кислоты (особенно горячие) являются более сильными окислителями, поэтому в них не устойчивы благородные металлы. Так, например, окисление в концентрированной серной кислоте может протекать до различной степени восстановления ее, в зависимости от реакционной способности металла, с выделением SO₂ и даже H₂S.

Азотная кислота в зависимости от концентрации и реакционной способности металла проходит следующие стадии восстановления:

 

HNO₃ -> NO₂ -> NO -> N₂ -> NH₃.

 

Судить о количестве растворенного металла в таких кислотах по объему выделившихся газообразных продуктов трудно, так как состав газовой фазы является сложным и не остается постоянным в процессе окисления металла, поскольку некоторые газы хорошо растворяются в воде (SO₂, NO₂), а другие образуют комплексные соединения.

Для некоторых металлов концентрированные кислоты менее опасны, чем разбавленные. Например, серная кислота для железа, свинца и алюминия. Потому, что на их поверхности образуются нерастворимые соли, играющие роль защитных покрытий. В сильно разбавленных щелочах ввиду малой концентрации  ионов водорода окисление происходит, главным образом, за счет кислорода по реакции (для двухвалентного металла):

 

Me + 1/2 О₂+ Н₂О = Ме(ОН)₂.

 

Эта реакция идет с поглощением кислорода из воздуха.

Стойкость металлов в щелочах зависит от характера образующейся гидроокиси. Если гидроокись амфотерна, и может образовывать с гидроксид-ионом растворимый комплексный продукт, то металл будет неустойчив в щелочи. Такие гидроокиси образуют алюминий, цинк, олово, свинец и др.

Если гидроокиси металлов не амфотерны (гидроокиси никеля, магния), то они не растворяются в щелочных растворах, и поверхность металла пассивируется  гидроокисной пленкой, предохраняющей его от окисления. В этом случае водород перестает выделяться, и коррозия не протекает.

Явление самопроизвольной пассивности наблюдается и при действии разбавленных кислот на некоторые сплавы, например, при действии серной кислоты концентрацией до 20 % на высокохромистые чугуны с добавками титана или соляной кислоты на высокохромистые чугуны с добавкой молибдена и т.п. Для этих сплавов характерным является интенсивное растворение (и, соответственно, обильное выделение водорода). В начальные периоды испытания наблюдается замедление, и даже прекращение процесса через некоторое время. Время до наступления пассивного состояния зависит от состава сплава и концентрации раствора. Это время легко установить по прекращению выделения водорода, а также по изменению знака потенциала.

Объемный метод широко используют в лабораторной практике, когда нужно установить кинетику коррозионного разрушения металла или сплава в кислотах или щелочах, окисляющих ионом водорода. Измеряя объем водорода через равные промежутки времени, можно выяснить характер изменения скорости коррозии и установить способность металла к самопроизвольному пассивированию в данных условиях.

Количество выделившегося водорода, являющегося мерой скорости коррозии, зависит от суммарноготока, возникшего в коррозионной системе.

Предполагая, что токи, протекающее через микроэлементы, равны между собой, объём выделившегося водорода будет пропорциональным количеству микропор, имеющихся на поверхности металла, т. е. его неоднородности.

Величина тока, протекающего через каждый микроэлемент, пропорционально разности потенциалов, установившихся в процессе растворения между анодным и катодным участками.

Введение в сплав легирующих элементов, вызывающих пассивацию сплава должно вызвать увеличение перенапряжения выделение водорода на микрокатодах и уменьшение скорости коррозии.

Увеличение структурной неоднородности и образование ликокатодов с малым перенапряжение выделяющего водорода должно вызвать увеличение количества выделившегося водорода, т. е. скорость коррозии.

Этот метод позволяет непрерывно следить за изменением скорости коррозии.

 

Выполнение работы

 

Пред проведением работ необходимо ознакомится:

1. с влиянием примесей и присадок на коррозионную устойчивость металлов в кислотах;

2. с объёмны методом определения скорости коррозии;

3. с оценкой коррозионной стойкости металлов.

 

1-й вариант. Наблюдения за объемом выделяющегося водорода можно производить с помощью бюретки, опущенной в стакан. В первом случае нижняя часть бюретки соединяется с воронкой, под которую помещаем испытуемый образец. Раствор наливаем в стакан с помощью водоструйного насоса, засасываем его в бюретку до метки. Затем бюретку отключаем от насоса и производим запись показаний уровня жидкости в ней через 10 минут.

 

Опыт производят на двух образцах. Желательно иметь сплавы с различной способностью к самопроизвольному пассивированию. Взвешенные на аналитических весах образцы помещают в стакан, куда наливают раствор.

Можно начинать опыт, отсчитывая объем выделяющегося водорода. Длительность испытания - 1,5 часа. По окончании испытания образцы необходимо взвесить на тех же аналитических весах и с той же точностью. Потерю в весе выразить в г/(м² ч), произвести оценку стойкости металла по 10-бальной шкале. В том случае если сплав перешел в пассивное состояние в процессе испытания, необходимо определить время коррозии, а весовые потери разделить не на все время испытания, а на то, в течение которого происходило растворение.

По данным наблюдений построить графики:

1. Объем водорода, отнесенный к единице поверхности S - время в мин.

2. Изменения относительного объема водорода во времени V - время в мин. Для построения первого графика необходимо объем водорода, полученный за каждый отсчет, разделить на поверхность образца.

Для построения второго графика необходимо найти разницу показаний относительно объема водорода между ближайшими отсчетами и разделить на время между отсчетами (10 мин).

По общему объему водорода, выделившегося за время опыта, можно вычислить весовые потери в граммах, пользуясь уравнением:

 

 

где М – атомная масса металла

n- валентность металла

V –объем выделившегося водорода, мл

V_H2 – измеренный объем водорода, мл

P –давление, Па

t – температура раствора, ^оС.

Задание:

1. Опишите процессы, которые вы наблюдали.

2 Оцените стойкость металла в данной агрессивной среде

3 Сделайте заключение о целесообразности использования сплава в данной среде.

2-й вариант. Для определения скорости коррозии по выделению водорода широко применяется метод, при котором водород вытесняет раствор, объём которого измеряется.

Выделяющийся водород вытесняет из герметически закрытой бутылки кислоту, которая капает в бюретку; объём вытесненной жидкости соответствует объёму выделившегося водорода.

 Образцами для испытаний служат:

- серый чугун – феррит + перлит + зеерлит;

- сталь 0,4% - феррит + перлит

- хромистая сталь с 12% Cr – твёрдый раствор + карбиды;

- хромоникелевая сталь с 8% Ni + 18% Cr – аустенит;

Образцы с измеренной поверхностью должны быть зачищены наждачной бумагой, тщательно обезжирены содой, промыты в проточной воде и вытерты фильтровальной бумагой. Опыт проводят в установке, изображенной на рисунке

 

 

	Рисунок 3 - Установка для определения объема выделившегося газа

 

Подготовленные образцы М помещают в стеклянные держатели, которые подвешивают на стеклянные крючки, укреплённые в пробке Б.

. В склянки с тубусом наливают 5% - ную Н₂SO₄, пробку Б и кран А плотно закрывают, после чего открывают зажим Е, из которого при этом вытекает в бюретку небольшое количество раствора. Зажим Е в дальнейшем при работе оставляют открытым.

Загрузив образец, записывают уровень жидкости в бюретке – этот момент и является началом опыта.

В дальнейшем в течение 100 мин такую запись повторяют каждые 20 мин.

После окончания опыта закрывают зажимы Е и вынимают образцы с пробками.

. Образцы хорошо ополаскивают водой и вытирают

Результаты опытов записывают по форме.

Результаты опытов т. е. объём выделившегося водорода в см³ относят к единице поверхности образцов и выражают в см³/см².

Кроме того, результаты опытов оформляются в виде диаграмм, показывающие зависимость количества выделившегося водорода с единицы поверхности образца ΔV (см³ /см²) от продолжительности испытания для каждого образца τ.мин.

Зная объём водорода, выделившегося за время опыта, можно вычислить весовые потери корродировавших образцов.

При вычислении исходят из того, что при растворении одного грамм-эквивалента металла выделившегося при нормальных условиях 11,2л. водорода.

Условно принимаем, что во всех взятых для испытания образцах происходит растворение железа.

Характеризую коррозионную устойчивость испытанных образцов по шкале коррозионной стойкости (таблица 3).

Глубинный показатель коррозии П, мм/год - проницаемость:

вычисляется из потери веса металла

К – скорость коррозии, г/м²/час

– удельный вес металла

По полученным данным заполняют таблицу 5.

Пример оформления таблицы по результатам работы (таблица 5.

Делают выводы.