Катодная электрохимическая защита

На изменении скорости растворения металла при его катодной поляризации (смещение потенциала в отрицательную сторон) основана электрохимическая катодная защита металлов oт коррозии. Осуществить катодную защиту можно двумя способами.

Один из них заключается в присоединении к защищаемому  металлическому изделию какого-либо другого металла, имеющего в данной агрессивной среде потенциал более отрицательный, чем потенциал защищаемого металла. Присоединяемый металл работает анодом в гальванической паре с защищаемым металлом и ускоренно растворяется. Этот способ называется "протекторной защитой", а присоединяемый электрод - протектором. Материалом для протекторов в случае защиты конструкций из нелегированной стали часто служит цинк или сплавы на основе алюминия и магния. В процессе защиты протекторы постепенно растворяются, поэтому их периодически заменяют новыми.

Второй способ электрохимической катодной защиты состоит в катодной поляризации защищаемого изделия от постороннего (внешнего) источника постоянного тока (выпрямителя, аккумуляторной батареи и т.п.) - так называемая "катодная защита внешним током" или "электрозащита". При этом защищаемый металл подсоединяют к отрицательному полюсу внешнего источника, а к положительному полюсу присоединяют погруженный в агрессивную среду вспомогательный электрод из электропроводящего материала. В качестве материалов вспомогательных электродов применяются такие, которые или совсем не растворяются при анодной поляризации в данных условиях (графит), или растворяются с очень малыми скоростями из-за образования защитных слоев (Рb3). На вспомогательных нерастворимых электродах в водных растворах протекает анодная реакция выделения из воды газообразного кислорода.

Эффективность катодной электрохимической защиты принято характеризовать двумя показателями: защитным эффектом

 

Z =[ (K_o-K_i)/K_o] 100.

 

и коэффициентом защитного действии:

 

к_з = (Δm _о - Δm ₁)/ i₃,

 

 где   

Z - защитный эффект, %;

К_о - массовый показатель коррозии металла без защиты, (г/м²-ч);

K₁ - массовый показатель коррозии металла при применении катодной защиты, (г/м^2, час);

к₃ - коэффициент защитного действия, г/А;

Δm _о - массовые потери металла без катодной защиты, г/м²;

-Δm ₁ - массовые потери металла при катодной защите, г/м²;

1_з - плотность защитного катодного тока, А/м².

Катодной электрохимической защитой можно достичь полного прекращения коррозии металла. Это происходит, если при присоединении протектора к металлу или пропускании через него постоянного тока от внешнего источника электродный потенциал металла достигнет значения его обратимого (равновесного) потенциала (в случае сплава - равновесного потенциала наиболее электроотрицательной анодной составляющей сплава). Для стали таким потенциалом является равновесный потенциал железа в данных условиях.

Электрохимическая защита применяется в случае коррозии металлов, находящихся в хорошо проводящих средах - растворах электролитов, поскольку чем выше электропроводность среды, тем значительнее смещается потенциал металла в отрицательную сторону при его катодной поляризации.

В случае протекторной зашиты радиус действия протектора, т.е. протяженность металлической конструкции, на которую распространяется защитное действие присоединенного протектора, при прочих равных условиях тем больше, чем выше электропроводность среды. Например, в морской воде он достигает нескольких метров, а в водопроводной воде ограничен несколькими сантиметрами.

При катодной защите внешним током выбор оптимальной плотности катодного тока производится из необходимости достижения высокого защитного эффекта при достаточно хорошем коэффициенте защитного действия к₃, т.е. значительного уменьшения коррозионных потерь на каждую единицу плотности защитного катодного тока.

Если при электрозащите плотность защитного тока может регулироваться в широких пределах, то при защите с помощью протектора степень защиты зависит от его электрохимических характеристик: начального электродного потенциала, анодной поляризуемости (степени изменения потенциала при протекании внешнего тока), величины поверхности.

Катодная электрохимическая защита - эффективный и экономически выгодный метод защиты от коррозии металлических конструкций в морской воде, почве и других нейтральных агрессивных средах. В кислых средах металлы характеризуются мал ой катодной поляризуемостью (малым смещением потенциала в отрицательную сторону при протекании катодного тока). В таких условиях значительная часть защитного катодного тока тратится непроизводительно на катодное восстановление ионов водорода. В результате коэффициент защитного действия к₃ невелик. Применение катодной защиты в таких средах ограничено.

Катодная защита находит широкое применение в промышленности для защиты подземных трубопроводов, коммуникаций и резервуаров, морских судов и металлоконструкций, эксплуатирующихся в морской воде, а также технологического оборудования - конденсаторов, теплопроводников.

Выполнение работы

Работа состоит из ряда взаимно дополняющих друг друга опытов, в которых проявляются различные аспекты электрохимической коррозии, рассмотренные в теоретическом разделе:

    влияние возможности возникновения гальванических пар на скорость коррозии,

    катодная защита.

 

Опыт 1. Роль гальванопары, возникающей в процессе растворения металла, на его скорость

А. Внести в пробирку 15-16 капель разбавленного раствора H₂S0₄, предварительно замерив значение рН раствора, и гранулу цинка. Отметить выделение водорода. Коснуться медной проволокой гранулы цинка. На каком металле будет наблюдаться выделение водорода? Записать схему коррозионного медно-цинкового гальванического элемента с водородной деполяризацией на катоде.

 

Б. В две конические пробирки налить по 10 капель 2н раствора серной кислоты (замерить значение рН раствора) и внести примерно равные кусочки цинка. Наблюдать медленное выделение водорода в пробирках. В одну пробирку добавить 1-2 капли раствора сульфата меди. Что наблюдается? Почему возросла скорость выделения водорода при прибавлении раствора сульфата меди?

 

Опыт 2. Контактная коррозия металлов

А. Две конические пробирки заполнить наполовину дистиллированной водой и добавить в каждую по 2 - 3 капли 2 н. раствора серной кислоты (замерить значение рН раствора) и по 2 - 3 капли раствора гексацианоферрата(1П) калия К₃[Fe(CN)₆]. Перемешать растворы стеклянной палочкой

Взять две железных проволочки (скрепки), хорошо очищенные наждаком. Одной скрепкой плотно зажать небольшую цинковую пластинку, другой -оловянную. Опустить пластинки в пробирки с растворами. Через некоторое время наблюдать синее окрашивание в растворе, где находится оловянная пластинка в контакте с железом. Чем оно вызвано? Почему синее окрашивание в другой пробирке появляется очень медленно?

Объяснить, как влияет образование гальванических пар на коррозию металлов. Как будет протекать коррозия у следующих пар металлов: медь - железо, железо - алюминий, медь - олово?

В две пробирки налить 1/2 их объема дистиллированной воды, добавить в каждую по 2 - 3 капли разбавленного раствора серной кислоты и раствора гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] (замерить значение рН раствора). Последний является реактивом на ионы Fe³⁺, с которыми он дает интенсивно синее окрашивание. Растворы перемешать стеклянной палочкой. В одну пробирку опустить полоску оцинкованного железа, в другую - луженого железа. В какой пробирке появляется синее окрашивание по краям металлической пластинки? Объяснить причину появления ионов Fe³⁺ в растворе. Составить уравнения реакций анодных и катодных процессов при действии гальванопар Fe -Zn и Fe - Sn с водородной деполяризацией. Для сравнения составить схему действия гальванопары  Fe – Sn  с кислородной деполяризацией.

Опыт 3. Протекторная защита

В пробирку с разбавленным раствором уксусной кислоты (замерить значение рН раствора) прибавить несколько капель раствора KI и поместить в неё пластины цинка и свинца в контакте друг с другом. Ионы I^- играют роль индикатора на ионы РЬ²⁺, образуя с ними малорастворимое соединение РbI₂ желтого цвета. Для сравнения в пробирку с таким же раствором поместить только свинец. В каком случае скорее образуется иодид свинца? Какой металл играет роль протектора?

 

Сделайте выводы по результатам работы