Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях

Решение задач по химии на защиту металлов от коррозии

Задание 290. 
Какое покрытие металла называется анодным и какое – катодным? Назовите несколько металлов, которые могут служить для анодного и катодного покрытий железа. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью, во влажном воздухе и в кислой среде.
Решение:
По характеру поведения металлических покрытий при коррозии их можно разделить на катодные и анодные. К катодным покрытиям относятся покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительное значение, чем потенциал основного металла. В качестве примеров катодных покрытий можно привести Cu, Ni, Ag. При повреждении покрытия (или наличии пор) возникает коррозионный элемент, в котором основной материал в поре служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. Следовательно, катодные покрытия могут защищать металл от коррозии при отсутствии пор и повреждений покрытия. Анодные покрытия имеют более отрицательный потенциал, чем потенциал основного металла. Примером анодного покрытия могут служить Zn, Cr.

При покрытии железа медью возникает коррозионная пара, в которой медь является катодом, а железо – анодом, так как железо имеет более отрицательный стандартный электродный потенциал (-0,44 В), чем медь (0,34 В). При этом будут протекать следующие электрохимические процессы:
а) Во влажном воздухе:

Анодный процесс: Fe0 -2  = Fe2+
Катодный процесс: 1/2O2 + H2O + 2   = 2OH-

Так как ионы Fe2+с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом атмосферной коррозии железа будет Fe(OH)2. При контакте с кислородом воздуха Fe(OH)2 быстро окисляется до метагидроксида железа FeO(OH), приобретая характерный для него бурый цвет:

4Fe(OH)2 + О2 = 4FeO(OH) + 2Н2О

б) В хлороводородной (соляной) кислоте:

Анодный процесс: Fe0 -2  = Fe2+
Катодный процесс: 2Н+ + 2  = Н2↑

Водород будет выделяться во внешнюю среду, а ионы железа Fe2+ с хлорид-ионами Cl– будут образовывать соль FeCl2 – сильного электролита, т. е. железо будет разрушаться с образованием ионов железа Fe2+. 

Таким образом, при покрытии железа медью при повреждении или при образовании пор разрушается основной металл – железо. Это пример катодного покрытия металла. 

Задание 291. 
Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной (соляной) кислоте, Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
Решение:
При покрытии железа кадмием образуется гальваническая пара, в которой кадмий является катодом, а железо – анодом.  Объясняется это тем, что стандартный электродный потенциал кадмия (-0,40 В) немного больше, чем стандартный электродный потенциал железа (-0,44 В). Поэтому при нарушении кадмиевого покрытия будут происходить следующие электрохимические процессы:

а) Во влажном воздухе:

Анодный процесс: Fe0 -2   = Fe2+
Катодный процесс: 1/2O2 + H2O + 2   = 2OH- 

Так как ионы Fe2+ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом атмосферной коррозии железа будет Fe(OH)2. При контакте с кислородом воздуха Fe(OH)2 быстро окисляется до метагидроксида железа FeO(OH), приобретая характерный для него бурый цвет:

4Fe(OH)2 + О2 = 4FeO(OH) + 2Н2О

б) В хлороводородной (соляной) кислоте:

Анодный процесс: Fe0 -2   = Fe2+
Катодный процесс: 2Н+ + 2   = Н2↑

Водород будет выделяться во внешнюю среду, а ионы железа Fe2+ с хлорид-ионами Cl– будут образовывать соль FeCl2 – сильного электролита, т. е. железо будет разрушаться с образованием ионов железа Fe2+. 

Таким образом, кадмий является катодом в гальванической паре Fe — Cd, значит, это катодное покрытие. При катодном покрытии во время коррозии разрушается основной металл.

Задание 292. 
Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
Решение:
При покрытии железного изделия свинцом образуется гальваническая пара Fe — Pb, в которой свинец является анодом, а железо – катодом. Объясняется это тем, что свинец имеет более электроотрицательный стандартный электродный потенциал (-0,126 В), чем железо (-0,44 В). Значит, это покрытие – анодное. При нарушении свинцового покрытия будут происходить следующие электрохимические процессы:

а) Во влажном воздухе:

Анодный процесс: Pb0 -2   = Pb2+
Катодный процесс: 1/2O2 + H2O + 2   = 2OH-

Так как ионы Pb2+ с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом атмосферной коррозии свинца будет Pb(OH)2.

б) В хлороводородной (соляной) кислоте:

Анодный процесс: Pb0 -2   = Pb2+
Катодный процесс: 2Н+ + 2   = Н2↑

Водород будет выделяться во внешнюю среду, а ионы свинца Pb2+ с хлорид-ионами Cl– будут образовывать соль PbCl2 – сильного электролита, т. е. свинец будет разрушаться с образованием ионов свинца Pb2+. 

Таким образом, свинец является анодом в гальванической паре Fe — Pb, значит, это анодное покрытие. При анодном покрытии во время коррозии разрушается само покрытие, а основная конструкция не разрушается.

Решение задач на коррозию металлов

Задание 287. 
Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары магний – никель. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
Решение:
Магний имеет более электроотрицательный стандартный электродный потенциал (-2,36 В), чем никель (-0,24 В), поэтому он является анодом, никель – катодом.

Анодный процесс – окисление металла:  Mе0 – 2   = Mеn+ 

и катодный процесс – восстановление ионов водорода (водородная деполяризация) или молекул кислорода (кислородная деполяризация). Поэтому при коррозии пары Mg — Ni с водородной деполяризацией происходит следующие процессы:

Анодный процесс: Mg0 – 2  = Mg2+ 
Катодный процесс:  в кислой среде: 2Н+ + 2   = Н2↑

Продуктом коррозии будет газообразный водород соединение магния с кислотным остатком (соль). 

При коррозии пары Mg — Ni в атмосферных условиях на катоде происходит кислородная деполяризация, а на аноде – окисление магния:

Анодный процесс: Mg0 – 2  = Mg2+ 
Катодный процесс: в нейтральной среде: 1/2O2 + H2O + 2  = 2OH-
в нейтральной или в щелочной среде: 1/2O2 + H2O + 2   = 2OH-

Так как ионы Mg2+ с гидроксид-ионами ОН- образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии будет Mg(OH)2.

Задание 288. 
В раствор хлороводородной (соляной) кислоты поместили цинковую пластинку и цинковую пластинку, частично покрытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.
Решение:
а) При помещении цинковой пластинки в раствор хлороводородной (соляной) кислоты происходит реакция замещения:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑

Через некоторое время цинковая пластинка в растворе разбавленной соляной кислоте пассивируется оксидной плёнкой, образующейся при взаимодействии цинка с кислородом растворённым в воде по схеме: Zn + 1/2 O2 = ZnO, поэтому коррозия цинка вскоре замедлится.

б) При помещении цинковой пластинки, частично покрытой медью, в раствор соляной кислоты образуется гальваническая пара Zn — Cu, в которой цинк будет анодом, а медь – катодом. Происходит это так, потому что цинк имеет более электроотрицательный электродный потенциал (-0,763 В), чем медь (+0-,34 В).

Анодный процесс: Zn0 – 2   = Zn2+;
Катодный процесс: в кислой среде: 2Н+ + 2   = Н2↑

Ионы цинка Zn2+ с ионами хлора Cl- будут давать соль ZnCl2 – сильный электролит,  а водород будет интенсивно выделяться в виде пузырьков газа. Этот процесс будет бурно протекать до тех пор пока не закончится приход ионов водорода Н+ соляной кислоты или пока полностью не растворится цинковая пластинка. Ионно-молекулярное уравнение коррозии:

Zn0 +  2H+  = Zn2+ + H2О↑

Молекулярная форма уравнения:

Zn +  2HCl  = ZnCl2 + H2↑

 Задание 289. 
Почему химически чистое железо более стойко против коррозии, чем техническое железо? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в кислой среде.
Решение:
Химически чистое железо более стойко к коррозии, потому что с кислородом образует на поверхности оксидную плёнку, которая препятствует дальнейшему разрушению металла. Техническое железо содержит примеси различных металлов и неметаллов, которые образуют различные гальванические пары железо — примесь. Железо, имея отрицательный стандартный электродный потенциал (-0,44 В) со многими примесями, потенциал которых значительно положительнее, является анодом, а примеси – катодом:

Анодный процесс: Fe0 -2   = Fe2+

Катодный процесс:  в кислой среде: 2Н+ + 2   = Н2↑
в нейтральной или в щелочной среде: 1/2O2 + H2O + 2   = 2OH-

Так как ионы Fe2+с гидроксильной группой образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом атмосферной коррозии железа будет Fe(OH)2. При контакте с кислородом воздуха Fe(OH)2 быстро окисляется до метагидроксида железа FeO(OH), приобретая характерный для него бурый цвет:

4Fe(OH)2 + О2 = 4FeO(OH) + 2Н2О

Решение задач по химии на покрытие металлов

Задание 284. 
Если пластинку из чистого цинка опустить в разбавленную кислоту, то начавшееся выделение водорода вскоре почти прекращается. Однако при прикосновении к цинку медной палочкой на последней начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив электронные уравнения анодного и катодного процессов. Напишите уравнения протекающей химической реакции.
Решение:
При опускании пластинки из чистого цинка в раствор разбавленной кислоты, начавшееся выделение водорода вскоре почти прекратится, потому что на пластинке из цинка образуется оксидная плёнка, которая будет препятствовать дальнейшему взаимодействию цинка с разбавленной кислотой. Оксидная плёнка образуется при взаимодействии цинка с кислородом, растворённым в воде по схеме:

Zn + 1/2 O2 = ZnO

Если прикоснуться к цинковой пластинке медной палочкой, то возникнет гальваническая пара цинк — медь, в которой цинк будет являться анодом, а медь – катодом. Это происходит, потому что стандартный электродный потенциал цинка (-0,763 В) значительно отрицательнее, чем потенциал меди (+0,34 В).

Анодный процесс: Zn0 – 2  = Zn2+
Катодный процесс в кислой среде: 2Н+ + 2 = H2↑

Образующиеся ионы Zn2+ будут с имеющимися анионами кислоты давать соль, а ионы водорода Н+, деполяризуясь на медной палочке, Zn0 – 2  = Zn2+образуют водород, который в виде пузырьков газа выделяется из раствора. Ионно-молекулярное уравнение реакции будет иметь вид:

Zn + 2H+ = Zn2+ + H2↑

Молекулярная форма уравнения реакции:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑

Задание 285. 
В чем сущность протекторной защиты металлов от коррозии? Приведите пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород. Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.
Решение:
Для предотвращения коррозии стальных конструкций применяется протекторная защита: создаётся электрический контакт защищаемой конструкции с протектором – более активным металлом (обычно Zn, Mg, Al или их сплавы). При таком контакте возникает гальваническая пара типа Zn — Fe и коррозии подвергается протектор, а не сама стальная конструкция (трубопровод, корпус корабля и т.п.). Например, корпус корабля защищают протектором – цинковые брусья, которые крепят в нескольких местах днища корабля. Под действием морской воды и  кислорода  цинк разрушается, а корпус корабля защищается, таким образом, от коррозии. При этом протекают следующие электрохимические процессы:

Анодный процесс: Zn0 – 2   = Zn2+;
Катодный процесс:
        а) в нейтральной или щелочной среде: 1/2O2 + H2O + 2   = 2OH-;
        б) в кислой среде: 1/2O2 + 2H+ + 2   = H2O

Таким образом, цинк разрушается, окисляясь до ионов Zn2+, которые с гидроксильными ионами образуют нерастворимый гидроксид Zn(OH)2 или в виде ионов Zn2+ уходит в раствор, если реакция среды кислая. Основной металл остаётся неповреждённым. 

 Задание 286. 
Железное изделие покрыли никелем. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и в хлороводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуются в первом и во втором случаях?
Решение:
Железо имеет более электроотрицательный стандартный электродный потенциал (-0,44 В), чем никель (-0,24 В), поэтому железо является анодом, никель – катодом.

Анодный процесс – окисление металла:  Fe0 – 2  = Fe2+ 

и катодный процесс – восстановление ионов водорода (водородная деполяризация) или молекул кислорода (кислородная деполяризация). Поэтому при коррозии пары Fe — Ni с водородной деполяризацией происходит следующие процессы:

Анодный процесс: Fe0 – 2   = Fe2+ 
Катодный процесс:  в кислой среде: 2Н+ + 2   = Н2

Продуктом коррозии будет газообразный водород соединение железа с кислотным остатком (соль). 

При коррозии пары Fe — Ni в атмосферных условиях на катоде происходит кислородная деполяризация, а на аноде – окисление железа:

Анодный процесс: Fe0 – 2   = Fe2+ 

Катодный процесс: 
в нейтральной среде: 1/2O2 + H2O + 2   = 2OH-

Так как ионы Fe2+ с гидроксид-ионами ОН- образуют нерастворимый гидроксид, то продуктом коррозии будет Fe(OH)2. При контакте с кислородом воздуха Fe(OH)2 быстро окисляется до метагидроксида железа FeO(OH), приобретая характерный для него бурый цвет:

4Fe(OH)2 + О2 = 4FeO(OH) + 2Н2О

Так как никель имеет более электроположительный стандартный электродный потенциал, чем железо, то данное покрытие является катодным. При повреждении катодного покрытия (или наличия пор) возникает коррозионный элемент, в котором основной материал в поре служит анодом и растворяется, а материал покрытия – катодом, на котором выделяется водород или поглощается кислород. Следовательно, данное катодное покрытие может защищать железо от коррозии лишь при отсутствии пор и повреждений покрытия.