Электрохимическая коррозия. Защита металлов от коррозии.

Разрушение металла, превращение его в оксид, гидроксид или соль в окислительно-восстановительных реакциях с соединениями окружающей среды называется коррозией металла.

Электрохимическая коррозия – это разрушение металла в окислительно-восстановительной реакции в микрогальваническом элементе, возникающем на поверхности металла. Капли воды на поверхности металла способствуют возникновению электрохимической коррозии.

Ионы железа Fe2+ переходят с поверхности металлической кристаллической решетки в водный раствор в зоне, которая соответствует аноду:

анод (окисление железа): 2Fe ® 2Fe2+ + 4е-.

Избыток электронов, возникший в металле, устремляется к участку поверхности металла, выполняющему функцию катода. Происходит восстановление кислорода, растворенного в воде:

катод (восстановление): О2 + 2Н2О(ж) + 4е- ® 4ОН-(р-р).

В капле раствора идет следующая реакция:

2Fe2+(р-р) + 4НО-(р-р) ® 2Fe(OH)2(т).

Гидроксид железа (II) окисляется кислородом, растворенным в воде, и превращается в гидроксид железа (III) буро-красного цвета:

4Fe(OH)2(т)+ O2 + 2H2O(ж) ® 4Fe(OH)3(т).

Последний разлагается до оксида железа (III):

2Fe(OH)3(т) ® Fe2O3×H2O (бурый осадок) + 2Н2О(ж).

Появление на поверхности металла ржавчины в виде небольших буро-коричневых точек является результатом действия на данном участке микрогальванического элемента.

ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ: катодная или электрохимическая защита широко используется для предотвращения коррозии стальных трубопроводов, по которым перекачивается нефть и природный газ. При катодной защите стальной трубопровод подсоединяется к катоду источника постоянного тока и на металле возникает отрицательный заряд. Он затрудняет переход положительно заряженных ионов железа в раствор.

1. Анодная защита – нанесение на металлическую конструкцию слоя металла, выполняющего роль анода, по отношению к металлу конструкции. Для анодного покрытия используют металлы, обладающие более отрицательным электродным потенциалом, чем основной металл
2. Катодная защита – покрытие металлами, выполняющими роль катода по отношению к металлу конструкции. ля катодного покрытия выбирают металлы, имеющие меньшее отрицательное значение электродного потенциала, чем основной металл

Дисперсные системы и их классификация. Коллоидные растворы, строение мицеллы.

Дисперсной называется гетерогенная система, в которой одна фаза, раздробленная до мелких частиц, распределена в газе, жидкости или твердом теле. В таких системах раздробленное вещество принято называть дисперсной фазой, а среду, в которой она распределена, - дисперсионной средой. Дисперсные системы, в отличие от гетерогенных с относительно крупными, сплошными фазами, называют микрогетерогенными, а коллоиднодисперсные системы называют ультрамикрогетерогенными.

Классификация:

Системы	Раздробленн-ость вещества	Поперечник частиц, см	Число атомов в одной частице
Грубодисперсные	Макроскопи-ческая	1-10-2	›1018
Микроскопи-ческая	10-2-10-3	›109
Предельно-высокодисперсные	Коллоидная	10-5-10-7	109-103
Молекулярные и ионные	Молекулярная и ионная	10-7-10-8	‹ 103

Т

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза
Твердая	Жидкая	Газообразная
Жидкая	Золи, суспензии, гели, пасты	Эмульсии	Газовые эмульсии, пены
Твердая	Твердые золи, сплавы	Твердые эмульсии	Твердые пены
Газообразная	Дым, пыль	Туманы	Отсутствуют

 

Грубодисперсные системы.

Эти системы содержат в качестве дисперсной фазы наиболее крупные частицы диаметром от 0,1 мк и выше. К этим системам относятся суспензии и эмульсии.

Суспензиями называют системы, в которых твёрдое вещество находится в жидкой дисперсионной среде, например, взвесь крахмала, глины и др. в воде. Эмульсиями называют дисперсионные системы двух несмешивающихся жидкостей, где капельки одной жидкости во взвешенном состоянии распределены в объёме другой жидкости. Например, масло, бензол, толуол в воде или капельки жира (диаметром от 0,1 до 22 мк) в молоке и др.

Коллоидные системы. Они имеют размеры частиц дисперсной фазы от 0,1 мк до 1 ммк (или от 10-5 до 10-7 см). Такие частицы могут проходить через поры фильтровальной бумаги, но не проникают через поры животных и растительных мембран.

Коллоидные частицы при наличии у них электрического заряда и сольватно-ионных оболочек остаются во взвешенном состоянии и без изменения условий очень долго могут не выпадать в осадок.

Примерами коллоидных систем могут служить растворы альбумина, желатина, гуммиарабика, коллоидные растворы золота, серебра, сернистого мышьяка и др.

Молекулярно-дисперсные системы. Такие системы имеют размеры частиц, не превышающие 1ммк. К молекулярно-дисперсным системам относятся истинные растворы неэлектролитов.

Ионно-дисперсные системы. Это растворы различных электролитов, как, например, солей, оснований и т.д., распадающихся на соответствующие ионы, размеры которых весьма малы и выходят далеко за пределы
10-8 см.

Высокодисперсные системы называют коллоидными растворами или золями.

Золь – высокодисперсная система с жидкой, газообразной или твердой дисперсионной средой и размером частиц дисперсной фазы 10-7 – 10-9 м, т.е. в 10 – 1000 раз больше, чем размеры атомов, молекул или ионов, если принять во внимание расчет, приведенный выше.

Если дисперсионной средой является газ, например воздух, дисперсная система называется аэрозолем. В помещении всегда присутствуют микрочастицы пыли (аэрозоль).

К золям с твердой дисперсионной средой относятся рубиновые стекла. В рубиновом стекле микрочастицы золота в ничтожных количествах (0.01 мас. %) распределены по всему объему предварительно расплавленного стекла.

Системы средней и грубой дисперсности отличаются от высокодисперсных систем более крупными частицами дисперсной фазы К ним относятся эмульсии (Ж/Ж), суспензии и пасты (Т/Ж), пены (Г/Ж), сыпучие порошки (Т/Г) и твердые пены (Г/Т).

Эмульсии (Ж/Ж) – это грубодисперсные системы с жидкой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. Наибольшее практическое применение имеют системы, в которых одной из фаз является вода (В), а другой – нерастворимая или плохо растворимая в воде органическая жидкость, которую условно называют маслом (М). Прямые эмульсии – это капли масла в воде (М/В), например молоко, а обратные эмульсии – капли воды в масле (В/М), например сливочное масло Среди искусственных эмульсий назовем маргарин, лекарственные и косметические мази и кремы.

Суспензии (Т/Ж) – грубодисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. К таким системам относятся масляные краски эмали, цветные лаки. Обычно они готовятся на растительных или синтетических маслах (дисперсионная среда), дисперсной фазой является твердый краситель.

Пасты (Т/Ж) – концентрированные суспензии, например зубная паста содержит воду, твердые частички мела (СаСО3), и другие добавки, включая поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Пена – грубодисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой (Г/Ж) или твердой (Г/Т) дисперсионной средой (рис. 14).

Мыльная пена – это дисперсная система, где воздух является дисперсной фазой, а вода – дисперсионной средой. Пены с жидкой дисперсионной средой, как правило, неустойчивы, а с твердой дисперсионной средой могут существовать длительное время.

Раздробленность приводит к резкому увеличению поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для оценки межфазовой границы используют понятие удельной поверхности S уд – поверхности раздела фаз S, отнесенной к единице массы дисперсной фазы или ее объему: или

мицелла (англ. micelle) — отдельная частица высокодисперсной коллоидной системы с жидкой дисперсионной средой, состоящая из ядра и поверхностной стабилизирующей оболочки. Средний размер мицелл составляет от 1 до 100 нм.

К мицеллам относят частицы в лиофильных коллоидах (растворах поверхностноактивных веществ). В лиофильных золях мицелла представляет собой ассоциат молекул (агрегаты, состоящие из десятка и сотен амфильных молекул). В каждой молекуле длинный гидрофобный радикал связан с полярной (гидрофильной) группой. При образовании мицеллы несколько десятков или сотен молекул объединяются так, что гидрофобные радикалы образуют ядро (внутреннюю область), а гидрофильные группы — поверхностный слой мицеллы. Концентрацию поверхностно-активных веществ в растворе, при которой в системе образуются устойчивые мицеллы, находящиеся в равновесии с неассоциированными молекулами поверхностно-активного вещества, называют критической концентрацией мицеллоообразования. Если дисперсионной средой является органическая жидкость, ориентация молекул в мицелле может быть обратной: ядро содержит полярные группы, а гидрофобные радикалы обращены во внешнюю фазу (обратная мицелла).В лиофобных гидрозолях, стабилизованных электролитами, ядро мицеллы окружено двумя слоями противоположно заряженных ионов, т. е. двойным электрическим слоем. Диффузный слой ионов препятствует сближению и агрегированию (сцеплению) частиц.