Коррозия металла с кислородной деполяризацией

При наличии в растворе газообразного кислорода и не возможностью протекания процесса коррозии с водородной деполяризацией основную роль деполяризатора исполняет кислород. коррозионные процессы, у которых катодная деполяризация осуществляется растворенным в электролите кислородом, называют процессами коррозии металлов с кислородной деполяризацией. Это наиболее распространенный тип коррозии металла в воде, в нейтральных и даже в слабокислых солевых растворах, в морской воде, в земле, в атмосфере воздуха. Общая схема кислородной деполяризации сводится к восстановлению молекулярного кислорода до иона гидроокисла:

O + 4e +2HO -> 4OH


Термодинамические возможности кислородной деполяризации.

Протекание процесса коррозии металла с кислородной деполяризацией согласно уравнения возможно при условии:

где ( ) - обратимый потенциал кислородного электрода, равный:

где ( ) - стандартный потенциал кислородного электрода, т.е. (обратимый) потенциал кислородного электрода при 25 С.

a =1 P =101 Па (1 атм)

Из последнего уравнения следует, что ( ) зависит от рН среды (а ) и парциального давления кислорода. Значение обратимых потенциалов кислородного электрода при различных рН среды и Р P (атм) V ,B, при рН среды рН=0 рН=7 рН=14 0,21 +1,218 +0,805 +0,381 1 +1,229 +0,815 +0,400

Коррозия металла с кислородной деполяризацией в большинстве практических случаев происходит в электролитах, соприкасающихся с атмосферой, парциальное давление кислорода в которой Р=0,21 атм.

Следовательно, при определении термодинамической возможности протекания коррозионного процесса с кислородной деполяризацией следует производить учитывая реальное парциальное давление кислорода в воздухе (см. табл.). Т.к. значения (V ) очень положительны, то условия соблюдаются в очень многих случаях. В следующей таблице приведены значения ЭДС и изменения изобарно-изотермических потенциалов коррозионных процессов с кислородной деполяризацией:

Me + n/2HO + n/4O = Me(OH)

Металлы Твердый продукт (E ) =V G ккал/г эквМе

коррозии =V - V

Mg Mg(OH) +3,104 -71,6

Mn MnO +2,488 -25,6

Zn Zn(OH) +1,636 -37,7

Fe Fe(OH) +1,268 -29,3

Fe Fe(OH) +1,164 -26,3

Cu CuO +0,648 -17,3

Cu Cu(OH) +0,615 -14,2

Ag AgO +0,047 -1,1



Сопоставляя эти данные с данными по водороду

Р (атм) рН=0 рН=7 рН=14

5*10 +0,186 -0,288 -0,642

1 0,000 -0,414 -0,828

позволяет указать на, то что кислородная деполяризация более термодинамически возможна чем водородная деполяризация. Изучение восстановления кислорода на неблагородных металлах (а именно они представляют наибольший интерес с точки зрения коррозии) затрудняется тем, что при катодной поляризации электрода металл может иметь потенциал более положительный, чем равновесный и, следовательно, подвергается окислению (ионизации). При катодной поляризации в определенном интервале потенциалов будут происходить одновременно два процесса восстановление кислорода и окисление металла. Окисление металла прекратится когда потенциал металла будет равен или станет отрицательнее равновесного потенциала металла. Эти обстоятельства затрудняют изучение процессов кислородной деполяризации.


Схема кислородной деполяризации.

Каждый процесс с кислородной деполяризацией включает следующие последовательные стадии:

1) Растворение кислорода воздуха в растворе электролита.

2) Транспортировка растворенного кислорода в растворе электролита (за счет диффузии или перемешивания) к слою Прандтля.

3) Перенос кислорода в части слоя Прандтля ( ) в результате движения электролита.

4) Перенос кислорода в диффузионном слое электролита толщиной или в пленке продуктов коррозии металла к катодным участкам поверхности.

5) Ионизация кислорода:

а) в нейтральных и щелочных растворах

б) в кислых растворах

6) Диффузионный или конвектный перенос ионов ОН от катодных участков поверхности корродирующего металла в глубь электролита.



В реальных условиях коррозии металла наиболее затрудненными стадиями процесса являются:

а) реакция ионизации кислорода на катоде. Возникающую при этом поляризацию называют перенапряжением кислорода. Говорят, что процесс идет с кинетическим контролем.

б) Диффузия кислорода к катоду, либо перенапряжение диффузии. В этом случае, говорят, что процесс идет с диффузионным контролем.



Возможны случаи когда обе стадии - ионизация кислорода и диффузия кислорода оказывают влияние на процесс. Тогда говорят, о кинетически-диффузионном контроле. Перенапряжение ионизации кислорода. Перенапряжение ионизации кислорода чаще всего появляется в сильно перемешанных растворах, при интенсивной аэрации раствора (баротаж воздуха и др.), при наличии на металле тонкой пленки электролита (влаги) как и в случае с любой другой катодной

реакцией восстановление перенапряжение ионизации кислорода зависит от катодной плотности тока, материала катода, температуры и некоторых других факторов.

При очень малых константах тока i<10 А/м, когда скорости частных реакции i и i соизмеримы а перенапряжение ионизации кислорода линейно зависит от плотности тока:

где к постоянная зависящая от материала и состояния поверхности катода, температуры и прочего. Если плотность тока достаточно высока i> А/м то перенапряжение ионизации кислорода является линейной функцией lgi т.е. имеет место зависимость тапа уравнения Тафеля где а - постоянная зависящая от молярности катода его состояния, Т и пр., численно а=h при i=1; b постоянная зависящая от механизма возникновения перенапряжения. При заторможенности только реакции взаимодействия кислорода с электроном b=



Катодная реакция ионизации кислорода состоит из цепи последовательных элементарных реакций, т.е. протекает стадийно:

а) образование молекулярного иона кислорода

б) образование пергидроксила

в) образование пергидроксила иона

г) образование перекиси водорода.

д) восстановление перекиси водорода до гидроксил иона и гидроксил-радикала

е) Восстановление гидроксил-радикала до гидроксил иона

Для ряде металлов (Fe,Cu,Au,Pt) при 25 С const b=0.10..0.13. Это свидетельствует о том, что причиной перенапряжения ионизации кислорода является замедленность элементарной реакции ассимиляции одного электрона (n=1). Для кислых растворов такой реакцией является, по видимому, образование молекулярного иона кислорода (а), а для щелочных сред - образование пергидроксил-иона (в).