Глава IV. Металлы и их соединения. § 35. Коррозия металлов и способы защиты от неё — с. 182
§ 35. Проверьте свои знания.
1. Что такое коррозия? Какие виды коррозии различают?
1. Что такое коррозия? Какие виды коррозии различают?
Коррозия — это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды (кислорода, влаги, кислот, газов, солей), то есть окисление металла: M⁰ − ne⁻ → Mⁿ⁺.
Различают два вида коррозии:
1) Химическая коррозия — окисление металла сухими газами (O₂, Cl₂, SO₂ и др.) или жидкостями-неэлектролитами без участия электролита и без возникновения электрического тока, например 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃, 2Cu + O₂ = 2CuO (при нагревании).
2) Электрохимическая коррозия — разрушение металла в присутствии электролита (влага с растворёнными солями, кислотами); атомы металла переходят в раствор в виде ионов, а освободившиеся электроны восстанавливают окислитель на других участках поверхности или на менее активном металле. Так ржавеет железо во влажном воздухе и в морской воде.
Различают два вида коррозии:
1) Химическая коррозия — окисление металла сухими газами (O₂, Cl₂, SO₂ и др.) или жидкостями-неэлектролитами без участия электролита и без возникновения электрического тока, например 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃, 2Cu + O₂ = 2CuO (при нагревании).
2) Электрохимическая коррозия — разрушение металла в присутствии электролита (влага с растворёнными солями, кислотами); атомы металла переходят в раствор в виде ионов, а освободившиеся электроны восстанавливают окислитель на других участках поверхности или на менее активном металле. Так ржавеет железо во влажном воздухе и в морской воде.
§ 35. Проверьте свои знания.
2. Проиллюстрируйте химическую коррозию на примере процессов, протекающих с литием на воздухе, сопроводив их соответствующими уравнениями реакций.
Литий — активный металл, на воздухе он быстро тускнеет, покрываясь налётом продуктов окисления. Идёт химическая коррозия (окисление газами воздуха):
1) с кислородом: 4Li + O₂ = 2Li₂O (оксид лития);
2) с азотом (литий — единственный щелочной металл, реагирующий с азотом уже при обычной температуре): 6Li + N₂ = 2Li₃N (нитрид лития).
При наличии влаги и углекислого газа образовавшиеся соединения превращаются дальше: Li₂O + H₂O = 2LiOH; 2LiOH + CO₂ = Li₂CO₃ + H₂O; Li₃N + 3H₂O = 3LiOH + NH₃↑.
Литий переходит из степени окисления 0 в +1 (Li⁰ − e⁻ → Li⁺), поэтому он хранится под слоем вазелина или масла, без доступа воздуха.
1) с кислородом: 4Li + O₂ = 2Li₂O (оксид лития);
2) с азотом (литий — единственный щелочной металл, реагирующий с азотом уже при обычной температуре): 6Li + N₂ = 2Li₃N (нитрид лития).
При наличии влаги и углекислого газа образовавшиеся соединения превращаются дальше: Li₂O + H₂O = 2LiOH; 2LiOH + CO₂ = Li₂CO₃ + H₂O; Li₃N + 3H₂O = 3LiOH + NH₃↑.
Литий переходит из степени окисления 0 в +1 (Li⁰ − e⁻ → Li⁺), поэтому он хранится под слоем вазелина или масла, без доступа воздуха.
§ 35. Проверьте свои знания.
3. Перечислите способы защиты от коррозии.
1) Нанесение защитных покрытий на поверхность изделия: физических (краски, лаки, эмали) и химических (покрытие слоем менее подверженного коррозии металла — золота, серебра, хрома, никеля; лужение — слой олова, получается белая жесть).
2) Добавка легирующих элементов (хрома, никеля, марганца, алюминия, титана) при производстве стали — получают нержавеющие стали и сплавы.
3) Изменение состава поверхностного слоя изделия: воронение и другие виды оксидирования — создание тонкого плотного слоя оксидов.
4) Использование ингибиторов — веществ, которые в десятки и сотни раз уменьшают скорость коррозии (например, добавки в антифриз).
5) Протекторная защита — контакт изделия с более активным металлом (протектором), например цинковыми слитками на днище кораблей.
2) Добавка легирующих элементов (хрома, никеля, марганца, алюминия, титана) при производстве стали — получают нержавеющие стали и сплавы.
3) Изменение состава поверхностного слоя изделия: воронение и другие виды оксидирования — создание тонкого плотного слоя оксидов.
4) Использование ингибиторов — веществ, которые в десятки и сотни раз уменьшают скорость коррозии (например, добавки в антифриз).
5) Протекторная защита — контакт изделия с более активным металлом (протектором), например цинковыми слитками на днище кораблей.
§ 35. Примените свои знания.
4. Медь на воздухе покрывается налётом тёмного цвета, представляющим собой тонкую плёнку оксида меди(II). Напишите уравнение соответствующей реакции. Предложите способ химической очистки поверхности меди от оксидной плёнки без повреждения металла.
Уравнение реакции: 2Cu + O₂ = 2CuO (оксид меди(II) чёрного цвета; реакция идёт при нагревании и медленно на воздухе, окисление меди — Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺).
Способ очистки: оксид меди(II) — основный оксид, поэтому его можно растворить в кислоте, а сама медь в кислотах-неокислителях (разбавленной серной, уксусной, лимонной) не растворяется, так как стоит в ряду напряжений после водорода. Изделие погружают в раствор кислоты или протирают им:
CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O;
CuO + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Cu + H₂O.
Оксидная плёнка растворяется, металл остаётся блестящим и не повреждается. Концентрированные серная и азотная кислоты не подходят — они растворяют и саму медь. Затем изделие промывают водой.
Способ очистки: оксид меди(II) — основный оксид, поэтому его можно растворить в кислоте, а сама медь в кислотах-неокислителях (разбавленной серной, уксусной, лимонной) не растворяется, так как стоит в ряду напряжений после водорода. Изделие погружают в раствор кислоты или протирают им:
CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O;
CuO + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Cu + H₂O.
Оксидная плёнка растворяется, металл остаётся блестящим и не повреждается. Концентрированные серная и азотная кислоты не подходят — они растворяют и саму медь. Затем изделие промывают водой.
§ 35. Примените свои знания.
5. Бронзовые скульптуры под действием кислорода воздуха, углекислого газа и влаги покрываются патиной — зеленоватым налётом, состоящим главным образом из вещества с формулой (CuOH)₂CO₃. К какому классу соединений относится это вещество?
Дайте его название. Напишите уравнение реакции этого соединения с раствором серной кислоты.
Вещество (CuOH)₂CO₃ состоит из катионов меди Cu²⁺, гидроксид-ионов OH⁻ и карбонат-ионов CO₃²⁻, то есть в нём остаток кислоты и гидроксогруппа связаны с металлом. Это основная соль (гидроксосоль). Название — гидроксокарбонат меди(II) (минерал малахит).
Уравнение реакции с серной кислотой:
(CuOH)₂CO₃ + 2H₂SO₄ = 2CuSO₄ + CO₂↑ + 3H₂O.
Проверка: Cu 2 = 2; S 2 = 2; H 2 + 4 = 6 = 6; C 1 = 1; O 2 + 3 + 8 = 13 = 2 + 8 + 2 + 3 = 13. Налёт растворяется с выделением пузырьков газа, раствор приобретает голубой цвет.
Уравнение реакции с серной кислотой:
(CuOH)₂CO₃ + 2H₂SO₄ = 2CuSO₄ + CO₂↑ + 3H₂O.
Проверка: Cu 2 = 2; S 2 = 2; H 2 + 4 = 6 = 6; C 1 = 1; O 2 + 3 + 8 = 13 = 2 + 8 + 2 + 3 = 13. Налёт растворяется с выделением пузырьков газа, раствор приобретает голубой цвет.
§ 35. Примените свои знания.
6. В состав преобразователей ржавчины, которые превращают рыхлый гидроксид железа(III) в тонкую прочную плёнку фосфата железа(III), входит фосфорная кислота. Напишите уравнение реакции, протекающей при обработке ржавой поверхности фосфорной кислотой. Является ли данная реакция окислительно-восстановительной?
Уравнение реакции (нейтрализация основания кислотой): Fe(OH)₃ + H₃PO₄ = FePO₄ + 3H₂O. Атомов: Fe 1 = 1; P 1 = 1; H 3 + 3 = 6 = 6; O 3 + 4 = 7 = 4 + 3.
Фосфат железа(III) нерастворим в воде и образует на поверхности тонкую прочную плёнку.
Это реакция обмена, она не является окислительно-восстановительной: степени окисления элементов не изменяются (Fe⁺³ остаётся Fe⁺³, P⁺⁵ остаётся P⁺⁵, H⁺¹ и O⁻² тоже без изменений).
Фосфат железа(III) нерастворим в воде и образует на поверхности тонкую прочную плёнку.
Это реакция обмена, она не является окислительно-восстановительной: степени окисления элементов не изменяются (Fe⁺³ остаётся Fe⁺³, P⁺⁵ остаётся P⁺⁵, H⁺¹ и O⁻² тоже без изменений).
§ 35. Примените свои знания.
7. В начале XX в. из порта Нью-Йорка вышла в открытый океан красавица яхта. Её владелец, американский миллионер, изготовил корпус яхты из очень дорогого в то время алюминия, листы которого скреплялись медными заклёпками. Это было очень красиво: сверкающий серебристый корабль, усеянный золотистыми головками заклёпок!
Однако через несколько месяцев обшивка корпуса начала расходиться, и яхта пошла ко дну. Почему?
Напишите соответствующие уравнения реакций.
Алюминий и медь в контакте друг с другом, находясь в морской воде (раствор солей — электролит), образуют гальваническую пару, и возникает электрохимическая коррозия. Алюминий — более активный металл (стоит в ряду напряжений левее меди), поэтому разрушается он: вокруг медных заклёпок алюминиевые листы растворялись, соединения расходились, и яхта затонула.
Процессы:
на алюминии (анод): Al⁰ − 3e⁻ → Al³⁺ (окисление; множитель 4);
на меди (катод): O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (восстановление кислорода; множитель 3);
образование гидроксида: Al³⁺ + 3OH⁻ = Al(OH)₃↓.
Суммарно: 4Al + 3O₂ + 6H₂O = 4Al(OH)₃↓ (перешло 12 электронов от алюминия к кислороду; Al — восстановитель, O₂ — окислитель).
Медь при этом не разрушается, а служит местом, где идёт восстановление кислорода.
Процессы:
на алюминии (анод): Al⁰ − 3e⁻ → Al³⁺ (окисление; множитель 4);
на меди (катод): O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (восстановление кислорода; множитель 3);
образование гидроксида: Al³⁺ + 3OH⁻ = Al(OH)₃↓.
Суммарно: 4Al + 3O₂ + 6H₂O = 4Al(OH)₃↓ (перешло 12 электронов от алюминия к кислороду; Al — восстановитель, O₂ — окислитель).
Медь при этом не разрушается, а служит местом, где идёт восстановление кислорода.
§ 35. Примените свои знания.
8. Для защиты от коррозии железного листа (жести) его покрывают тонким слоем металлического цинка. Каким образом цинковое покрытие предохраняет железо от коррозии?
Рассмотрите электрохимические процессы, протекающие на поверхности обоих металлов.
Цинк — более активный металл, чем железо (в ряду напряжений Zn левее Fe). Поэтому, если покрытие повредится (царапина) и в месте повреждения окажется влага с растворёнными веществами, образуется гальваническая пара Zn–Fe, и разрушается именно цинк (протекторная защита).
На поверхности цинка (окисление): Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺.
Электроны переходят на поверхность менее активного железа, где идёт восстановление окислителя — кислорода в присутствии воды: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (электронный баланс: 2Zn и 1 O₂ — по 4 электрона).
Ионы цинка и гидроксид-ионы дают малорастворимый гидроксид: Zn²⁺ + 2OH⁻ = Zn(OH)₂↓; суммарно 2Zn + O₂ + 2H₂O = 2Zn(OH)₂↓.
Железо при этом не окисляется, и пока цинк не израсходован, оно защищено от коррозии. (Если бы покрытие было из менее активного металла, например олова, при повреждении слоя разрушалось бы само железо, и быстрее.)
На поверхности цинка (окисление): Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺.
Электроны переходят на поверхность менее активного железа, где идёт восстановление окислителя — кислорода в присутствии воды: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (электронный баланс: 2Zn и 1 O₂ — по 4 электрона).
Ионы цинка и гидроксид-ионы дают малорастворимый гидроксид: Zn²⁺ + 2OH⁻ = Zn(OH)₂↓; суммарно 2Zn + O₂ + 2H₂O = 2Zn(OH)₂↓.
Железо при этом не окисляется, и пока цинк не израсходован, оно защищено от коррозии. (Если бы покрытие было из менее активного металла, например олова, при повреждении слоя разрушалось бы само железо, и быстрее.)
§ 35. Примените свои знания.
9. Выполните домашний эксперимент «Изучение коррозии железных гвоздей». Реактивы и оборудование: растворы аммиака (нашатырный спирт), хлорида натрия (поваренная соль), уксусной кислоты (столовый уксус), карбоната или гидрокарбоната натрия (стиральная или питьевая сода), вода; пять гвоздей, пять прозрачных пузырьков (например, из-под лекарств); любой самодельный индикатор (¹). Ход работы:
1) Возьмите пять пузырьков и опустите в каждый по чистому блестящему гвоздю. Аккуратно! Не разбейте донышки пузырьков!
2) Налейте в каждый пузырёк раствор одного из реагентов так, чтобы он полностью покрыл гвоздь.
3) С помощью любого индикатора определите среду каждого раствора. Оставьте гвозди в растворах до следующего дня. Проследите за тем, какие изменения обнаружились при этом.
4) Напишите отчёт о проделанной работе, ответив на следующие вопросы: В каких растворах наблюдались, а в каких не наблюдались признаки коррозии? Удалось ли вам установить какие-либо закономерности при проведении опыта? Каковы они? Как можно объяснить эти закономерности? Заметили ли вы разницу в том, как протекает коррозия на поверхности, шляпке, остром кончике гвоздя? (¹) Самодельный индикатор можно приготовить из свёклы, краснокочанной капусты, черники, вишни: немного сырья измельчить, залить 200 мл воды, прокипятить 2–3 мин, остудить и профильтровать; использовать свежий раствор.
1) Возьмите пять пузырьков и опустите в каждый по чистому блестящему гвоздю. Аккуратно! Не разбейте донышки пузырьков!
2) Налейте в каждый пузырёк раствор одного из реагентов так, чтобы он полностью покрыл гвоздь.
3) С помощью любого индикатора определите среду каждого раствора. Оставьте гвозди в растворах до следующего дня. Проследите за тем, какие изменения обнаружились при этом.
4) Напишите отчёт о проделанной работе, ответив на следующие вопросы: В каких растворах наблюдались, а в каких не наблюдались признаки коррозии? Удалось ли вам установить какие-либо закономерности при проведении опыта? Каковы они? Как можно объяснить эти закономерности? Заметили ли вы разницу в том, как протекает коррозия на поверхности, шляпке, остром кончике гвоздя? (¹) Самодельный индикатор можно приготовить из свёклы, краснокочанной капусты, черники, вишни: немного сырья измельчить, залить 200 мл воды, прокипятить 2–3 мин, остудить и профильтровать; использовать свежий раствор.
Образец выполнения (результаты зависят от условий; приведены типичные).
Среда растворов по индикатору (отвар краснокочанной капусты: в кислой среде красный/розовый, в нейтральной фиолетовый, в щелочной синий — зелёный):
1) аммиак (нашатырный спирт) — щелочная среда (зелёно-синий цвет);
2) хлорид натрия — нейтральная (фиолетовый);
3) уксус — кислая (красный);
4) сода — слабощелочная (сине-зелёный);
5) вода — нейтральная (фиолетовый).
Наблюдения через сутки:
уксус — на гвозде мелкие пузырьки водорода, раствор слегка желтеет, поверхность тускнеет: Fe + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Fe + H₂↑;
хлорид натрия — самая сильная коррозия: бурый налёт и муть, бурая ржавчина Fe(OH)₃ (4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃↓);
вода — слабые признаки, немного ржавчины, больше всего на границе воды и воздуха;
сода и аммиак — гвоздь остаётся блестящим или почти не изменяется (в щелочной среде железо пассивируется, корродирует очень медленно).
Отчёт (ответы на вопросы).
1) Признаки коррозии заметны в растворе соли и в уксусе (и слабо в воде), не заметны в щелочных растворах аммиака и соды.
2) Закономерность: коррозия идёт быстрее в кислой среде и в растворе электролита (NaCl), и сильно замедляется в щелочной среде.
3) Объяснение: в растворе соли есть ионы, повышающие электропроводность, и ионы Cl⁻, разрушающие защитную плёнку, поэтому электрохимическая коррозия (Fe − 2e⁻ → Fe²⁺; O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻) идёт быстро; в кислой среде железо растворяется в кислоте; в щелочной среде на поверхности образуется плотная оксидная плёнка, защищающая металл.
4) Сильнее ржавеют острый кончик и шляпка гвоздя (места деформации, где металл напряжён и имеет много дефектов), а также линия раздела «раствор — воздух», куда больше всего поступает кислород.
Оговорка: условие опыта в тексте учебника приведено кратко, результаты зависят от реактивов и времени.
Среда растворов по индикатору (отвар краснокочанной капусты: в кислой среде красный/розовый, в нейтральной фиолетовый, в щелочной синий — зелёный):
1) аммиак (нашатырный спирт) — щелочная среда (зелёно-синий цвет);
2) хлорид натрия — нейтральная (фиолетовый);
3) уксус — кислая (красный);
4) сода — слабощелочная (сине-зелёный);
5) вода — нейтральная (фиолетовый).
Наблюдения через сутки:
уксус — на гвозде мелкие пузырьки водорода, раствор слегка желтеет, поверхность тускнеет: Fe + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Fe + H₂↑;
хлорид натрия — самая сильная коррозия: бурый налёт и муть, бурая ржавчина Fe(OH)₃ (4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃↓);
вода — слабые признаки, немного ржавчины, больше всего на границе воды и воздуха;
сода и аммиак — гвоздь остаётся блестящим или почти не изменяется (в щелочной среде железо пассивируется, корродирует очень медленно).
Отчёт (ответы на вопросы).
1) Признаки коррозии заметны в растворе соли и в уксусе (и слабо в воде), не заметны в щелочных растворах аммиака и соды.
2) Закономерность: коррозия идёт быстрее в кислой среде и в растворе электролита (NaCl), и сильно замедляется в щелочной среде.
3) Объяснение: в растворе соли есть ионы, повышающие электропроводность, и ионы Cl⁻, разрушающие защитную плёнку, поэтому электрохимическая коррозия (Fe − 2e⁻ → Fe²⁺; O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻) идёт быстро; в кислой среде железо растворяется в кислоте; в щелочной среде на поверхности образуется плотная оксидная плёнка, защищающая металл.
4) Сильнее ржавеют острый кончик и шляпка гвоздя (места деформации, где металл напряжён и имеет много дефектов), а также линия раздела «раствор — воздух», куда больше всего поступает кислород.
Оговорка: условие опыта в тексте учебника приведено кратко, результаты зависят от реактивов и времени.