Transcript Wykład 5 - Elektrochemia. Korozja

Chemia ogólna
Elektrochemia i korozja
Wojciech Solarski
Elektrochemia – dział chemii zajmujący
się zjawiskami przebiegającymi z
udziałem prądu elektrycznego
1. Elektroliza
2. Ogniwa elektrochemiczne
3. Korozja i ochrona przed
korozją
Elektrochemia – dział chemii zajmujący
się zjawiskami przebiegającymi z
udziałem prądu elektrycznego
1. Elektroliza
1. Ogniwa elektrochemiczne
Zmiana powierzchni metalicznej w wyniku oddziaływania z roztworem
1. KOROZJA
ELEKTROCHEMICZNA
Powstanie potencjału elektrochemicznego na powierzchni metalicznej.
Elektrochemia – dział chemii zajmujący
się zjawiskami przebiegającymi z
udziałem prądu elektrycznego
Potencjał elektrochemiczny
W wyniku reakcji elektrochemicznych przebiegających na
powierzchni
elektrody
metalicznej
zanurzonej
w
roztworze zachodzi przemieszczanie się ładunków:
elektronów wewnątrz materiału elektrody i
jonów w elektrolicie.
Procesy te prowadzą do powstania różnicy potencjałów w
przestrzeni przyelektrodowej,
Reakcje potencjałotwórcze
W przypadku, gdy reakcją potencjałotwórczą jest
równowaga między czystym metalem, a jego jonami w
roztworze potencjał metalu określa równanie Nernsta:
E= E 0
RT/nF ln a Me
n
gdzie:
E0 - potencjał standardowy,
R – uniwersalna stała gazowa, 8,31 J*mol-1* K-1
T – temperatura bezwzględna,
n – ilość elektronów biorących udział w procesie elektrodowym,
F - stała Faradaya, 96 500 C,
aMe aktywność jonów metalu.
Standardowa
elektroda
wodorowa
2H+(1M) + 2e- --> H2(g,1atm)
Eoredn = 0.0V
Standardowa elektroda wodorowa
E=0,000 V.
Pomiar potencjału elektrody Zn/Zn2+ względem standardowej
elektrody wodorowej.
Potencjał standardowy E0
Potencjał metalu
zanurzonego w roztworze
jonów własnych o aktywności
1 (mierzony względem SEW
w war. standardowych)
Szereg napięciowy metali
Metal
0
Lit
Li + e Li
E ,V
-3.045
Potas
K + e K
-2.925
Wapс
Ca + 2e Ca
-2.870
Sód
Na + e Na
-2.713
Glin
Al + 3e Al
2+e
Zn + 2e = Zn
3+
Cr + 3e = Cr
2+
Fe + 2e = Fe
2+
Ni + 2e = Ni
2+
Sn + 2e = Sn
2+
Pb + 2e = Pb
3+
Fe + 3e = Fe
+
2H + 2e = H2 (gaz)
2+
Cu + 2e = Cu
2+
Hg + 2e = Hg
+
Ag + e = Ag
2+
Pd + 2e = Pd
2+
Pt + 2e = Pt
+
Au + e = Au
-1.660
Cynk
Chrom
Żelazo (II)
Nikiel
Cyna
Ołów
Żelazo (III)
Wodór
Miedź
Rtęć
Srebro
Pallad
Platyna
Złoto
Reakcja
+
+
2+
+
3+
-0.763
-0.740
-0.440
-0.250
-0.136
-0.126
-0.036
0.000
0.337
0.792
0.799
0.830
1.200
1.680
Pomiar potencjału elektrody Zn/Zn2+ względem standardowej
elektrody wodorowej (a) i elektrody odniesienia – nasyconej
elektrody kalomelowej NEK (b).
Erów.Zn = -0.760 + (RT/2F) ln aZn2+
Erów.Cu = 0. 340 + (RT/2F) ln aCu2+
Erów.Zn = -0.760 + (RT/2F) ln aZn2+
Erów.Cu = 0. 340 + (RT/2F) ln aCu2+
W ogniwie Daniella na
elektrodzie cynkowej
zachodzi reakcja utleniania
cynku: Zn  Zn2+ + 2e.
Elektroda cynkowa jest więc
anodą.
Katodą jest natomiast
elektroda miedziowa na
której zachodzi proces
redukcji: Cu2+ + 2e  Cu.
SEM = EK - EA =
Erów.Cu - Erów.Zn =
1.100 + (RT/2F) ln (aCu2+ /aZn2+)
OGNIWO DANIELLA
OGNIWO DANIELLA
Zn --> Zn2+ + 2e-
Eocell = 1.10V
Cu2+ + 2e- -->Cu
Utlenianie - proces anodowy
Redukcja – proces katodowy
Szereg napięciowy metali
Metal
0
Lit
Li + e Li
E ,V
-3.045
Potas
K + e K
-2.925
Wapс
Ca + 2e Ca
-2.870
Sód
Na + e Na
-2.713
Glin
Al + 3e Al
2+e
Zn + 2e = Zn
3+
Cr + 3e = Cr
2+
Fe + 2e = Fe
2+
Ni + 2e = Ni
2+
Sn + 2e = Sn
2+
Pb + 2e = Pb
3+
Fe + 3e = Fe
+
2H + 2e = H2 (gaz)
2+
Cu + 2e = Cu
2+
Hg + 2e = Hg
+
Ag + e = Ag
2+
Pd + 2e = Pd
2+
Pt + 2e = Pt
+
Au + e = Au
-1.660
Cynk
Chrom
Żelazo (II)
Nikiel
Cyna
Ołów
Żelazo (III)
Wodór
Miedź
Rtęć
Srebro
Pallad
Platyna
Złoto
Reakcja
+
+
2+
+
3+
-0.763
-0.740
-0.440
-0.250
-0.136
-0.126
-0.036
0.000
0.337
0.792
0.799
0.830
1.200
1.680
Reakcje metali z kwasami
E0Zn = -0,76 V
E0Cu = +0,34 V
Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2
Cu + 2 HCl = CuCl2 + H2
NIEPRAWDA!!!!
NIEDOSTATECZNIE
Cu + 2 HCl = NIE REAGUJE
Reakcje metali o róznych potencjałach standardowych
E0Zn = -0,76 V
E0Cu = +0,34 V
Zn + CuCl2 = ZnCl2 + Cu
Cu + ZnCl2 = CuCl2 + Zn
NIEPRAWDA!!!!
NIEDOSTATECZNIE
Cu + ZnCl2 = NIE REAGUJE
Ogniwo Leclanche’go
Bateria alkaliczna
Ogniwa
paliwowe
KOROZJA
KOROZJA
Austenit i ferryt w stali
Korozja atmosferyczna
jest wynikiem działania dwóch czynników: wilgoci i tlenu. Przebiega głównie
z depolaryzacją tlenową (redukcja tlenu), rzadziej – szczególnie w
terenach uprzemysłowionych – z depolaryzacją wodorową lub mieszaną
(tlenowo-wodorową) ze względu na zawartość gazów – bezwodników
kwasowych takich jak SO2 w atmosferze.
Korozja atmosferyczna żelaza i jego stopów (stali) prowadzi do tworzenia
rdzy, która jest mieszaniną tlenków Fe (II) i Fe (III). Można ją
przedstawić w formie odrębnych procesów przebiegających w
mikroogniwach korozyjnych :
A:
Fe – 2 e  Fe2+
utlenianie
K:
O2 + 2 H2O + 4 e  4 OH–
redukcja,
Fe2+ + 2 OH–  Fe(OH)2
2 Fe(OH)2 + ½ O2 + H2O  2 Fe(OH)3
2 Fe(OH)3 + n H2O  Fe2O3*(n+3) H2O rdza – uwodniony tlenek żelaza
• Powłoki barierowe
– Oddzielenie metalu od
środowiska korozyjnego:
•
•
•
•
Smary
Lakiery, emalie
Pokrycia plastikowe
Pokrycia metaliczne cyna,
miedź, nikiel, chrom, srebro
• Protektory
– Pokrycie żelaza lub stopów
metalami aktywnymi:
• Cynk (galwanizacja)
– Połączenie z metalami
aktywniejszymi
(protektorami):
• Anoda ofiarna wykonana z
magnezu.
Metody elektrochemiczne z
zastosowaniem zewnętrznego źródła
prądu:
•Katodowa (katodowe polaryzowanie
chronionego metalu)
•Anodowa (możliwa w przypadku metali
i stopów ulegających pasywacji)
Modyfikacja środowiska korozyjnego
•Zmiana pH (roztwory wodne)
•Zmniejszenie wilgotności (korozja
atmosferyczna)
•Zmniejszanie zawartości tlenu
•Inhibitory
Elektroda
Potencjał
elektrody,
VAg/AgCl
Stal konstrukcyjna
-0,740
0H18N9/Stal
konstr.
0H18N9
0H18N9/Zn
Potencjał pary
galwanicznej,
VAg/AgCl
-0,728
-0,250,070
-0,905
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
Al
Cu
0,24
0,035
0,53
<0,001
0,001
0,04
0,03
<0,002 0,04
0,09
Stal
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
Al
Cu
wspornik
0,12
0,62
1,65
<0,001 0,015
20,75
8,35
0,27
0,03
0,45
koryto
0,06
0,38
1,65
<0,001 <0,001 20,70
8,22
0,25
0,01
0,45