Решебник по химии 9 класс Габриелян §35

Коррозия металлов и способы защиты от нее

Стр. 178

Вопрос

Ежегодно около четверти металлургических предприятий мира работают на восполнение потерь от коррозии. Что такое коррозия и как уменьшить потери от неё?

Коррозия — это разрушение металлов и их сплавов в результате взаимодействия с окружающей средой. Она может происходить в виде химической реакции (например, с кислородом в воздухе) или электрохимического процесса (в присутствии влаги и электролитов). Наиболее распространённый пример — ржавление железа.

Коррозия вызывает не только утрату металла, но и нарушение работы техники, оборудования, трубопроводов, судов и транспорта. Это влечёт за собой огромные финансовые и экологические потери.

Чтобы уменьшить потери от коррозии, применяют следующие меры:

• Нанесение защитных покрытий (лак, краска, пластик, металл — например, цинк или хром);

• Протекторная защита — использование более активного металла (например, цинка для защиты железа);

• Легирование сплавов — добавление хрома, никеля, титана для повышения стойкости (пример — нержавеющая сталь);

• Использование ингибиторов — веществ, замедляющих коррозию;

• Изменение состава поверхности — например, воронение или пассивирование.

Своевременная защита металлов позволяет существенно снизить затраты, продлить срок службы изделий и сохранить окружающую среду.

Стр. 182

Проверьте свои знания

1. Что такое коррозия? Какие виды коррозии различают?

Коррозия — это разрушение металла или его сплава под действием окружающей среды. Это явление связано с химическими или электрохимическими процессами, в которых металл вступает во взаимодействие с веществами, содержащимися в воздухе, воде или других средах. Результатом коррозии часто становятся ржавчина, потемнение, разрушение металла.

Различают два основных вида коррозии:

1. Химическая коррозия — происходит в сухих газах или жидкостях, не проводящих электрический ток. Пример: взаимодействие железа с кислородом воздуха при высоких температурах: (3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄)

2. Электрохимическая коррозия — происходит в электропроводной среде, например, в воде с растворёнными электролитами. Пример: ржавление железа при его контакте с водой и воздухом: (4Fe + 6H₂O + 3O₂ → 4Fe(OH)₃)

2. Проиллюстрируйте химическую коррозию на примере процессов, протекающих с литием на воздухе, сопроводив их соответствующими уравнениями реакций.

Литий — активный щелочной металл, который легко подвергается химической коррозии при контакте с кислородом воздуха. При этом на его поверхности образуется оксид лития:

Молекулярное уравнение: (4Li + O₂ → 2Li₂O)

Этот процесс — пример химической коррозии, так как происходит в сухом воздухе без участия электрического тока. Оксид лития образует плотную плёнку, частично защищающую металл, но при наличии влаги и углекислого газа может дальше реагировать, образуя гидроксид или карбонат лития.

3. Перечислите способы защиты от коррозии.

Существует несколько способов защиты металлов от коррозии:

1. Нанесение защитных покрытий

Это может быть физическое покрытие (лак, краска, пластик) или металлическое (гальваника, напыление). Например, окраска металлических конструкций, как Эйфелева башня.

2. Покрытие металлов другими металлами

Применяют более устойчивые к коррозии металлы, например: цинк (оцинковка), хром, никель, золото. Оцинковка также даёт эффект протекторной защиты.

3. Использование легирующих добавок

Добавки к сплавам (Cr, Ni, Mn, Ti) повышают устойчивость к коррозии. Например, нержавеющая сталь содержит хром и никель.

4. Изменение состава поверхности металла

Пример — воронение: обработка железа для образования плотной оксидной плёнки.

5. Протекторная защита

Менее активный металл защищается за счёт более активного (цинк защищает железо): (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻),

(O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻),

(Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓)

6. Использование ингибиторов

Это вещества, замедляющие коррозию, например, в охлаждающей жидкости автомобилей или в нефтепроводах.

Каждый способ применяется в зависимости от условий и экономической целесообразности.

Стр. 182

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.

На воздухе медь медленно окисляется кислородом с образованием оксида меди(II):

(2Cu + O₂ → 2CuO)

Для химической очистки поверхности меди можно использовать слабый раствор кислоты, например, уксусной или лимонной, а также раствор аммиака. Эти вещества способны удалить оксидную плёнку, не разрушая саму медь.

5. Бронзовые скульптуры под действием кислорода воздуха, углекислого газа и влаги покрываются патиной — зелёноватым налётом, основным гидроксокарбонатом меди с формулой (CuOH)₂CO₃. К какому классу соединений относится это вещество? Дайте его название. Напишите уравнение реакции этого соединения с разбавленной кислотой.

Соединение (CuOH)₂CO₃ — это основная соль, а точнее — основной карбонат меди(II).

При взаимодействии с разбавленной кислотой (например, HCl), он разлагается с образованием соли, углекислого газа и воды:

(CuOH)₂CO₃ + 4HCl → 2CuCl₂ + CO₂↑ + 3H₂O

6. В состав предшественников ржавчины, которые превращают ржавый гидроксид железа(III) в прочную бурую плёнку, входит фосфат железа(III), получаемый при обработке ржавчины раствором фосфорной кислоты. Является ли данная реакция окислительно-восстановительной? Напишите уравнение реакции.

Реакция между гидроксидом железа(III) и фосфорной кислотой — это реакция обмена, не является окислительно-восстановительной, так как степени окисления всех элементов сохраняются.

2Fe(OH)₃ + 2H₃PO₄ → 2FePO₄↓ + 6H₂O

Образуется малорастворимый фосфат железа(III), который плотно прилипает к поверхности и препятствует дальнейшей коррозии.

7. В начале ХХ в. из порта Нью-Йорка вышла в открытый океан красавица яхта. Её владельцы, чтобы защитить металл от коррозии, использовали корпус яхты из очень дорогого в те времена металла — серебра. Однако яхта затонула. Что будет происходить с корпусом из серебра в морской воде, если к нему прикреплены куски металлического цинка? Напишите соответствующие уравнения реакций.

Цинк — более активный металл, чем серебро. В морской воде (электролите) возникает гальваническая пара. Цинк будет служить протектором, окисляться и тем самым защищать серебро:

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

А электроны, высвобождающиеся при окислении цинка, будут восстанавливать кислород:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

И в результате:

Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓

Таким образом, корпус из серебра не будет корродировать, пока происходит окисление цинка.

8. На днище корабля прикреплён якорь (жестяной) или просто тонкий слой металлического цинка. Каким образом цинковое покрытие предохраняет железо от коррозии? Напишите электрохимические процессы, протекающие на поверхности якоря. Объясните.

Цинк играет роль протекторного металла. Он находится в электрохимическом ряду напряжений левее железа и окисляется первым:

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

Электроны переходят на железо, и оно становится катодом, где восстанавливается кислород:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

Цинк реагирует с OH⁻:

Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓

Таким образом, железо не окисляется, так как электроны на его поверхности не теряются, а наоборот — поступают от цинка. Поэтому железо остаётся защищённым.

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.

После проведения эксперимента были получены следующие наблюдения:

1. Коррозия (ржавчина) наиболее активно шла в растворах поваренной соли (NaCl) и уксусной кислоты — это обусловлено наличием ионов, проводящих электрический ток, и кислой среды, ускоряющей электрохимические процессы.

2. Слабые признаки коррозии наблюдались в растворе карбоната натрия и нашатырного спирта, так как они обладают щелочной средой, менее способствующей окислению железа.

3. В чистой воде коррозия шла медленно, особенно при отсутствии доступа кислорода.

Установленная закономерность

Коррозия железа усиливается в растворах, которые хорошо проводят электрический ток (электролиты), особенно в кислой среде. Щелочная среда и отсутствие электролитов замедляют коррозионные процессы.

Механизм

Происходит электрохимическая коррозия: железо отдаёт электроны (окисляется), а на другом участке поверхности восстанавливается кислород с образованием ионов гидроксида. Это приводит к образованию (Fe(OH)₃), то есть ржавчины.

Дополнительное наблюдение

Коррозия активнее протекает на острой части гвоздя — это связано с нарушением пассивной плёнки на изогнутых или заострённых участках металла. Также, если металл повреждён механически, процесс коррозии ускоряется.