BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI

58 841 7
BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Bài giảng này không phải là cẩm nang cho vấn đề ăn mòn và chống ăn mòn. Điều cần nhấn mạnh là đề cập đến nguyên lý và một số phương pháp đã được nghiên cứu để làm giảm tính ăn mòn của kim loại trong thực tế công nghiệp hiện nay. Thật vậy, mục đích của bài giảng này nhằm giới thiệu một cách khái quát về nguyên lý và cách phòng chống ăn mòn cho sinh viên không thuộc chuyên ngành điện hóa và ăn mòn kim loại.

Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÒA KHOA CÔNG NGHỆ HÓA  BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI DÀNH CHO SINH VIÊN NGÀNH HÓA HỆ CAO ĐẲNG TP. TUY HÒA - 2010 Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại NỘI DUNG Trang Chương 1: MỞ ĐẦU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI 1 1.1. Định nghĩa 1 1.2. Ý nghĩa kinh tế của sự ăn mòn kim loại 3 1.3. Phân loại các quá trình ăn mòn 3 1.4. Các phương pháp đánh giá độ ăn mòn 4 Chương 2: ĂN MÒN HÓA HỌC 8 2.1. Nhiệt động học của ăn mòn hóa học 8 2.2. Cơ chế ăn mòn khí khô 9 2.3. Màng oxit bảo vệ 9 2.4. Phản ứng của kim loại với các khí khác ở nhiệt độ cao 12 2.5. Các phương pháp chóng ăn mòn hóa học 13 Chương 3: ĂN MÒN ĐIỆN HÓA 16 3.1. Nhiệt động học của ăn mòn điện hóa học 16 3.2. Phương pháp thiết lập giãn đồ Pourbaix 18 3.3. Cơ chế ăn mòn điện hóa 20 3.4. Sự ăn mòn các kim loại trong môi trường axit không có oxi 22 3.5. Ăn mòn kim loại trong các dung dịch chứa oxi 23 3.6. Tính giá trị ăn mòn từ các giá trị động học điện hóa 24 3.7. Động học của các quá trình điện cực 25 Chương 4: NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ ĂN MÒN 32 4.1. Những yếu tố bên trong. 32 4.2. Những yếu tố bên ngoài. 32 4.3. Chất làm chậm ăn mòn (CLC) 36 Chương 5: PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI 39 5.1. Thụ động hóa kim loại 39 5.2. Bảo vệ điện hóa bằng cách thay đổi điện thế điện cực 41 5.3. Lớp phủ bảo vệ 43 5.3.1. Lớp phủ kim loại 43 5.3.2. Lớp phủ phi kim loại 43 5.3.3. Lớp phủ hợp chất hóa học 48 LỜI GIỚI THIỆU Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại Kim loại và các kết cấu bằng kim loại đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Ăn mòn kim loại là một bệnh rất nguy hiễm của kim loại. Nó làm cho các kết cấu bằng kim loại nhanh chóng trở thành một đống gỉ, gây tổn thất to lớn cho nền kinh tế quốc dân. Việc nghiên cứu ăn mòn kim loại và các biện pháp chống ăn mòn để kéo dài tuổi thọ của kim loại đã được nhiều nước quan tâm. Ăn mòn và bảo vệ kim loại là một ngành khoa học có liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau: kim loại học, hóa phân tích, hóa polime, hóa môi trường, hóa lý, …. Bài giảng này được biên sọan ngắn gọn, suc tích nhằm giúp cho sinh viên dễ đọc và nắm bắt được vấn đề một cách dễ dàng. Nhìn chung, các chương được thiết kế từ phần định tính, mô tả gồm nguyên lý và các tính chất nhiệt động đến phần định lượng bao gồm các phương pháp ngăn cản và các phương pháp kiểm tra. Đặc biệt, phần cuối đề cập đến một số vấn đề ứng dụng mang tính thực tế cao. Thật vậy, bài giảng này có thể cung cấp thông tin cho bạn đọc một số kiến thức về ăn mòn và bảo vệ kim loại. Bài giảng này không phải là cẩm nang cho vấn đề ăn mòn và chống ăn mòn. Điều cần nhấn mạnh là đề cập đến nguyên lý và một số phương pháp đã được nghiên cứu để làm giảm tính ăn mòn của kim loại trong thực tế công nghiệp hiện nay. Thật vậy, mục đích của bài giảng này nhằm giới thiệu một cách khái quát về nguyên lý và cách phòng chống ăn mòn cho sinh viên không thuộc chuyên ngành điện hóa và ăn mòn kim loại. Tuy vậy, bài giảng này vẫn còn khiếm khuyết, rất mong được sự góp ý của các độc giả đặc biệt là các đồng nghiệp và sinh viên cũng như các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực chống ăn mòn để bài giảng ngày một hoàn thiện hơn. Xin chân thành cám ơn. Tuy hòa, ngày 30 tháng 12 năm 2007 Ths. Trần Văn Thắm CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI 1.1. Định nghĩa: Cụm từ “ăn mòn” được dịch ra từ chữ “corrosion”, nó xuất phát từ từ ngữ latin “corrodère” có nghĩa là “gặm nhấm” hoặc “phá huỷ”. Về nghĩa rộng sự ăn mòn được dùng để chỉ cho sự phá huỷ vật liệu trong đó bao gồm kim loại và các vật liệu phi kim loại khi có sự tương tác hoá học hoặc vật lý giữa chúng với môi trường ăn mòn gây ra. Có thể đơn cử một số hiện tượng ăn mòn sau: – Sự chuyển hoá thép thành gỉ thép khi thép tiếp xúc với không khí ẩm. Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại – Sự rạn nứt của đồng thau, kim loại đồng khi tiếp xúc với môi trường amoniac. – Sự lão hoá của các vật liệu polyme do tác dụng của tia cực tím, do tác dụng của dung môi, của nhiệt độ v.v – Sự ăn mòn thuỷ tinh do môi trường kiềm gây ra v.v Ở đây chúng ta chỉ quan tâm đến vấn đề ăn mòn kim loại, vì kim loại là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các ngành công nghiệp, nó có một số ưu điểm hơn hẳn các vật liệu khác: – Độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao; – Độ bền cơ học cao, độ co giảm, độ kháng kéo cao; – Độ bền nhiệt cao. Và đặc biệt từ kim loại dễ dàng chế tạo ra các thiết bị, máy móc v.v Do những tính ưu việt vốn có của kim loại cho nên kim loại đã xâm nhập vào hầu hết các ngành công nghiệp được dùng để chế tạo các thiết bị, các cấu kiện, máy móc trong các ngành sau đây: cơ khí chế tạo máy; công nghiệp năng lượng - các nhà máy nhiệt điện; nhà máy điện nguyên tử; công nghiệp quốc phòng - chế tạo vũ khí; công nghiệp hàng không - chế tạo máy bay; giao thông vận tải - chế tạo các phương tiện giao thông: tầu biển, ô tô, xe hoả, cầu cống v.v ; công nghiệp xây dựng: xây dựng nhà, đặc biệt nhà cao tầng tại các khu ven biển, các cầu cảng; và công nghiệp dầu khí - các thiết bị khai thác và chế biến dầu khí v.v Sự ăn mòn ở đây ngầm hiểu là ăn mòn kim loại do tác động hoá học hoặc vật lý của môi trường xâm thực làm suy giảm tính chất của vật liệu làm giảm chất lượng, giảm thời gian khai thác của các máy móc, thiết bị và cấu kiện, và đương nhiên gây ra tổn thất lớn đối với nền kinh tế của một quốc gia, đặc biệt đối với các nước có nền công nghiệp đang phát triển. Vậy việc nghiên cứu về ăn mòn và bảo vệ kim loại là một vấn đề rất có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn. Về định nghĩa ăn mòn kim loại có thể phát biểu ở nhiều dạng khác nhau. Xin đơn cử một số cách phát biểu sau đây: Trên quan điểm nhìn nhận vấn đề ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại và gây ra thiệt hại thì: sự ăn mòn kim loại là quá trình làm giảm chất lượng và tính chất của kim loại do sự tương tác của chúng với môi trường xâm thực gây ra. Song cũng cần phải lưu ý rằng do mục đích hoàn thiện sản phẩm thì đôi khi hiện tượng ăn mòn lại có tác dụng tích cực. Ví dụ: Sự oxi hoá nhôm để tạo ra bề mặt nhôm có lớp oxit nhôm bền vững chống lại sự ăn mòn tiếp theo của nhôm do môi trường gây ra, mặt khác còn làm tăng vẻ đẹp, trang trí cho sản phẩm. Việc xử lý bề mặt kim loại bằng phương pháp hoá học hoặc điện hoá để làm tăng độ bóng của sản phẩm, nó gắn liền với sự hoà tan bề mặt kim loại (đánh bóng các sản phẩm thép không gỉ, đánh bóng các vật mạ trước khi mạ điện v.v ). Trong điều kiện đó thì có thể dùng định nghĩa sau đây về sự ăn mòn kim loại: Ăn mòn kim loại là một phản ứng không thuận nghịch xảy ra trên bề mặt giới hạn giữa vật liệu kim loại và môi trường xâm thực được gắn liền với sự mất mát hoặc tạo ra trên bề mặt kim loại một thành phần nào đó do môi trường cung cấp. Nếu xem hiện tượng ăn mòn kim loại xảy ra theo cơ chế điện hoá thì sự ăn mòn kim loại có thể định nghĩa như sau: Ăn mòn kim loại là một quá trình xảy ra phản ứng oxi hoá khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện ly, nó gắn liền với sự chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự khử một thành phần của môi trường và sinh ra một dòng điện. Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại 1.2. Ý nghĩa kinh tế của sự ăn mòn kim loại: Vấn đề ăn mòn kim loại có liên quan đến hầu hết các ngành kinh tế. Người ta đã tính được rằng giá tiền chi phí cho lĩnh vực ăn mòn chiếm khoảng 4% tổng thu nhập quốc dân đối với những nước có nền công nghiệp phát triển. Chi phí này tính cho các khoản sau: – Những mất mát trực tiếp: Tiền chi phí cho việc thay thế các vật liệu đã bị ăn mòn và những thiết bị xuống cấp do ăn mòn gây ra. – Những tổn thất gián tiếp: + Chi phí cho việc sửa chữa số lượng sản phẩm giảm chất lượng trong quá trình sản xuất hoặc bị mất mát do hiện tượng ăn mòn kim loại gây ra. + Nhà máy phải ngừng sản xuất để thay thế chi tiết hoặc thiết bị hư hỏng do ăn mòn. Thiệt hại này lớn hơn giá trị của thiết bị hư hỏng rất nhiều. + Rò rỉ các thùng chứa, đường ống làm mất sản phẩm, mất an toàn vận hành, phá hủy môi trường. + Giảm hiệu suất làm việc của thiết bị. Ví dụ, sự tích tụ của sản phẩm trong các ống trong đổi nhiệt làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. + Các sản phẩm ăn mòn có thể làm bẩn các sản phẩm cần điều chế. + v v – Chi phí cho các biện pháp để phòng ngừa, các biện pháp để bảo vệ chống hiện tượng ăn mòn kim loại. Thông thường, chi phí trực tiếp ít hơn rất nhiều so với chi phí gián tiếp. Vì vậy, việc nghiên cứu bảo dưỡng và bảo vệ chống ăn mòn, kéo dài thời gian sử dụng các thiết bị, máy móc, các cấu kiện, cầu cảng, tàu biển, các công trình ven biển thường xuyên là một vấn đề rất có ý nghĩa về mặt khoa học kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế. 1.3. Phân loại các quá trình ăn mòn: 1.3.1. Ăn mòn hóa học: Ăn mòn hóa học còn gọi là ăn mòn khô gây ra bởi phản ứng hóa học của các kim loại với môi trường xung quanh. Ví dụ, kim loại được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường chứa chất xâm thực như O 2 , S, Cl 2 , xMe + 2 y O 2 → Me x O y 1.3.2. Ăn mòn điện hóa: Ăn mòn điện hóa là sự ăn mòn kim loại trong môi trường chất điện giải, trong đó sự ion hóa của nguyên tử kim loại (Me) và sự khử của chất oxy hóa không xảy ra trực tiếp ở cùng một nơi và trong cùng một phản ứng. Sự ăn mòn điện hóa được chia làm 3 quá trình cơ bản: a) Quá trình anôt: Quá trình anôt là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó kim loại chuyển vào dung dịch dưới dạng cation Me n+ và giải phóng điện tử: kim loại bị ăn mòn: Me → Me n+ + ne b) Quá trình catôt: Quá trình catôt là quá trình khử hóa điện hóa, trong đó chất oxy hóa nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn nhường cho: Ox + ne → Red Red (dạng khử liên hợp của Ox tức Ox.ne) Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại Trong mơi trường nước Ox thường là H + hoặc O 2 . Nếu Ox là H + thì q trình ở catơt là: H + + e → H hấp phụ H hấp phụ + H hấp phụ → H 2 Trong trường hợp này ta gọi sự ăn mòn với chất khử phân cực là hiđro. Nếu Ox là O 2 thì q trình ở catơt là: Trong mơi trường axit: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O Trong mơi trường trung tính hoặc kiềm: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH - Khi trong dung dịch có những ion kim loại ( ) + / n Me có thế điện cực dương hơn của kim loại bị ăn mòn thì q trình catơt có thể là: + / n Me + n / e → Me + / n Me + n // e → + /// n Me Trong đó: n / , n // , n /// : hóa trị các ion: n / = n // + n /// Như vậy + / n Me đóng vai trò là chất Ox bị khử ở catơt. c) Q trình dẫn điện: Các kim điện tử do các kim loại bị ăn mòn giải phóng sẽ đi từ anơt tới catơt còn ion di chuyển trong dung dịch. Ta có thể tóm tắt các q trình trên bằng sơ đồ (hình 1.1) 2e Zn 2+ .2e Zn 2+ .nH 2 O 2e 2H+ + 2e 2H hp H + SO 4 2- Anôt Catôt Hình 1.1: Sơ đồ q trình ăn mòn điện hóa kẽm trong dd H 2 SO 4 Như vậy, trong q trình bị ăn mòn điện hóa, kim loại hoạt động như một pin, gọi là pin ăn mòn. Nói chung các kim loại đều chứa những tạp chất có điện thế điện cực khác nhau. Cho nên khi nhúng vào dd điện giải chúng tạo thành các pin ăn mòn cục bộ, tại các vị trí khác nhau và q trình ăn mòn kim loại bắt đầu (hình 1.2) + - + - + - + - + - (+): tạp chất kim loại có điện thế điện cực dương hơn (-): tạp chất kim loại có điện thế điện cực âm hơn Hình 1.2: Các pin ăn mòn cụ bộ trong kim loại bị ăn mòn 1.4. Các phương pháp đánh giá độ ăn mòn: Trước tiên người ta đánh giá độ ăn mòn bằng mắt thường để xác định sự đều đặn của bề mặt, đặc điểm của các sản phẩm ăn mòn, độ bám dính của sản phẩm ăn mòn với bề mặt kim loại, kiểu ăn mòn. Đối với sự ăn mòn tồn bộ, tốc độ ăn mòn Q (chỉ số khối lượng) có thể biểu diễn bằng sự thiệt hại khối lượng (∆m) của một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian: t.S m t.S mm Q 21 ∆ = − = Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại Q được biểu diễn bằng g/m 2 .giờ hay mg/cm 2 .ngày. Chỉ số khối lượng thiếu sót ở chỗ nó không có khả năng so sánh sự ăn mòn của các kim loại có khối lượng riêng khác nhau. Trong thực tế, ở cùng một tốc độ ăn mòn của sắt và nhôm, độ sâu ăn mòn trên nhôm lớn hơn độ sâu ăn mòn trên sắt gấp 3 lần. Do vậy, chỉ số độ sâu ăn mòn (P) thường được sử dụng hơn: d Q P = Trong đó: Q: là tốc độ ăn mòn (g/m 2 .giờ) d: khối lượng riêng của kim loại (g/cm 3 ) Thứ nguyên của chỉ số độ sâu: nam/mm76,8 nam/87601.mm10 mm1000 g.h cm . m g cm/g h.cm/g P 26 33 23 2 ==== Vì vậy: d Q .76,8P = (mm/năm) Để đánh giá độ ổn định của sự ăn mòn kim loại người ta sử dụng các thang ổn định ăn mòn của các kim loại trình bày ở bảng 1.1: Bảng 1.1: Thang ổn định ăn mòn Nhóm ổn định Chỉ số độ sâu ăn mòn (P) Bậc Bền hoàn toàn 0,001 1 Độ bền cao 0,001 – 0,005 0,005 – 0,01 2 3 Độ bền trung bình 0,01 – 0,05 0,05 – 0,1 4 5 Độ bền yếu 0,1 – 0,5 0,5 – 1,0 6 7 Độ bền rất yếu 1,0 – 5,0 5,0 – 10,0 8 9 Không bền > 10,0 10 Đối với ăn mòn cục bộ, tốc độ ăn mòn không thể đặc trưng chính xác bằng chỉ số khối lượng hay chỉ số độ sâu, mà được xác định bằng chỉ số cơ lý, ví dụ: Sự thiệt hại theo tính kéo dài: %.K 100 0 10 0 σ σ−σ = Trong đó: 0 σ : là giới hạn của độ kéo dài trước lúc ăn mòn 1 σ : là giới hạn của độ kéo dài sau khi ăn mòn. 1.5. Điện thế điện cực: (tham khảo) 1.5.1. Sự hình thành lớp điện kép và điện thế điện cực: Khi một kim loại đồng nhất Me được nhúng vào dd chất điện giải chứa ion Me n+ của nó thì giữa kim loại và dung dịch có cân bằng sau: Me - ne Me n+ oxh kh Ta xét trường hợp kim loại bạc trong dung dịch AgNO 3 loãng Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại Hình 1.3: Sự hình thành lớp điện kép trên mặt giới hạn pha của điện cực Ag trong dung dịch AgNO 3 loãng a) Sự di chuyển của ion Ag + (từ kim loại) vào trong dung dịch; b) Lớp điện kép trên bề mặt giới hạn pha; c)Sự phân bố thế theo chiều dày lớp điện kép Trên hình 1.3a mô tả sự dịch chuyển ion Ag + trên bề mặt kim loại (Ag + KL ) đi vào dung dịch AgNO 3 , thoạt đầu ion Ag + KL đi vào dung dịch với tốc độ lớn và để lại electron trong kim loại. Vì bề mặt kim loại Ag dư điện tích âm nên ion Ag + KL thứ 2 đi vào dung dịch khó khăn hơn, tiếp theo sau các ion thứ 3, thứ 4… đi vào trong dung dịch càng khó khăn hơn nữa. Ngược lại, theo thời gian nồng độ ion Ag + ở gần sát bề mặt kim loại tăng dần lên và làm dễ dàng cho cho sự dịch chuyển ion Ag + từ dung dịch đi vào bề mặt kim loại. Sau một thời gian nhất định trên bề mặt giới hạn pha đạt trạng thái cân bằng của hai quá trình ion Ag + KL đi vào dung dịch và ion Ag + từ dung dịch đi vào trong kim loại. Khi hệ đạt trạng thái cân bằng, trên bề mặt giới hạn hình thành lớp điện kép, với hai bản tích điện ngược dấu và chiều dày lớp kép cỡ bán kính nguyên tử (Å) (xem hình 1.3c). Do có lớp điện kép sinh ra thế điện cực E, sự phân bố thế điện cực của lớp điện kép trên mặt giới hạn pha theo chiều dày của lớp d là tuyến tính (hình 1.3c). Lớp điện kép gọi tắt là lớp kép trên hình 1.3b còn gọi là lớp kép đặc - lớp kép Helmholtz - lớp kép này chủ yếu là do lực tương tác tĩnh điện và được áp dụng cho các dung dịch tương đối đậm đặc. Khi dung dịch tương đối loãng và tính đến sự chuyển động nhiệt các ion gần bề mặt điện cực, thì sự phân bố thế của lớp kép theo chiều dày lớp kép gồm 2 phần: phần tuyến tính và phần không tuyến tính. Những kết quả trên cũng đúng trong trường hợp khi cho một á kim tiếp xúc với dung dịch chứa anion của á kim ấy ( Cl 2  Cl - ). Ở đây cần chú ý rằng các á kim không dẫn điện, cho nên để dẫn điện ra ngoài người ta thường dùng một thanh kim loại trơ (Pt), kim loại này không tham gia phản ứng ở điện cực, nhưng các phản ứng của điện cực phải xảy ra trên bề mặt của nó. Tóm lại: Khi cho một kim loại hay một á kim tiếp xúc với dung môi hay dung dịch chứa ion của nó, thì tại bề mặt xác định một lớp điện kép với một điện thế nhất định. Điện thế này phụ thuộc vào bản chất của kim loại hay á kim và dung dịch, nồng độ ion, sự tương tác giữa các phân tử trong lớp điện kép và nhiệt độ. 1.5.2. Phân loại các loại điện cực: Người ta quy ước biểu thị các điện cực như sau viết từ trái sang phải ion kim loại hay á kim trong dung dịch  kim loại hay á kim tạo nên điện cực Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại Trong thực tế chúng ta có thể viết ký hiệu ngược lại. Trong trường hợp chất tạo nên điện cực là dạng khí, kim loại ở trạng thái lỏng hoặc ion, muốn dẫn điện ra ngoài phải dùng 1 thanh kim loại trơ về mặt hóa học như Au, hay Pt. Ví dụ : Zn 2+  Zn ; (Pt) Cl 2  Cl - Phản ứng xảy ra trên bề mặt điện cực gọi là phản ứng điện cực. Người ta qui ước khi viết phản ứng điện cực luôn luôn viết sao cho dạng oxy hoá ở vế trái, dạng khử ở vế phải: Oxh + ne kh Ví dụ: Phản ứng trên điện cực kẽm: Zn 2+ + 2e →← Zn Phản ứng trên điện cực clo: Cl 2 + 2e →← 2Cl - Phản ứng trên điện cực oxy hóa khử: Fe 3+ + 1e →← Fe 2+ a) Điện cực loại 1 : Điện cực loại 1 là điện cực gồm thanh kim loại hay á kim tiếp xúc với dung dịch chứa ion của kim loại hay á kim đó. Kí hiệu : Me  Me n+ : kim loại (Pt) A  A x- : á kim Phản ứng điện cực : Me n+ + ne Me Hay: A + xe A x- Thuộc loại điện cực này còn có điệc cực hỗn hống. Đó là điện cực gồm kim loại tan trong thuỷ ngân tiếp xúc với dung dịch chứa ion của nó và thường được ký hiệu là: (Hg) Me  Me n+. Các điện cực này thường đối với các điện cực hoạt động mạnh như Na, Cd, …, Ví dụ: (Hg) Na  Na + ; (Hg) Cd  Cd 2+ Ví dụ: điện cực Zn  ZnSO 4 có phản ứng điện cực: Zn 2+ + 2e ƒ Zn (Pt) H 2  HCl có phản ứng điện cực: 2H + + 2e ƒ H 2 b) Điện cực loại 2: Điện cực loại 2 là điện cực gồm 1 thanh kim loại được phủ bởi hoặc tiếp xúc với muối khó tan của kim loại đó rồi nhúng vào dung dịch chứa anion của của muối khó tan đó. Kí hiệu: A x-  MeA, Me Với: Me là kim loại, MeA là muối khó tan và Ax - là ion của muối khó tan chứa trong dung dịch. Phản ứng điện cực: nMeA + xne ƒ nMe + nA x- Hay: MeA + ne ƒ Me + An - Ví dụ : Ag,AgCl  KCl : AgCl + e ƒ Ag + Cl - (Pt) Hg,Hg 2 Cl 2  KCl : Hg 2 Cl 2 + 2e ƒ 2Hg + 2Cl - c) Điện cực oxh-khử: Điện cực oxy hóa khử là điện cực gồm một thanh kim loại trơ (Au, Pt) về mặt hóa học nhúng vào dung dịch chứa đồng thời dạng oxy hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố. Trong phản ứng của điện cực chỉ có dạng oxy hóa và dạng khử thay đổi hoá trị, còn kim loại trơ (Au, Pt) chỉ đóng vai trò dẫn điện ra ngoài. Kí hiệu : Oxh, khử  (Pt) Phản ứng điện cực : OX + ne ƒ Red Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại Ví dụ : Fe 3+ , Fe 2+  (Pt) : Fe 3+ + 1e ƒ Fe 2+ Sn 4+ , Sn 2+  (Pt) : Sn 4+ + 2e ƒ Sn 2+ Các dạng oxy hóa khử không nhất thiết phải là ion mà có thể là các phân tử như các chất hữu cơ. Ví dụ: C 6 H 4 O 2 , H + , C 6 H 4 (OH) 2  (Pt) C 6 H 4 O 2 + 2e + 2H + C 6 H 4 (OH) 2 1.5.3. Điện thế của điện cực Như ta đã nói ở trên, mỗi 1 điện cực sẽ có 1 điện thế nhất định, người ta thường ký hiệu điện thế của điện cực bằng chữ: ϕ hay chữ E và được viết là: d OX d OX Ehayφ ReRe : Chẳng hạn: Cu Cu 2+ ϕ ; Zn Zn 2+ ϕ ; 2 Cl Cl ϕ − Điện thế của điện cực phụ thuộc vào bản chất của kim loại hay á kim, nhiệt độ ion trong dung dịch. Trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học, Nernst đã thiết lập được phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của điện thế điện cực vào nồng độ các ion sau: Phương trình Nersnt : [ ] [ ] dRe OX ln nF RT 0 dRe OX dRe OX +ϕ=ϕ Trong đó: R là hằng số khí, bằng 8,314 mol.K J T là nhiệt độ tuyệt đối F là hằng số Faraday, bằng 96500 mol culong n: số e trao đổi trong phản ứng điện cực dRe OX ϕ là thế điện cực chuẩn của điện cực, [OX] và [Red] là nồng độ (hoạt độ) của dạng oxy hóa và dạng khử của chất tham gia phản ứng điện cực. Ở 25 0 C, thay R, F bằng giá trị số tương ứng và chuyển logarit tự nhiên sang logarit thập phân, phương trình Nernst ở trên chuyển thành dạng hay được sử dụng hơn: [ ] [ ] d OX n φφ d OX d OX Re lg 059,0 0 ReRe += CHƯƠNG 2: ĂN MÒN HÓA HỌC Như đã nói ở trên ăn mòn hóa học là sự phá hủy kim loại bởi 1 phản ứng hóa học dị thể. Tùy điều kiện tiến hành, ăn mòn hóa học có thể chia thành 2 kiểu ăn mòn sau đây: 1. Ăn mòn khí do tương tác của các khí với kim loại ở nhiệt độ cao. Một phản ứng như vậy có thể xảy ra giữa kim loại và khí (oxi, khí cháy, hiđroclorua). Tác nhân ăn mòn thường xuyên nhất – oxi – cũng như đa số các nguyên tố xâm thực khác ở nhiệt độ cao (nitơ, lưu huỳnh, clo, …) là những nguyên tố âm điện. 2. Ăn mòn trong các dd không dẫn điện, nghĩa là, trong các chất lỏng không dẫn điện như dầu hỏa, xăng, các dung môi hữu cơ, … 2.1. Nhiệt động học của ăn mòn hóa học Đa số các máy móc, các dụng cụ hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao, ở các điều kiện tương tác của các khí xâm thực: chính vì vậy, ằn mòn khí là một kiểu ăn mòn hóa học phổ biến nhất. Tương tác các khí xâm thực ở nhiệt độ cao với các kim loại dẫn đến [...]... khối lượng riêng của oxit và kim loại n: Chỉ số của kim loại trong oxit AMe: trọng lượng ngun tử của kim loại màng oxit có tính bảo vệ Đó là màng oxit của kim loại Cd, Al, Ti, Zn, Ni, Cu, Cr Khi: Voxit < 1, VMe màng xốp khơng có tính bảo vệ Đó là màng oxit của kim loại Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại kiềm và kiềm thổ Tuy nhiên những màng oxit có Voxit >> 1 , VMe cũng bảo vệ khơng kém vì ứng suất... trên các kim loại Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại Thép ban đầu bị ăn mòn trong mơi trường clo, HCl, CO, H2S ở nhiệt độ 200 – 3000C Vì vậy, ta phải tìm các phương pháp chống ăn mòn thích hợp Ngun tắc bảo vệ là tạo trên bề mặt kim loại một lớp hợp kim nhận được bằng cách khuếch tán Lớp hợp kim khuếch tán này làm cho q trình ăn mòn hóa học bị dừng (hoặc bị kìm hãm) do tính trơ hóa học của kim loại, ... Miền khơng bị ăn mòn và miền thụ động Trong miền miễn dịch ăn mòn, sự ăn mòn khơng thể xảy ra do ngun nhân về năng lượng, trong khi đó, ở miền thụ động, sự ăn mòn bị hạn chế và kìm hãm do các yếu tố hình học của màng các sản phẩm ăn mòn bám dính trên bề mặt các kim loại tạo Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại thành một hàng rào ngăn cản các tác nhân xâm thực đang đi tới bề mặt kim loại Vậy, nếu màng... thì Cu, Hg, Ag lại bị ăn mòn do sự khử phân cực oxy 2 2 4.1.2 Vị trí của kim loại trong bảng tuần hồn: Khơng phản ánh rõ nét tính bền chung của kim loại vì khả năng chống ăn mòn của kim loại còn phụ thuộc vào tính chất bên trong và bên ngồi nữa Nó chỉ phản ánh một số tính chất có tính quy luật mà thơi Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại Ví dụ: - Độ bền nhiệt động của kim loại tăng từ trên xuống đối... hình thành các lớp oxit bảo vệ, … CHƯƠNG 3: ĂN MỊN ĐIỆN HĨA 3.1 Nhiệt động học của ăn mòn điện hóa học Tương tác giữa kim loại và dung dịch chất điện ly khác với tương tác giữa kim loại và khí khơ hay giữa kim loại với dd chất khơng điện ly, nghĩa là khác với các hiện tượng ăn mòn hóa học ở chương 2 Tất cả các q trình ăn mòn đều có một ngun nhân chung: kim loại khơng bền nhiệt động học trong các điều kiện... những Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại loại muối axit khi tác dụng với kim loại tạo thành muối khơng tan trên anod hay cathod dễ làm giảm tốc độ ăn mòn: MeH2PO4, Me(HPO4)2, Tốc độ ăn mòn còn phụ thuộc vào bản chất, nồng độ của cation và anion của muối hòa tan Nếu các anion của muối có khả năng hấp phụ trên bề mặt kim loại làm thay đổi cơ cấu lớp điện tích kép, làm giảm điện thế điện cực của kim loại. .. Al và Si cho vào hợp kim sắt Nhưng để nhận được sự bảo vệ có hiệu quả nên cho phần trăm các kim loại bảo vệ thích hợp với từng nhiệt độ Chẳng hạn, để bảo vệ sắt chống ăn mòn ở nhiệt độ thấp hơn 650 0C nên hợp kim sắt với 5% Cr Để bảo sắt chống ăn mòn ở nhiệt độ 800 0C nên hợp kim sắt với 10 – 12% Cr, trên 10000C sắt phải hợp kim với 22% Cr và ở 1100 0C phải hợp kim sắt với 37 – 39% Cr Việc đưa vào... nhau Hình 3.4 trình bày các sơ đồ ăn mòn hóa học (hình 3.4a) và ăn mòn điện hóa (hình 3.4b) Khi ngâm kim loại vào dd muối của nó, ta nhận được giá trị thế cân bằng, khi tốc độ phản ứng hòa tan kim loại cân bằng với tốc độ phản ứng kết tinh kim loại: Me Trong đó: i1t Men+ i1n t i1 n i1 + ne là tốc độ phản ứng thuận là tốc độ phản ứng nghịch Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại O2 Me MeO O2 4e + O 2 + 2H2... Vì vậy, để chống ăn mòn nitơ gây ra ở nhiệt độ cao, ta phải chọn hợp kim giàu nken để chống sự thấm nitơ Hiđro khử cacbua của hợp kim và khử các oxit trên bề mặt Để chống ăn mòn có mặt hiđro phải dùng các hợp kim sắt – nhơm có cacbon thấp Ở mơi trường hiđro Bài giảng: Ăn mòn và bảo vệ kim loại sunfua khơng nên dùng hợp kim chứa niken, vì hình thành các sản phẩm ăn mòn của niken hạt và trên 7000C hình... chống ăn mòn khí ở nhiệt độ 9000C Hàm lượng Si thích hợp khoảng 14% Đẻ tăng khả năng chống ăn mòn người ta hợp kim hóa kim loại bảo vệ với 2 hay 3 ngun tố thứ3 CHẳng hạn, để nâng chất lượng của hợp kim sắt chứa 20% Cr người ta thêm khoảng 6 – 8% Al Tuy nhiên, do các ngun tố bảo vệ bề mặt khuếch tán vào bên trong hợp kim nên tỷ lệ % các ngun tố ở bền mặt kim loại biến thiên theo nhiệt độ Sự bảo vệ sẽ

Ngày đăng: 16/01/2015, 15:01

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan