Номер 10, страница 218 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 6. Окислительно-восстановительные процессы. Параграф 30. Окислительно-восстановительные реакции и методы составления их уравнений - номер 10, страница 218.

Условие.

10. Подготовьте сообщение по теме «Коррозия металлов как окислительно-восстановительный процесс». Предложите современные способы защиты металлов и сплавов от коррозии.

Решение.

Решение 2.

Решение

Коррозия металлов как окислительно-восстановительный процесс

Коррозия — это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате их химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. С точки зрения химии, в основе большинства видов коррозии лежат окислительно-восстановительные реакции. В ходе этих реакций атомы металла, обладая восстановительными свойствами, отдают свои валентные электроны и превращаются в положительно заряженные ионы (окисляются). Окислителем, принимающим эти электроны, выступает какой-либо компонент окружающей среды.

Процесс окисления металла (анодный процесс) можно представить в общем виде:
$Me^0 - ne^- \rightarrow Me^{n+}$
Здесь $\text{Me}$ – атом металла, $\text{n}$ – число отданных электронов.

Процесс восстановления окислителя (катодный процесс) зависит от характера среды. Наиболее распространенными окислителями являются кислород воздуха и ионы водорода.
В кислой среде (присутствие ионов $H^+$):
$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$
В нейтральной или щелочной среде (основной случай коррозии в атмосферных условиях):
$O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$

Рассмотрим коррозию железа (ржавление) во влажном воздухе как пример электрохимического процесса. На поверхности железа образуются микроскопические гальванические элементы. Участки с более низким электродным потенциалом становятся анодами, а участки с более высоким потенциалом (например, включения углерода, участки с доступом кислорода) – катодами.
На анодных участках происходит окисление железа:
Анод (-): $Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$
Электроны перемещаются к катодным участкам, где происходит восстановление растворенного в воде кислорода:
Катод (+): $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$
Суммарное уравнение, протекающее в микрогальваническом элементе:
$2Fe + O_2 + 2H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_2$
Образовавшийся гидроксид железа(II) $Fe(OH)_2$ является нестойким и в присутствии кислорода воздуха легко окисляется до гидроксида железа(III) $Fe(OH)_3$, который затем частично дегидратируется, образуя ржавчину переменного состава $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$.
$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$

Таким образом, коррозия является сложным окислительно-восстановительным процессом, где металл выступает в роли восстановителя, а компоненты внешней среды – в роли окислителя.

Современные способы защиты металлов и сплавов от коррозии

Для борьбы с коррозией разработано множество методов, которые можно разделить на несколько основных групп.

1. Защитные покрытия. Изолируют металл от агрессивной среды.

• Металлические покрытия. На поверхность изделия наносят слой другого металла. Они бывают анодными и катодными по отношению к защищаемому металлу.
  • Анодные (протекторные) покрытия (например, цинкование или кадмирование стали). Металл покрытия (цинк) более активен, чем железо, и в случае повреждения покрытия он будет корродировать первым, защищая сталь (электрохимическая защита).
  • Катодные покрытия (например, лужение, никелирование, хромирование стали). Металл покрытия (олово, никель) менее активен, чем железо. Он защищает сталь только механически. При нарушении целостности покрытия возникает гальваническая пара, в которой железо является анодом и разрушается даже быстрее, чем без покрытия.
• Неметаллические покрытия.
  • Лакокрасочные материалы (краски, лаки, эмали). Самый распространенный метод защиты.
  • Полимерные покрытия (пластмассы, каучуки). Обеспечивают надежную изоляцию.
  • Покрытия из оксидов, фосфатов, силикатов. На поверхности металла создают тонкую и прочную химически стойкую пленку (оксидирование, фосфатирование, воронение).

2. Электрохимическая защита. Основана на изменении электродного потенциала защищаемого изделия.

• Катодная защита. Защищаемую конструкцию делают катодом.
  • Протекторная защита (жертвенный анод). К конструкции (например, к корпусу корабля, трубопроводу) присоединяют протектор из более активного металла (цинк, алюминий, магний). Протектор разрушается, защищая основную конструкцию.
  • Защита внешним током. Конструкцию подключают к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, делая ее катодом и предотвращая окисление.
• Анодная защита. Металлическое изделие подключают к положительному полюсу источника тока, переводя его в пассивное состояние за счет образования на поверхности прочной оксидной пленки. Применима для металлов, склонных к пассивации (нержавеющая сталь, титан, алюминий) в определенных средах (например, в концентрированных кислотах).

3. Изменение свойств коррозионной среды.

• Применение ингибиторов. В агрессивную среду вводят специальные вещества – ингибиторы (замедлители) коррозии, которые значительно снижают скорость разрушения металла.
• Удаление агрессивных компонентов. Например, удаление растворенного кислорода из воды (деаэрация) для защиты паровых котлов.

4. Легирование. Создание сплавов, устойчивых к коррозии. Классический пример — нержавеющая сталь, получаемая введением в состав железа легирующих добавок хрома и никеля. Хром образует на поверхности сплава тонкую, плотную и прочную оксидную пленку $Cr_2O_3$, которая защищает металл от дальнейшего окисления.

5. Рациональное конструирование. Проектирование изделий и сооружений с учетом минимизации коррозионных рисков: избегание застойных зон, где может скапливаться влага, обеспечение хорошей вентиляции, герметизация швов, изоляция контактов разнородных металлов.

Ответ: Коррозия металлов — это самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс, в котором металл выступает в роли восстановителя, окисляясь под действием компонентов окружающей среды (окислителей). К современным методам защиты металлов и сплавов от коррозии относятся: нанесение защитных покрытий (металлических, неметаллических), электрохимическая защита (катодная и анодная), изменение свойств коррозионной среды (применение ингибиторов), создание коррозионно-стойких сплавов (легирование) и рациональное проектирование конструкций.