Страница 182 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Что такое коррозия? Какие виды коррозии различают?

Что такое коррозия?

Коррозия (от лат. corrosio — разъедание) — это самопроизвольный процесс разрушения твёрдых тел (металлов, их сплавов, а также неметаллических материалов, таких как бетон, керамика, полимеры) в результате их химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Наиболее известным примером является ржавление железа. Этот процесс приводит к изменению свойств материала и, как правило, к его деградации и потере функциональности. По своей сути, коррозия для металлов является процессом, обратным металлургическому: металлы, полученные из руд (оксидов, сульфидов и т.д.) с затратой энергии, стремятся вернуться в термодинамически более устойчивое, окисленное состояние.

Ответ: Коррозия — это процесс самопроизвольного разрушения материалов, в первую очередь металлов, из-за их взаимодействия с окружающей средой, что приводит к потере их эксплуатационных качеств.

Какие виды коррозии различают?

Коррозию классифицируют по нескольким основным признакам.

1. По механизму протекания процесса:

• Химическая коррозия — протекает в средах, не проводящих электрический ток (неэлектролитах), например, в сухих газах при высоких температурах или в органических жидкостях (нефть, бензин). Это прямое взаимодействие металла с окислителем. Пример: окисление железа при нагревании на воздухе: $4\text{Fe} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_3$.
• Электрохимическая коррозия — самый распространенный вид. Протекает в средах, проводящих электрический ток (электролитах), таких как вода, растворы солей, кислот, щелочей, влажная атмосфера, почва. При этом на поверхности металла возникают микроскопические гальванические элементы. Металл выступает в роли анода и окисляется (разрушается), например: $\text{Fe} - 2e^- \rightarrow \text{Fe}^{2+}$. На катодных участках происходит восстановление окислителя из среды, например, кислорода: $\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-$.

2. По типу коррозионной среды:

• Газовая коррозия — химическая коррозия в газовой среде, как правило, при высоких температурах.
• Атмосферная коррозия — электрохимическая коррозия металлов во влажном воздухе.
• Жидкостная коррозия — протекает в жидких средах (как в электролитах, так и в неэлектролитах).
• Подземная (почвенная) коррозия — разрушение подземных сооружений (трубопроводов, кабелей) под действием электролита — почвенной влаги.
• Биокоррозия — коррозия, вызванная или ускоренная жизнедеятельностью микроорганизмов.

3. По характеру разрушения:

• Сплошная (общая) коррозия — разрушение равномерно охватывает всю поверхность металла.
• Местная (локальная) коррозия — разрушение сосредоточено на отдельных участках. Её виды:
  • Пятнами или язвами — поражение отдельных участков поверхности.
  • Питтинговая (точечная) — образование глубоких точечных поражений (питтингов).
  • Щелевая — в зазорах, щелях, под неплотно прилегающими прокладками.
  • Межкристаллитная — разрушение идет по границам зерен (кристаллов) металла.
  • Избирательная — разрушается один из компонентов сплава (например, вымывание цинка из латуни).

Ответ: Различают химическую и электрохимическую коррозию (по механизму); газовую, атмосферную, жидкостную, подземную и биокоррозию (по типу среды); сплошную и местную (пятнами, язвенную, питтинговую, межкристаллитную и др.) (по характеру разрушения).

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

Решение

Химическая коррозия — это процесс самопроизвольного разрушения металлов в результате их химического взаимодействия с окружающей средой (газами или неэлектролитами), при котором не возникает электрического тока. Взаимодействие активного металла лития с компонентами воздуха является наглядным примером химической коррозии.

Воздух является смесью газов. Литий, как очень активный щелочной металл, реагирует с несколькими его составляющими: кислородом, азотом, парами воды и углекислым газом. Эти процессы приводят к разрушению (коррозии) поверхности металлического лития.

Основные процессы, иллюстрирующие химическую коррозию лития на воздухе:

1. Взаимодействие с кислородом ($O_2$). Литий на воздухе окисляется кислородом, образуя оксид лития. В результате поверхность металла теряет блеск и покрывается белой плёнкой.

Уравнение реакции: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$

2. Взаимодействие с азотом ($N_2$). Литий — единственный щелочной металл, способный реагировать с азотом воздуха при комнатной температуре с образованием нитрида лития.

Уравнение реакции: $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$

3. Взаимодействие с парами воды ($H_2O$). В воздухе всегда присутствует влага в виде водяных паров. Литий непосредственно реагирует с водой, образуя гидроксид лития и водород. Кроме того, с водой реагируют и продукты, образовавшиеся на предыдущих стадиях (оксид и нитрид).

Прямая реакция лития с водой:

$2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2 \uparrow$

Реакция оксида лития с водой:

$Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$

Гидролиз нитрида лития:

$Li_3N + 3H_2O \rightarrow 3LiOH + NH_3 \uparrow$

4. Взаимодействие с углекислым газом ($CO_2$). Гидроксид лития, являясь щёлочью, поглощает из воздуха углекислый газ, превращаясь в карбонат лития.

Уравнение реакции:

$2LiOH + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3 + H_2O$

Таким образом, в результате химической коррозии на поверхности лития образуется сложный слой, состоящий из оксида, нитрида, гидроксида и карбоната лития.

Ответ:

Химическая коррозия лития на воздухе иллюстрируется его взаимодействием с компонентами воздуха. Основные реакции:

Реакция с кислородом: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$

Реакция с азотом: $6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$

Реакция с парами воды: $2Li + 2H_2O \rightarrow 2LiOH + H_2 \uparrow$

Далее происходят вторичные процессы с участием продуктов коррозии:

$Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$

$Li_3N + 3H_2O \rightarrow 3LiOH + NH_3 \uparrow$

$2LiOH + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3 + H_2O$

3. Перечислите способы защиты от коррозии.

Коррозия — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Для борьбы с этим явлением существует множество способов защиты, которые можно сгруппировать по принципу их действия.

1. Защитные покрытия

Наиболее универсальный и распространенный метод, суть которого заключается в изоляции поверхности металла от агрессивной среды с помощью нанесения защитного слоя. Покрытия бывают нескольких видов:
- Металлические покрытия: на поверхность изделия наносят слой другого металла. Они делятся на анодные и катодные.
-- Анодные покрытия (например, цинкование или кадмирование стали). Металл покрытия (цинк) электрохимически более активен, чем защищаемый металл (железо). При повреждении покрытия корродирует цинк, защищая сталь. Этот эффект называется протекторной защитой.
-- Катодные покрытия (например, лужение, никелирование или хромирование стали). Металл покрытия (олово, никель) менее активен, чем железо. Такое покрытие эффективно только при полной целостности. При его повреждении образуется гальваническая пара, в которой железо становится анодом и разрушается даже интенсивнее, чем без покрытия.
- Неметаллические покрытия:
-- Лакокрасочные материалы: краски, лаки, эмали. Создают на поверхности механический барьер, препятствующий доступу влаги и кислорода.
-- Полимерные покрытия: пластмассы, каучуки, наносимые в виде пленок или слоев.
-- Силикатные эмали: стекловидные покрытия, обладающие высокой химической стойкостью и термостойкостью.
-- Оксидные и фосфатные пленки: создаются на поверхности металла путем химической или электрохимической обработки (например, воронение стали, анодирование алюминия). Эти пленки прочно связаны с основным металлом и служат барьером для коррозии.

Ответ: Способ защиты, основанный на нанесении на поверхность металла слоя другого материала (металла, краски, полимера, эмали), который изолирует его от агрессивной среды.

2. Электрохимическая защита

Этот комплекс методов основан на изменении электрохимических характеристик защищаемой металлической конструкции, что приводит к значительному замедлению коррозии.
- Катодная защита: защищаемый объект делают катодом в электрохимической ячейке. Этого достигают двумя путями:
-- Протекторная защита: к конструкции присоединяют протектор — электрод из более активного металла (например, магния, цинка или алюминия). Протектор становится анодом и разрушается со временем, в то время как основная конструкция (катод) остается защищенной. Метод применяется для защиты корпусов судов, трубопроводов, мостов.
-- Защита внешним током: защищаемую конструкцию подключают к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, превращая ее в катод. К положительному полюсу подключают вспомогательный (анодный) электрод. Этот метод эффективен для защиты крупных объектов, таких как магистральные трубопроводы.
- Анодная защита: применяется для защиты металлов, способных к пассивации (нержавеющие стали, титан, алюминий). Конструкцию подключают к положительному полюсу источника тока, что приводит к образованию на ее поверхности тонкой и прочной защитной (пассивной) оксидной пленки, которая и препятствует коррозии.

Ответ: Способ защиты, при котором коррозия замедляется путем превращения защищаемого объекта в катод (катодная защита) или путем его принудительной пассивации (анодная защита) с помощью внешнего электрического тока или контакта с протектором.

3. Изменение свойств коррозионной среды

Коррозию можно замедлить, снизив агрессивность среды, в которой эксплуатируется металлическое изделие.
- Удаление агрессивных компонентов: из среды удаляют вещества, вызывающие коррозию. Например, удаление растворенного кислорода из воды (деаэрация) для защиты паровых котлов или осушение воздуха для предотвращения атмосферной коррозии.
- Введение ингибиторов коррозии: в среду вводят специальные вещества (ингибиторы), которые даже в малых концентрациях резко замедляют или прекращают коррозию. Они могут образовывать на поверхности металла защитные пленки (пассиваторы) или замедлять одну из электрохимических реакций (катодные или анодные ингибиторы). Применяются в системах охлаждения, при кислотном травлении металлов.

Ответ: Способ защиты, заключающийся в обработке окружающей среды с целью снижения ее коррозионной активности, например, путем удаления агрессивных компонентов или добавления веществ-замедлителей (ингибиторов).

4. Создание коррозионно-стойких сплавов (Легирование)

Один из наиболее эффективных способов — это создание материалов, которые сами по себе устойчивы к коррозии в конкретных условиях эксплуатации. Основным методом является легирование — введение в состав основного металла специальных добавок (хрома, никеля, молибдена, титана и др.), которые изменяют его структуру и химические свойства. Классическим примером является нержавеющая сталь — сплав железа с хромом ($>13\%$), который на воздухе покрывается тончайшей пассивной пленкой оксида хрома, защищающей его от ржавления.

Ответ: Способ защиты, основанный на создании и использовании металлических сплавов, легированных компонентами, которые придают им высокую собственную устойчивость к коррозии.

5. Рациональное конструирование

Правильное проектирование изделий и сооружений позволяет избежать создания условий, благоприятствующих развитию коррозии. Основные принципы:
- Исключение застойных зон, щелей, карманов, где могут скапливаться влага и грязь.
- Обеспечение хорошего дренажа и проветривания конструкции.
- Предотвращение контакта разнородных металлов или их электрическая изоляция друг от друга во избежание интенсивной контактной (гальванической) коррозии.
- Придание конструкциям гладкой формы, без острых углов и кромок, которые являются концентраторами напряжений и коррозии.
- Снижение механических напряжений в конструкции, так как напряженные участки корродируют быстрее.

Ответ: Способ защиты, заключающийся в таком проектировании изделий и конструкций, при котором минимизируются или полностью исключаются факторы, способствующие возникновению и развитию коррозионных процессов.

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.

Решение

Напишите уравнение соответствующей реакции.

Медь является металлом средней активности. При контакте с кислородом, содержащимся в воздухе, особенно при нагревании, она окисляется, образуя на своей поверхности тонкую плёнку оксида меди(II) (CuO) тёмного цвета. Это реакция соединения металлической меди и газообразного кислорода.

Уравнение химической реакции выглядит следующим образом:

$$2Cu + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO$$

В этой реакции два атома меди (Cu) реагируют с одной молекулой кислорода (O₂), образуя две формульные единицы оксида меди(II) (CuO).

Ответ: Уравнение реакции образования оксида меди(II): $2Cu + O_2 \rightarrow 2CuO$.

Предложите способ химической очистки поверхности меди от оксидной плёнки без повреждения металла.

Для очистки поверхности меди от оксидной плёнки (CuO) необходимо подобрать реагент, который будет вступать в реакцию с оксидом меди(II), но не будет реагировать с металлической медью (Cu).

Оксид меди(II) является основным оксидом, а значит, он легко реагирует с кислотами с образованием соли и воды. Металлическая медь, в свою очередь, находится в электрохимическом ряду активности металлов после водорода, поэтому она не вытесняет водород из растворов кислот-неокислителей (таких как разбавленная серная, соляная или уксусная кислота).

Следовательно, для очистки медных изделий можно использовать разбавленный раствор кислоты. Например, при обработке поверхности разбавленной серной кислотой (H₂SO₄), оксид меди(II) растворится, а чистая медь останется неповреждённой.

Уравнение реакции очистки:

$$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$$

В результате этой реакции тёмный нерастворимый оксид (CuO) превращается в растворимый в воде сульфат меди(II) (CuSO₄), который легко смывается с поверхности, обнажая чистый металл. В быту для этих целей часто используют растворы органических кислот, например, уксусной (столовый уксус) или лимонной кислоты.

Ответ: Для химической очистки поверхности меди от оксидной плёнки можно использовать разбавленный раствор кислоты (например, серной H₂SO₄, соляной HCl или уксусной CH₃COOH). Кислота прореагирует с оксидом меди(II) ($CuO + 2H^+ \rightarrow Cu^{2+} + H_2O$), превратив его в растворимую соль, но не повредит металлическую медь, так как медь не реагирует с кислотами-неокислителями.

5. Бронзовые скульптуры под действием кислорода воздуха, углекислого газа и влаги покрываются патиной — зеленоватым налётом, состоящим главным образом из вещества с формулой $(CuOH)_2CO_3$. К какому классу соединений относится это вещество? Дайте его название. Напишите уравнение реакции этого соединения с раствором серной кислоты.

К какому классу соединений относится это вещество? Дайте его название.

Вещество с формулой $(CuOH)_2CO_3$ содержит в своем составе катионы металла ($Cu^{2+}$), гидроксогруппы ($OH^-$) и кислотный остаток карбонат-ион ($CO_3^{2-}$). Соединения, в состав которых входят одновременно катионы металла, гидроксогруппы и кислотные остатки, относятся к классу основных солей.

Для составления названия необходимо определить степень окисления меди. Суммарный заряд в молекуле равен нулю. Заряд карбонат-иона $CO_3$ равен -2, а заряд каждой из двух гидроксогрупп $OH$ равен -1. Пусть степень окисления меди равна $x$. Тогда можно составить уравнение: $2 \cdot (x + (-1)) + (-2) = 0$ $2x - 2 - 2 = 0$ $2x = 4$ $x = +2$

Степень окисления меди в данном соединении равна +2. Систематическое название вещества: гидроксокарбонат меди(II). Также его называют основной карбонат меди(II). Тривиальное название этого минерала — малахит.

Ответ: Вещество $(CuOH)_2CO_3$ относится к классу основных солей; его название — гидроксокарбонат меди(II).

Напишите уравнение реакции этого соединения с раствором серной кислоты.

Гидрокоскарбонат меди(II) является основной солью и вступает в реакцию с сильными кислотами, такой как серная кислота ($H_2SO_4$). В ходе этой реакции обмена происходит нейтрализация: кислота реагирует как с гидроксидными группами, так и с карбонат-ионом. В результате образуется средняя соль (сульфат меди(II)), вода и углекислый газ, который выделяется вследствие разложения образующейся угольной кислоты ($H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2$).

Сбалансированное уравнение реакции выглядит следующим образом: $$(CuOH)_2CO_3 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2CuSO_4 + CO_2 \uparrow + 3H_2O$$

Ответ: $(CuOH)_2CO_3 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2CuSO_4 + CO_2 \uparrow + 3H_2O$.

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?

Напишите уравнение реакции, протекающей при обработке ржавой поверхности фосфорной кислотой

В условии задачи сказано, что преобразователь ржавчины превращает гидроксид железа(III) в фосфат железа(III). Следовательно, реагентами являются гидроксид железа(III), $Fe(OH)_3$, и фосфорная кислота, $H_3PO_4$. Эта реакция относится к классу реакций обмена (в частности, реакция нейтрализации), так как основание взаимодействует с кислотой. В результате образуются соль — фосфат железа(III), $FePO_4$, и вода, $H_2O$. Фосфат железа(III) является нерастворимым веществом, образующим прочную пленку на поверхности металла.
Сбалансированное химическое уравнение реакции выглядит следующим образом:
$Fe(OH)_3 + H_3PO_4 = FePO_4 \downarrow + 3H_2O$

Ответ: $Fe(OH)_3 + H_3PO_4 = FePO_4 + 3H_2O$.

Является ли данная реакция окислительно-восстановительной?

Окислительно-восстановительными называют реакции, в ходе которых происходит изменение степеней окисления у атомов химических элементов. Чтобы ответить на этот вопрос, определим степени окисления всех элементов в реагентах и продуктах.
В реагентах:
В $Fe(OH)_3$: степень окисления железа $Fe$ равна +3, кислорода $O$ –2, водорода $H$ +1. Запись: $Fe^{+3}(O^{-2}H^{+1})_3$.
В $H_3PO_4$: степень окисления водорода $H$ равна +1, кислорода $O$ –2, фосфора $P$ +5. Запись: $H^{+1}_3P^{+5}O^{-2}_4$.
В продуктах:
В $FePO_4$: степень окисления железа $Fe$ равна +3, фосфора $P$ +5, кислорода $O$ –2. Запись: $Fe^{+3}P^{+5}O^{-2}_4$.
В $H_2O$: степень окисления водорода $H$ равна +1, кислорода $O$ –2. Запись: $H^{+1}_2O^{-2}$.
Сравнивая степени окисления, мы видим, что ни один элемент не изменил свою степень окисления в процессе реакции. Следовательно, данная реакция не является окислительно-восстановительной. Это реакция ионного обмена.

Ответ: нет, данная реакция не является окислительно-восстановительной.

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.

Причина, по которой яхта пошла ко дну, заключается в явлении гальванической коррозии. Это вид электрохимической коррозии, который возникает при контакте двух разнородных металлов в присутствии электролита.

В данном случае в качестве разнородных металлов выступали алюминий ($Al$) корпуса и медь ($Cu$) заклёпок. Роль электролита выполняла морская вода, которая является хорошим проводником электрического тока из-за растворенных в ней солей (в основном $NaCl$).

При контакте алюминия и меди в морской воде образуется гальванический элемент. Чтобы определить, какой из металлов будет разрушаться (корродировать), необходимо обратиться к ряду стандартных электродных потенциалов. Алюминий ($E^\circ(Al^{3+}/Al) = -1,66 \text{ В}$) является значительно более активным металлом по сравнению с медью ($E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0,34 \text{ В}$).

В образовавшейся гальванической паре более активный металл (алюминий) становится анодом и подвергается интенсивному окислению (разрушению), в то время как менее активный металл (медь) становится катодом, на поверхности которого протекают процессы восстановления.

Процессы, протекающие на электродах, можно описать следующими уравнениями реакций:

На аноде (алюминиевый корпус): происходит окисление алюминия. Атомы алюминия отдают электроны и переходят в раствор в виде ионов, что приводит к разрушению корпуса.
$Al - 3e^- \rightarrow Al^{3+}$

На катоде (медные заклёпки): на поверхности меди происходит восстановление растворенного в воде кислорода, так как морская вода является нейтральной средой.
$O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$

В результате интенсивной коррозии алюминиевая обшивка в местах крепления медными заклёпками быстро разрушилась, герметичность корпуса нарушилась, и яхта затонула.

Ионы $Al^{3+}$, образующиеся на аноде, и гидроксид-ионы $OH^-$, образующиеся на катоде, взаимодействуют с образованием нерастворимого гидроксида алюминия — продукта коррозии:
$Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3\downarrow$

Суммарное уравнение процесса коррозии алюминия выглядит так:
$4Al + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3$

Ответ: Яхта затонула из-за гальванической коррозии, возникшей при контакте алюминиевого корпуса с медными заклёпками в морской воде (электролите). Алюминий, как более активный металл, выступал в роли анода и быстро разрушался.
Уравнения реакций:
Процесс на аноде (окисление алюминия): $Al - 3e^- \rightarrow Al^{3+}$
Процесс на катоде (восстановление кислорода): $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$
Суммарное уравнение коррозии: $4Al + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3$

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.

Решение

Покрытие железного листа цинком (оцинковка) является одним из самых эффективных и распространенных методов защиты от коррозии. Этот метод обеспечивает два уровня защиты: механический и электрохимический (протекторный).

1. Механическая защита. Сплошной, неповрежденный слой цинка полностью изолирует поверхность железа от контакта с агрессивной внешней средой (в первую очередь, от влаги и кислорода воздуха), тем самым механически предотвращая начало коррозионных процессов.

2. Электрохимическая (протекторная) защита. Этот, более важный, вид защиты вступает в действие при нарушении целостности покрытия (например, при появлении царапины или скола). В этом случае железо и цинк оказываются в контакте друг с другом и с электролитом (конденсатом влаги из воздуха, дождевой водой и т.д.). В этих условиях образуется короткозамкнутый гальванический элемент.

Чтобы понять, какой из металлов будет разрушаться (корродировать), необходимо сравнить их стандартные электродные потенциалы. Для пары цинк-железо они составляют:
Стандартный электродный потенциал цинка: $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0.76$ В.
Стандартный электродный потенциал железа: $E^0(Fe^{2+}/Fe) = -0.44$ В.

Так как электродный потенциал цинка значительно более отрицательный, чем у железа ($ -0.76 \text{ В} < -0.44 \text{ В} $), цинк является более активным металлом и в данной гальванической паре будет выполнять роль анода — то есть, он будет окисляться (корродировать). Железо, как менее активный металл, станет катодом, на котором будет происходить процесс восстановления.

Электрохимические процессы, протекающие на поверхности металлов, можно описать следующими уравнениями:

Анодный процесс (на цинке): атомы цинка окисляются, отдавая электроны и переходя в раствор в виде ионов.
$Zn - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$

Катодный процесс (на железе): электроны, образовавшиеся на аноде, перемещаются к катоду (железу). Здесь они участвуют в восстановлении окислителя из окружающей среды. Во влажном воздухе (нейтральная среда) таким окислителем является растворенный кислород.
$O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$

Таким образом, цинк «жертвует» собой, разрушаясь в первую очередь и тем самым защищая железо от коррозии. Пока на поверхности сохраняется цинковое покрытие, даже при его повреждении, железо будет защищено электрохимически.

Ответ: цинковое покрытие предохраняет железо от коррозии двумя способами. Механически, создавая физический барьер для агрессивной среды. Электрохимически, при повреждении покрытия образуется гальваническая пара, в которой цинк, как более активный металл (с более отрицательным потенциалом $E^0(Zn^{2+}/Zn) = -0.76$ В по сравнению с $E^0(Fe^{2+}/Fe) = -0.44$ В), выступает в роли анода и корродирует сам. Железо при этом становится катодом и не разрушается. Процесс на аноде (Zn): $Zn - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$. Процесс на катоде (Fe): $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$.

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 индикатор1.

Данный эксперимент демонстрирует влияние различных химических сред на скорость электрохимической коррозии железа. Коррозия, или ржавление, железа — это сложный процесс, для протекания которого необходимы вода и кислород. Скорость этого процесса сильно зависит от pH среды и наличия в ней растворенных солей (электролитов).

Ниже представлено описание ожидаемых результатов для каждого из пяти опытов.

Эксперимент 1. Гвоздь в воде (контрольный опыт)

Решение

В пузырек с железным гвоздем наливается обычная вода. Этот опыт является контрольным для сравнения с остальными. В присутствии воды и растворенного в ней кислорода из воздуха начнется процесс коррозии. Это электрохимический процесс, включающий анодный и катодный участки на поверхности металла.

На анодных участках происходит окисление железа:

$Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}$

На катодных участках происходит восстановление кислорода:

$O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$

Ионы железа $Fe^{2+}$ реагируют с гидроксид-ионами $OH^-$, образуя гидроксид железа(II) $Fe(OH)_2$, который затем быстро окисляется кислородом воздуха до гидроксида железа(III) $Fe(OH)_3$ — бурого вещества, которое мы называем ржавчиной.

$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3 \downarrow$

Процесс будет протекать с умеренной скоростью, и через несколько дней на гвозде появятся заметные следы ржавчины.

Ответ: В дистиллированной или водопроводной воде железный гвоздь будет медленно покрываться бурым налетом ржавчины.

Эксперимент 2. Гвоздь в растворе хлорида натрия (поваренной соли)

Решение

В пузырек с гвоздем наливается водный раствор поваренной соли ($NaCl$). Хлорид натрия является сильным электролитом, диссоциирующим в воде на ионы $Na^+$ и $Cl^-$. Присутствие этих ионов значительно увеличивает электропроводность раствора. Это облегчает перенос заряда между анодными и катодными участками на поверхности железа, что приводит к резкому ускорению электрохимической коррозии. Хлорид-ионы также способствуют разрушению защитной оксидной пленки на железе.

Ответ: В растворе поваренной соли коррозия протекает значительно быстрее и интенсивнее, чем в чистой воде. Гвоздь покроется ржавчиной гораздо быстрее.

Эксперимент 3. Гвоздь в растворе уксусной кислоты (столового уксуса)

Решение

В пузырек с гвоздем наливается раствор уксусной кислоты ($CH_3COOH$). Кислая среда, создаваемая уксусом, является сильнейшим катализатором коррозии железа. Во-первых, ионы водорода $H^+$ могут участвовать в катодном процессе, восстанавливаясь до газообразного водорода:

$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$

Во-вторых, кислота напрямую реагирует с железом:

$Fe + 2CH_3COOH \rightarrow (CH_3COO)_2Fe + H_2 \uparrow$

Образующийся растворимый ацетат железа(II) затем окисляется кислородом до ржавчины. В результате этих процессов гвоздь будет разрушаться очень быстро.

Ответ: В кислой среде уксуса гвоздь будет корродировать наиболее быстро из всех образцов. Возможно наблюдение выделения пузырьков газа (водорода).

Эксперимент 4. Гвоздь в растворе аммиака (нашатырного спирта)

Решение

В пузырек с гвоздем наливается раствор аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$). Раствор аммиака имеет щелочную среду из-за образования гидроксид-ионов $OH^-$. Щелочная среда замедляет коррозию железа. Высокая концентрация $OH^-$ ионов способствует образованию на поверхности металла плотного, малорастворимого слоя гидроксида железа(II) $Fe(OH)_2$. Этот слой выполняет роль защитного (пассивирующего) барьера, который препятствует дальнейшему контакту металла с агрессивной средой и кислородом.

$Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow$

Ответ: В щелочной среде раствора аммиака коррозия железа значительно замедляется. Гвоздь останется блестящим или покроется ржавчиной очень незначительно.

Эксперимент 5. Гвоздь в растворе карбоната или гидрокарбоната натрия (соды)

Решение

В пузырек с гвоздем наливается раствор соды ($Na_2CO_3$ или $NaHCO_3$). Растворы этих солей также имеют щелочную среду из-за гидролиза карбонат- или гидрокарбонат-ионов:

$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$

Как и в случае с аммиаком, создаваемая щелочная среда способствует пассивации поверхности железа, замедляя или полностью останавливая процесс коррозии. Растворы карбонатов часто используются в качестве ингибиторов (замедлителей) коррозии.

Ответ: В щелочной среде раствора соды, аналогично раствору аммиака, коррозия будет практически отсутствовать.

Общий вывод

Решение

Проведенный эксперимент наглядно показывает, что скорость коррозии железа сильно зависит от химического состава среды. Самая быстрая коррозия наблюдается в кислой среде (уксус), так как кислота активно разрушает металл. Присутствие сильного электролита (поваренной соли) также значительно ускоряет коррозию по сравнению с чистой водой. Напротив, щелочные среды (растворы аммиака и соды) замедляют коррозию, так как способствуют образованию на поверхности металла защитной пассивирующей пленки.

Таким образом, можно расположить исследованные среды по степени их коррозионной активности в отношении железа в следующем порядке (от большей к меньшей):

Раствор уксусной кислоты > Раствор хлорида натрия > Вода > Раствор аммиака ≈ Раствор соды

Использование самодельного индикатора (например, отвара красной капусты) позволило бы визуально подтвердить pH каждой среды: красный/розовый в уксусе, фиолетовый/синий в воде и соли, зеленый/желтый в растворах аммиака и соды.

Ответ: Скорость коррозии железа максимальна в кислой среде и в растворах электролитов, в то время как щелочная среда замедляет или предотвращает коррозию благодаря пассивации поверхности металла.