Теоретические основы электрохимической коррозии (стр. 3 из 5)
Рисунок 2 - Коррозионная диаграмма
Когда нет коррозионного процесса и сила тока равна нулю, тогда начальные значения потенциалов на аноде и катоде должны отвечать обратимым потенциалам анодной аεr и катодной kεrреакций в заданных условиях. За счет разности потенциалов анода и катода в системе появляется ток. При некоторой силе тока Iпотенциал анода сместится вследствие поляризации в сторону более положительных, а потенциал катода - в сторону более отрицательных значений. Пусть эти величины будут равны соответственно аε1и kε1. Разность этих потенциалов под током меньше разности их обратимых потенциалов. С увеличением силы тока разность между потенциалом анода и катода будет непрерывно сокращаться. В пределе она окажется равной нулю, и поверхность корродирующего образца сделается эквипотенциальной. Здесь будет достигнута сила тока, отвечающая максимально возможной в данных условиях скорости коррозии maxIc, а потенциал образца станет равным величине εс , лежащей между аεr и кεr. Это максимальное значение силы тока может быть реализовано лишь тогда, когда сопротивление системы или равно нулю, или ничтожно мало. В противном случае, если омическое падение напряжения не равно нулю, скорость коррозии будет не maxIc, а некоторой меньшей величиной Iс. В этих условиях омическое падение напряжения ∆εOM численно равно длине отрезка ab.Потенциал анода в процессе коррозии будет отрицательнее потенциала катода на величину ∆εOM. Таким образом, скорость коррозии является функцией разности обратимых потенциалов анодной и катодной реакций, их поляризуемости и омического сопротивления коррозионной среды. Влияние каждого из этих факторов на скорость коррозии показано графически на рисунке 3 при помощи упрощенных коррозионных диаграмм. Скорость коррозии уменьшается, если при заданном сопротивлении и неизменной поляризуемости электродов обратимые потенциалы анодной и катодной реакций сближаются (рисунок 3,а), то есть Iс изменяется параллельно с величиной (кεr- аεr). Скорость коррозии становится меньше при увеличении общего сопротивления в системе корродирующий металл - коррозионная среда (рисунок 3,б). Повышение анодной (рисунок 3,в) или катодной (рисунок 3,г) поляризации также уменьшает скорость коррозии. Повышение поляризации может быть результатом появления дополнительных торможений как анодного, так и катодного процессов, либо уменьшением площади анодных или катодных участков. Сокращение площади данного электрода при неизменной силе тока увеличивает на нем плотность тока, а следовательно, и поляризацию.
Рисунок 3 - Коррозионные диаграммы влияния различных факторов на скорость коррозии
В теории локальных элементов первоначально предполагалось, что катодный и анодный процессы должны быть обязательно пространственно разделены, и каждый из них может протекать лишь на вполне определенном участке поверхности корродирующего металла. На этом основании считалось, что идеально чистые металлы с совершенно однородной поверхностью не должны подвергаться коррозии. Такое заключение ошибочно и с термодинамической, и с кинетической точек зрения. Чтобы обеспечить протекание коррозии, необходима разница между обратимым потенциалом металла и потенциалами анодной и катодной реакций, возможных в данных условиях, а не пространственное разделение катодных и анодных участков. Анодные и катодные реакции в зависимости от степени однородности границы раздела металл - среда могут протекать на одной и той же поверхности или на ее различных участках. Совмещение катодных и анодных реакций типично для коррозии чистых металлов и амальгам; их более или менее полное пространственное разделение - для коррозии технических металлов. Меньшая стойкость технических металлов по сравнению с чистыми, а также изменение характера коррозионных разрушений во многом связаны с деятельностью гальванических микроэлементов основной металл - включение.
Коррозионные диаграммы, построенные на основе представлений теории локальных элементов, удобны для качественного рассмотрения процесса коррозии и для оценки возможного влияния на него различных факторов. В то же время их использование при количественных расчетах скорости коррозии связано со значительными трудностями. Скорость коррозии определяется изменением веса образца за единицу времени, отнесенного к единице его поверхности, или (в электрических единицах) плотностью тока i. Коррозионные же диаграммы, приведенные на рисунке 2 и 3, построены в координатах потенциал - сила тока (не включают в себя величины плотности тока, непосредственно характеризующей скорость коррозии).
Для ее расчетов нужны поэтому дополнительные данные. Задачу определения скорости коррозии можно проще решить на основе кинетической теории коррозии. В этом случае катодную и анодную поляризационные кривые снимают непосредственно на образце, коррозию которого изучают. Общую скорость коррозии выражают силой тока, отнесенной к единице всей поверхности металла, без разделения ее на катодные и анодные участки. При стационарном потенциале скорость коррозии, выражаемая силой тока анодного растворения металла, отнесенная ко всей его поверхности (включая и катодные зоны) должна быть равна скорости катодного процесса, например скорости выделения водорода. Последняя в случае снятия катодной поляризационной кривой будет равна силе тока, деленной на всю поверхность образца, включая анодные участки. Таким образом, при стационарном потенциале плотности тока для анодного и катодного процессов при указанном способе снятия поляризационных кривых должны быть одинаковыми. При этом предполагают, что омическими потерями можно пренебречь и, следовательно, рассматривать поверхность корродирующего металла как эквипотенциальную. Характер совмещенных поляризационных кривых, получаемых по этому методу, который показан на рисунке 4 (сплошные линии).
Рисунок 4 - Поляризационная диаграмма коррозионного процесса, протекающего с водородной деполяризацией
Точка пересечения анодной и катодной поляризационных кривых дает на оси абсцисс скорость коррозии, а на оси ординат - величину стационарного потенциала. Так как вблизи стационарного потенциала поляризационные данные перестают укладываться в полулогарифмическую зависимость, то скорость коррозии находят обычно по точке пересечения экстраполированных прямолинейных участков поляризационных кривых (пунктирные линии на рисунке 4). Сопоставление величин скорости коррозии, рассчитанных на основании поляризационных измерений, с полученными непосредственно из убыли веса (или по объему выделившегося водорода в кислых средах) для свинца, никеля и железа показало, что оба ряда данных совпадают друг с другом в пределах ошибок опыта. Это позволило широко использовать метод поляризационных измерений при количественном изучении коррозионных процессов.
Стационарный коррозионный потенциал εс лежит обычно между обратимыми потенциалами анодного и катодного процессов, обусловливающих появление коррозии. Он всегда положительнее равновесного потенциала анодной реакции и отрицательнее равновесного потенциала катодной реакции. Поэтому при стационарном потенциале скорость ионизации
металла больше скорости разряда металлических ионов 
, а скорость разряда иона водорода 
больше скорости ионизации его молекул 
. Такое соотношение скоростей сохраняется до тех пор, пока не будут достигнуты соответствующие равновесные потенциалы. В этом случае частные токи для каждого из двух процессов сделаются равными соответствующим токам обменаi0Ми i0H. Продолжение катодной и анодной поляризационных кривых от стационарного потенциала до обратимых потенциалов электродных реакций показано на рисунке 4 штрихпунктирными прямыми. Скорость коррозии является функцией тока обмена катодной и анодной реакций. С увеличением тока обмена (при тех же равновесных потенциалах) скорость коррозии растет. Скорость коррозии должна меняться параллельно с изменением коэффициента переноса α. Таким образом, коррозионная диаграмма позволяет связать скорость коррозии с основными кинетическими параметрами лежащих в ее основе электродных реакций. Эту связь можно выразить и аналитически. При стационарном потенциале скорость коррозии должна быть равна скорости растворения металла и в то же время скорости катодной реакции; в рассматриваемом случае - скорости катодного выделения водорода. На этом основании можно написать следующее уравнение 10:ic = i0H℮-(kηH(1 – α)F)/RT = i0M℮(aηMα2zF)/RT , (10)
где kηHи aηM- соответственно катодная поляризация при выделении водорода и анодная поляризация при растворении металла;