страница 1
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие работы
|
Инструкция по выполнению лабораторной работы по дисциплине "Химическое сопротивление - страница №1/1
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" Филиал УГНТУ в г. Салавате Кафедра " Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки " СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮЗаведующий кафедрой ОПНН Заместитель директора по учебной _______________Н.М. Захаров работе ____________Г.И. Евдакимов _________________________ ____________________________ Дисциплина «Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии» СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ Инженер по охране труда Доцент кафедры ОПНН Салават 2006 Изложены теоретические основы поляризации электродов. Приведена инструкция по выполнению лабораторной работы по дисциплине “Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии”. Методические указания предназначены для студентов специальности 240801.65 “Машины и аппараты химических производств” всех форм обучения. © Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате, 2006. Процесс электрохимической коррозии, возникающей вследствие контакта гетерогенной металлической поверхности с раствором электролита, сопровождается перетеканием электрического тока от анодных участков к катодным в металле и от катодных участков к анодным в электролите. Значение коррозионного тока в момент замыкания цепи определяется по закону Ома: Iнач. = ; (Е > Е ) (1) где Е и Е- стационарные начальные значения потенциалов катода и анода до замыкания цепи; R - омическое сопротивление системы.
Ек = Е - DEк ; Еа = Е + DEа (2) Уменьшение разности начальных значений потенциалов коррозионного элемента вследствие смещения потенциалов электродов при протекании тока, приводящее к уменьшению величины коррозионного тока и, следовательно, скорости коррозии, называется поляризацией. Уменьшение поляризуемости электродов называется деполяризацией. Деполяризация увеличивает скорость коррозионных процессов. Вещества и факторы, уменьшающие деполяризацию электродов коррозионного элемента, называются деполяризаторами. Установившийся коррозионный ток определяется следующим уравнением: Iраб. = = , (3) где R - омическое сопротивление (связанное с затруднениями, возникающими при прохождении электрона через кристаллическую решетку металла или ионов через раствор) Р - поляризационные сопротивления (связанные с невозможностью мгновенной ассимиляцией электронов катодными деполяризаторами и перехода ионов металла из металлической решетки в раствор). 1.2 Поляризационные кривые О кинетике электродных процессов наиболее полно можно судить по зависимости между смещением потенциала электрода и величиной плотности протекающего тока. Зависимость потенциала электрода от плотности, проходящего через него тока, изображенная графически, называется поляризационной кривой. При потенциалах отрицательнее стационарного потенциала получается катодная поляризационная кривая, при потенциалах положительнее стационарного потенциала - анодная поляризационная кривая. Катодная или анодная поляризационные кривые получаются в зависимости от того, к какому полюсу источника постоянного тока подключается исследуемый электрод. Если электрод подключается к отрицательному полюсу источника тока, на него поступают электроны и потенциал сдвигается в отрицательную сторону. Подключение к положительному полюсу источника тока облегчает уход электронов с электрода, т.е. сдвиг потенциала в положительную сторону. Т.о. можно получить анодную и катодную кривые. 1.3 Анодная поляризация Основными причинами анодной поляризации являются: 1) перенапряжение ионизации металла. Если при протекании анодного процесса, при котором ионы металла переходят в раствор Ме+ + е +Н2О ® Ме+× n Н2О + е (4) выход ионов в раствор не поспевает за отводом электронов, то отрицательный заряд на обкладке двойного слоя уменьшается, а потенциал металла сдвигается в положительную сторону. 2) концентрационная поляризация, возникающая из-за недостаточно быстрого отвода перешедших в раствор ионов металла. При этом повышается концентрация ионов металла в прианодной зоне. Потенциал металла смещается в положительную сторону. 3) анодная пассивность, вызванная образованием пассивных пленок на поверхности металла. При определенных условиях (при наличии в растворе
вой АБ – протекает процесс активного растворения металла с незначительным смещением потенциала в положительном направлении вследствие перенапряжения ионизации металла и повышения концентрации ионов металла в слое электролита, прилегающем к металлу. Скачок потенциала БВ вызван образованием на поверхности анода защитной пассивной пленки. Торможением анодного процесса вследствие наступающего явления анодной пассивации объясняется малая скорость коррозии ряда металлов и сплавов, в частности, нержавеющих сталей, а также алюминия в водных растворах солей при доступе кислорода воздуха или в азотной кислоте. Образование анодных фазовых пленок на поверхности металла может быть результатом осаждения на поверхности анода труднорастворимых солей этого металла. Анодные поляризационные кривые металлов могут быть получены двумя методами: гальваностатическим и потенциостатическим. Гальваностатический метод заключается в том, что на электрод накладываются различные плотности анодного тока и при этом фиксируются устанавливающиеся значения потенциала электрода. Потенциостатический метод измерения поляризационных кривых заключается в том, что исследуемый электрод искусственно поддерживается с помощью потенциостата при постоянной во времени величиной анодного тока. Поляризация катода, сопровождающаяся смещением значения потенциала в отрицательную сторону, может быть вызвана двумя основными причинами: 1) медленностью течения электрохимической реакции связывания деполяризатора с электронами, протекающими с анодных участков, т.е. замедленностью процесса (перенапряжение катодной реакции). 2) недостаточной скоростью подвода к катодной поверхности деполяризатора или отвода продуктов восстановления деполяризатора от электрода в глубь раствора (концентрационная поляризация). Среди различных видов катодной деполяризации практически наиболее важными являются коррозионные процессы, протекающие в неокислительных кислотах за счет разряда водородных ионов с выделением газообразного водорода и процессы, протекающие в нейтральных растворах солей за счет ассимиляции электронов растворенным в электролите кислородом (7) В частности все процессы коррозии технических конструкционных металлов, как в нейтральных растворах электролитов, так и в атмосферных условиях, а также многие процессы растворения металлов в слабокислых растворах в присутствии кислорода идут главным образом за счет катодного процесса ионизации кислорода. В первом случае коррозионные процессы получили название коррозии металлов с водородной деполяризацией.
Участок А имеет более отрицательные значения потенциала катода, при этом процесс деполяризации катода идет по реакции 7. Скорость процесса ограничивается в основном замедленностью самого процесса восстановления кислорода. Резкий скачок потенциала в отрицательную область, участок В, объясняется концентрационной поляризацией катода. Небольшое изменение плотности тока приводит к резкому увеличению количества электронов, а значит и к большему отклонению потенциала в отрицательную область. При дальнейшем увеличении плотности тока при определенном потенциале наступает момент, когда катодный процесс идет за счет водородной деполяризации, участок С. По ряду причин кривые катодной поляризации (реальные) иногда заметно отличаются от кривой, приведенной на рисунке 3. Это отличие вызвано, прежде всего, тем, что при снятии поляризационных кривых мы не исследуем изолированно поляризуемость реальных катодных и анодных участков на металле, а исследуем поляризуемость поверхности образца, на которой, даже предельно упростив картину, мы имеем локальные катоды, аноды и инертные участки. 1.5 Контролирующий фактор коррозии Построение поляризационных диаграмм коррозии основано на том, что в любой электрохимической системе силы анодного и катодного токов должны быть равны. Величина коррозионного тока зависит в первую очередь от протекания наиболее медленного элементарного процесса. Общее замедление коррозионного процесса может определяться степенью торможения анодного или катодного процесса и омического сопротивления. Стадию процесса, сопротивление которой значительно больше других стадий, называют контролирующим фактором. Контроль может быть анодным, катодным или омическим. Для того, чтобы определить характер контроля, нужно сравнить сопротивление каждой из стадий. На рисунке 4 показана наиболее простая коррозионная диаграмма, когда не тормозится ни анодный, ни катодный процесс. Разность потенциалов между действующим анодом и катодом остается постоянной во времени, а величина коррозионного тока определяется омическим сопротивлением цепи. Это случай омического контроля. При значительной анодной поляризации и малой величине катодной поляризации коррозионная диаграмма выглядит как показано на рисунке 5. В этом случае значителен наклон катодной кривой. Потенциал коррозии Екорр., которому соответствует величина максимального коррозионного тока Iкорр., близок к потенциалу катода до прохождения тока (ЕК при I=0). Это случай анодного контроля. Диаграмма на рисунке 6 характеризует катодный контроль. Возможен случай, когда соизмеримы величины анодной и катодной поляризации, рисунок 7. Крутизна наклона обеих кривых близка, потенциал коррозии ЕК находится посередине между начальными потенциалами катода ЕК и анода Еа. Такой контроль называется смешанным. Знание контролирующего фактора коррозии позволяет принимать эффективные меры для существенного уменьшения скорости коррозионного процесса. Основной функцией потенциостата является поддержание потенциала или поляризующего тока рабочего (исследуемого) электрода на заданном уровне, независимо от изменений, происходящих в электрохимической ячейке. Потенциостат поддерживает заданный потенциал рабочего электрода путем изменения величины (иногда и направления) тока поляризации. Принципиальная схема, поясняющая принцип действия потенциостата, показана на рисунке 8. Из схемы видно, что на один вход усилителя подается задающее напряжение, а на другой - разность потенциалов между элетродом сравнения и рабочим электродом. Входные напряжения в усилителе сравниваются, и полученная разность управляет выходным током усилителя, поляризующим рабочий электрод до потенциала, установленного на источнике задающего напряжения. Рисунок 8 – Принципиальная схема потенциостатированияПотенциостат состоит из шести функционально связанных блоков, работающих совместно с элестрохимической ячейкой и миллиамперметрами. БЗН - блок задающих напряжений - вырабатывает постоянные калиброванные напряжения и напряжение, изменяющееся по линейному закону. БПУ - блок предварительного усиления - обеспечивает необходимое усиление разности напряжений, поданных на его вход. БВК - блок выходного каскада - является усилителем мощности и обеспечивает необходимую величину тока поляризации рабочего электрода. БВВ-1 - блок высокоомного вольтметра - предназначен для измерения разности потенциалов между электродом сравнения и рабочим электродом а также обеспечивает возможность регистрации потенциала рабочего электрода. БП-ПУ - блок питания предварительного усиления - обеспечивает необходимыми постоянными и переменными напряжениями блок предварительного усиления (БПУ) и блок задающих напряжений (БЗН). БП-ВК - блок питания выходного каскада - обеспечивает необходимыми постоянными и переменными напряжениями блок выходного каскада(БВК). Электромагнитный стабилизатор напряжения предназначен для стабилизации питающего потенциостат напряжения. Схема внешних соединений потенциостата показана на рисунке 9. Рисунок 9 - Схема внешних соединений потенциостата Подготовка потенциостата к работе, его включение и выключение, а также подключение электростатической ячейки к прибору производится лаборантом согласно ПРИЛОЖЕНИЯ данной инструкции. 2.2 Порядок выполнения работы 2.2.1 Необходимые приборы и реактивы: Потенциостат П-5827 М Стабилизатор напряжения С-0.75 Микроамперметр Миллиамперметр Электрохимическая ячейка Секундомер КСl насыщенный раствор Раствор электролита Наждачная, фильтровальная бумага Мерная колба на 300 мл 2.2.2 Подготовка электрохимической ячейки Все подготовительные работы с электрохимической ячейкой проводятся при переключателе “РОД РАБОТЫ” на блоке БПУ в положении “ЯЧЕЙКА ОТКЛЮЧЕНА”. Схема электрохимической ячейки показана на рисунке 10. Она имеет три электрода: рабочий 1, вспомогательный 2, сравнения 3. Электроды находятся в элетролите, который заливается в три склянки 4, соединенных между собой отводами с краниками 5. Рабочий электрод представляет собой металлическую пластину (материал указывается преподавателем). Необходимо перед началом измерений очистить его поверхность наждачной бумагой, обезжирить в содовом растворе, промыть дистиллированной водой и обсушить фильтроваль ной бумагой Рисунок 10 Вспомогательный электрод (графит) промыть в содовом растворе, воде и обсушить.
После подготовки электродов необходимо в склянки ячейки при закрытых краниках 5 залить по 300 мл электролита, краники открыть и удалить из соединительных отводов пузырьки воздуха. Произвести замеры геометрических размеров рабочего электрода. После погружения его в раствор определить длину смоченной части. Подготовленные электроды поместить в склянки ячейки в последовательности, показанной на рисунке 10. После включения потенциостата, его прогрева и подключения электрохимической ячейки можно приступить к снятию катодных и анодных поляризационных кривых. Для этого необходимо: 1) - установить на источнике начального напряжения “U1” значение потенциала рабочего электрода и требуемую полярность Для снятия катодной поляризационной кривой устанавливается полярность “-”, для анодной “+”. 2) “переключатель “U1 - U2” установить в положение, соответствующее источнику, который не будет использоваться (“U2”) . 3) убедиться, что переключатель развертки “ ПОДЪЕМ - СБРОС” установить в положение сброс, а переключатель “АМПЛИТУДА” в положение 0. 4) ручку “УСИЛЕНИЕ” на блоке БПУ перевести в крайнее правое положение, а переключатель “ВРЕМЯ ОТРАБОТКИ” - в положение “2”. 5) включить микро- и миллиамперметры согласно схемы на рисунке 9. Переключатель “ВЫХОД НА РЕГИСТРАТОР” установить в положение, соответствующее полярности начального напряжения. 6) произвести установку нуля выходного напряжения потенциостата. 7) подать напряжение на электрохимическую ячейку, для чего переключатель”РОД РАБОТЫ” на блоке БПУ установить в положение “ПОТЕНЦИАЛ” и “ЯЧЕЙКА ВКЛ.”, а затем переключатель “U1 - U2” на блоке БЗН установить в положение, соответствующее источнику начального напряжения, на котором установлен заданный потенциал. 8) при величине тока поляризации менее 1 мА тумблер “ДЕЛИТЕЛЬ” установить в положение “1 : 10” 9) для контроля потенциала рабочего электрода следует переключатель вольтметра БВВ-1 перевести в положение “Uраб.” и установить переключатель полярности в положение, соответствующее полярности начального напряжения. 10) изменение потенциала рабочего электрода в процессе эксперимента может осуществляться установкой переключателей “ х IY”, “ х 0,1Y”, “ мY” с соблюдением последовательности включения: переключатель “U1 - U2” в положение “ U2”, “ ЯЧЕЙКА ВЫКЛ.”, установить новое значение напряжения и повторить включение по п.7. Следует иметь ввиду, что установка поляризующего тока происходит не мгновенно, поэтому регистрацию тока необходимо проводить по истечении двух минут от начала подачи задающего напряжения. Для построения анодных и катодных поляризационных кривых необходимо исследовать интервал задающего напряжения -2000мВ +2000мВ, причем в случае снятия анодной кривой каждое новое значение задающего напряжения должно быть положительнее предыдущего, при снятии катодной кривой - наоборот. Интервал между последовательными значениями напряжения 100 мВ. Результаты испытаний и расчетные значения заносятся в таблицу: Марка металла рабочего электрода_______________ Электролит______________ Поверхность рабочего электрода SР, см2___________ Поверхность вспомогательного электрода SВСП, см2 _________
По данным таблицы строят анодную и катодную поляризационные кривые в координатах “Е (mB) - i (А/см2)”, определить потенциал коррозии ЕКОРР, и плотность максимально возможного коррозионного тока и график зависимости Lg i – Е, определить характер контролирующего фактора корро- зии. 2 Убедитесь в надежности заземления стойки потенциостата и стаби-лизатора напряжения. Заземление осуществляется медным проводом сечением 2 - 3 мм2. 3 Перед работой с потенциостатом необходимо тщательно изучить техническое описание прибора и порядок работы с ним. 4 Включение, выключение реостата, подключение к нему электро-химической ячейки производится лаборантом в соответствии с инструкцией, помещенной в ПРИЛОЖЕНИИ. 5 Запрещается производить работу на установке при наличии любых неисправностей до их устранения. 6 При работе с прибором следует принимать меры предосторожности, т.к. на гнездах, вынесенных на переднюю панель, имеются напряжения до 1000 В. Клеммы “МИКРОАМПЕРМЕТРЫ” (БВК), “РЕГИСТРАТОР” (на боковой стенке стойки) и “ВСП.” (на боковой стенке, ячейка) при работе потенциостата должны быть закрыты колпачками. 7 При работе с кислотами предохранять руки от попадания растворов, в случае необходимости промыть под струей воды. 2 В чем сущность явления поляризации электродов? деполяризации? 3 Каковы основные причины анодной поляризации? 4 Что называется катодной поляризацией? 5 Как протекают процессы с водородной деполяризацией? 6 Как протекают коррозионные процессы с кислородной деполяризацией7 7 Какие реакции лежат в основе катодного и анодного процессов? 8 Каковы основные принципы работы потенциостата? 9 Чем отличается гальваностатический метод исследования от потенцио-статического? 10 Как снять и построить анодную кривую, катодную? 11 Как определить по коррозионной диаграмме величину потенциала коррозии ЕКОРР, и величину максимального коррозионного тока IКОРР. ? 12 Что такое контролирующий фактор коррозии? Список использованных источников 1 Клинов И.Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы. - М.: Машиностроение, 1967. - 468с. 2 Жук Н.П. Курс коррозии и защиты металлов. - М.: Металлургия 1968. – 408 с. 3 Кравцов В.В. Коррозия конструкционных материалов и способы защиты./ Учебное пособие. - Уфа, 1982. - 80с. Перед подачей напряжения на потенциостат его переключатели обязательно должны быть установлены в положении, указанные в таблице 1. Таблица 1 - Положение органов управления
2 Подключение к потенциостату электрохимической ячейки Схема подключения к потенциостату электрохимической ячейки, показывающих и регистрирующих приведена на рисунке 9. Подключение эквивалента Э-2 производится аналогично подключению ячейки, при этом клемма “РАБ.” эквивалента соединяется с клеммами “РАБ.” И “” потенциостата. Электрохимическая ячейка должна подключаться к клеммам “Электроды”, расположенным на правой боковой стенке потенциостата, специальным жгутом, входящим в комплект прибора и состоящим из экранированного коаксиального кабеля и трех экранированных проводов. Электрод сравнения ячейки подключается к клемме “СРАВН.” потенциостата центральным проводником коаксиального кабеля. Рабочий электрод ячейки имеет два выхода под клеммы. Одна из клемм подключается одним из проводов жгута к клемме “РАБ.” потенциостата, а вторая соединяется вторым проводом с клеммой ““ потенциостата. Вспомогательный электрод соединяется третьим проводом жгута. Вывода экранов подключаются к винту защитного заземления потенциостата. В режиме “ПОТЕНЦИАЛ” клеммы рабочего электрода ячейки соединены с корпусом потенциостата. Клемма “РАБ.” на боковой стенке потенциостата находится под небольшим потенциалом, создаваемым поляризующим током на соединительных проводах, и поэтому не равнозначна по потенциалу рабочему электроду, а также гнездам и клеммам ““ (корпус) потенциостата. Примечание: Клемма ““ на боковой стенке потенциостата соединена с корпусом только в режиме “ПОТЕНЦИАЛ”. В режиме “ТОК” эта клемма от корпуса отсоединяется. 3 Включение и выключение потенциостатаПосле установки переключателей в исходные положения необходимо установить стрелки приборов корректорами на нуль. Затем на потенциостат можно подать питающее напряжение от сети через стабилизатор С-0,75. Подача питания на отдельные блоки потенциостата производится включением тумблера “СЕТЬ” на блоках БП-ВК, БП-ПУ и БВВ-1. Не ранее чем через 3 мин после включения тумблеров “СЕТЬ” подается анодное напряжение сначала включением тумблера “АНОД” на блоке БП-ПУ, а затем нажатием кнопки “АНОД” на блоке БП-ВК. Преждевременное включение анодных напряжений приведет к выходу из строя электронных ламп. При включении напряжения сети и анодного напряжения должны загореться соответствующие сигнальные лампочки. После подачи анодного напряжения необходимо дать потенциостату прогреться не менее 30 мин. При первом включении потенциостата и после длительного перерыва в работе рекомендуется после 30-минутного прогрева проверить выходные напряжения на контрольных гнездах блоков БП-ПУ и БП-ВК прибором типа АВО-5МI. При необходимости произвести установку напряжений +210 и -300В на блоке БП-ПУ. Выключение потенциостата производится в следующем порядке: а) задающие напряжения установить равными нулю; б) переключатель “РОД РАБОТЫ” на блоке БПУ установить в положение “ЯЧЕЙКА ОТКЛ.”; выключить тумблер “АНОД” на блоке БП-ПУ, а затем тумблеры “СЕТЬ” на блоках БП-ПУ, БП-ВК и БВВ-1; г) отключить стабилизатор напряжения от сети. СОДЕРЖАНИЕ с.Цель работы 3 1 Теоретическая часть 3 1.1 Поляризация, деполяризация 3 1.2 Поляризационные кривые 4 1.3 Анодная поляризация 5 1.4 Катодная поляризация 6 1.5 Контролирующий фактор коррозии 8 2 Экспериментальная часть 102.1 Работа с потенциостатом 10 2.1.1 Принцип действия прибора 10 2.2 Порядок выполнения работы 13 2.2.1 Необходимые приборы и реактивы 13 2.2.2 Подготовка электрохимической ячейки 13 2.2.3 Снятие поляризационных кривых 15 3 Правила техники безопасности 17 Контрольные вопросы 18 Список использованных источников 18ПРИЛОЖЕНИЕ 19 |
|