КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Электрохимическая коррозия. Двойной электрический слой

Рассмотрим систему «твердая поверхность — электролит» (рис. 12.39). В какой-либо точке поверхностного слоя металла молекула металла Me теряет электроны

Me - ze~ = Mez+ + ze~)

Т. е. происходит его окисление.

Часть ионов металла Ме*+ переходит в раствор. Этот участок поверх­ности металла называют анодом.

Электроны по поверхности металла перемещаются в зону, называемую катодом. На катоде имеется избыток электронов, которые могут передавать­ся (ассимилироваться) ионам металла в растворе, — происходит восстанов­ление металла:

Mez+ + = Me.

Таким образом, на границе раздела электрод-раствор происходит пере­ход электронов от молекул металла к электроду (на аноде) и, наоборот, от электрода к ионам металла в растворе (на катоде).

На аноде происходит переход металла в раствор, т. е. его корро­зия.

Анод и катод могут быть рас­положены в разных точках поверх­ности металла или в одной точке — поочередно.

Поверхность металла (электро­да) на участке анода имеет избы­точный положительный заряд, а на катоде — отрицательный заряд. За - ряженность поверхности электрода приводит к определенной структуре ионов в пристенном слое раствора (электролита) — образуется двойной электрический слой.

Возьмем участок анода (рис. 12.40). На поверхности ме­талла расположены положительно заряженные ионы, потенциал поверхности ip. Вследствие электростатиче­ского притяжения в растворе около поверхности металла сосредотачивают­ся отрицательно заряженные ионы, они образуют мономолекулярный слой. Толщина слоя характеризуется как плотная часть двойного электрическо­го слоя. В пределах этого слоя происходит резкое снижение электрического потенциала (рис. 12.40). Силы воздействия этого потенциала на следу­ющий слой ионов в растворе значительно ослаблены, и чем дальше от поверхности электрода, тем больше встречается положительно заряженных ионов, тем более размытой становится структура ионов. Толщина 5R показывает диффузную часть двойного электрического слоя. За пределами диффузной части влияние электрического потенциала поверхности металла не сказывается на поведении ионов и молекул раствора.

Толщина двойного электрического слоя 5ЛС

£дс — <5о +

Разность потенциалов поверхности и электролита за двойным электри­ческим слоем ifа называется абсолютным скачком потенциала. Он пред­ставляет сумму скачков потенциала на плотной и диффузной tpi части двойного электрического слоя (рис. 12.40).

На катоде поверхность металла имеет избыток электронов, она обла­дает отрицательным электрическим потенциалом ( - у?) -- рис. 12.41. Около катода в поверхностном слое электролита так же формируется двойной

Электрический слой (рис. 12.41). Его характеристики аналогичны рассмат­риваемым выше.

Рассмотрим изменение концентрации примеси в пристенном диффузи­онном слое раствора (рис. 12.42). Толщина диффузионного слоя <5»ДНф (на­помним, что в диффузионном слое перенос примеси происходит только за счет диффузионных процессов, турбулентного переноса нет).

На рис.' 12.42 введены обозначения: Сп — концентрация примеси в ядре потока; Сс — концентрация примеси в диффузионном слое за пределами двойного электрического слоя; Ск, Са — концентрация катионов и анионов в пределах двойного электрического слоя; т - т — граница поверхности твердой фазы (электрода).

Очевидно, что концентрация катионов (положительно заряжен­ных ионов) увеличивается по мере приближения к отрицательно заря­женной поверхности, а концентра­ция анионов, наоборот, снижается.

Вблизи поверхности анода (по­ложительно заряженная поверх­ность) изменение концентрации Ск и Са будет противоположным изме­нению около катода.

В результате взаимодействия электростатических сил, сил меж­молекулярного притяжения поверх­ности твердой фазы и примеси, рас­творенной в водном теплоносителе, на границе двойного электрическо­го слоя устанавливается равновесная концентрация (рис. 12.42).

Зависимость абсолютного скачка потенциала на границе электрод - раствор (ра и активности вещества в растворе на границе двойного элек­трического слоя avc характеризуется уравнением Нернста:

(ДГ1п(а?))

V 0 +

ZF

Где (ро — стандартный потенциал реакции, протекающей на электроде:

(12.66)

ZF = е — электрический заряд.

В равновесных условиях происходит переход ионов металла в раствор на аноде, ионы металла перемещаются в зону катода, на катоде электроны поступают к ионам и восстанавливают их. Как известно, движение ионов в растворе представляет собой электрический ток. Таким образом, движе­ние катионов и электронов можно представлять как электрический ток на аноде га, катоде? к, ток обмена го между анодом и катодом.

В реальных условиях при движении потока равновесие в системе нару­шается. Турбулентные моли проникают в диффузную часть двойного элек­трического слоя, толщина которого 1[ (рис. 12.43) становится меньше рав­новесного значения <5ЛС. При этом скачок потенциала меньше абсолют­ного (ра, активность вещества на новой границе двойного электрического слоя принимает новое значение ас, а концентрация — Сс.

Изменение потенциала

A(p = (pi-(pa (12.67)

Называется поляризацией электро­да.

Уравнение Тафеля связывает величину поляризации электрода с силой тока і

+ -Д<р = а + ЬЫ, (12.68)

Где знак + для анода, знак — для ка­тода, a, b — постоянные уравнения Тафеля.

В равновесии А<рлн = —Асрк = = 0, га = Ч = к-

В реальных условиях поляри­зации электрода А<р соответствует максимальная сила тока гмаКс> кото­рая определяется электрическим со­противлением раствора Rc:

Аф = <ран ~ <Рк = г'максЯс (12.69)

^ макс —

Таким образом, коррозионный ток зависит от поляризации элек­трода А ср и электрического сопро­тивления раствора Rc.

При JRC —> оо гмакс —> 0 на гра­нице «металл-раствор» электриче­ский ток отсутствует, электрохими­ческая коррозия переходит в химическую.