Научная статья на тему 'Электрохимическое поведение алюминия в щелочной среде'

Электрохимическое поведение алюминия в щелочной среде Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
2028
281
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АЛЮМИНИЙ / ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ / АНОДНОЕ РАСТВОРЕНИЕ / ЩЕЛОЧНЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ / ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ КРИВАЯ / ТОК КОРРОЗИИ / ПОТЕНЦИАЛ КОРРОЗИИ / ALUMINIUM / ELECTROCHEMICAL BEHAVIOR / ANODIC DISSOLUTION / ALKALINE SOLUTIONS / POLARIZATION CURVE / CORROSION CURRENT / CORROSION POTENTIAL

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Григорьева И. О., Дресвянников А. Ф.

Потенциодинамическим методом исследован процесс анодного растворения алюминия в щелочных водных растворах NaОН высокой концентрации (10-2 1,0 М). Изучено влияние концентрации раствора на электрохимические характеристики алюминиевого электрода.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The process of anodic dissolution of aluminium in alkaline aqueous solutions NaОН of high concentration (10-2-1,0 М with using of potentiodynamic method has been investigated. The influence of solution concentration on the electrochemical characteristics of aluminum electrode has been also studied

Текст научной работы на тему «Электрохимическое поведение алюминия в щелочной среде»

И. О. Григорьева, А. Ф. Дресвянников

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ АЛЮМИНИЯ В ЩЕЛОЧНОЙ СРЕДЕ

Ключевые слова: алюминий, электрохимическое поведение, анодное растворение, щелочные электролиты, поляризационная кривая, ток коррозии, потенциал коррозии.

Потенциодинамическим методом исследован процесс анодного растворения алюминия в щелочных водных растворах NaOH высокой

концентрации (102 - 1,0 М). Изучено влияние концентрации раствора на электрохимические характеристики алюминиевого электрода.

Key words: aluminium, electrochemical behavior, anodic dissolution, alkaline solutions, polarization curve, corrosion current, corrosion potential.

The process of anodic dissolution of aluminium in alkaline aqueous solutions NaOH of high concentration (102-1,0 М with using of potentiodynamic method has been investigated. The influence of solution concentration on the electrochemical characteristics of aluminum electrode has been also studied.

Алюминий - реакционноспособный металл с высоким сродством к кислороду. Тем не менее он обладает высокой стойкостью к атмосферной коррозии и к разнообразным химическим реагентам [1]. Согласно диаграмме Пурбэ [2, 3-6], реакционная способность алюминия увеличивается в кислых и щелочных растворах. Наиболее сильный рост реакционной способности алюминия происходит в щелочной среде. Ионы OH" являются сильнейшими активаторами алюминия. Активирующая способность достигает

максимальных значений при pH 15-16 (концентрация щелочи 5-7 моль/л), где скорость саморастворения составляет 150-170 г/м2-час, а коррозионный потенциал - 1,4-1,8 В [7-8]. Уменьшение скорости растворения алюминия при более высоких концентрациях щелочи связывают с образованием на поверхности металла твердых алюминатов или продуктов их гидролиза [7].

Интерес к коррозии алюминия в щелочных растворах в значительной мере определяется перспективностью его использования в источниках тока [9-11]. Низкая атомная масса алюминия наряду с высоким отрицательным стандартным потенциалом и высокой плотностью энергии делает его весьма привлекательным в качестве анодного материала в воздушно- алюминиевых батареях [10]. Наибольший интерес вызывают растворы с высокими концентрациями щелочи, в которых значительно возрастает скорость коррозии алюминия и падает эффективность действия ингибиторов [11]. В этой связи целью настоящей работы является исследование электрохимического поведения алюминия в растворах гидроксида натрия высокой концентрации (>10-2 М).

Экспериментальная часть

В качестве электролитов использовали растворы гидроксида натрия NaOH (0,01; 0,05; 0,1;

0,5 и 1,0 моль/л), которые готовили из соответствующего реактива марки «ч.д.а.» путем растворения навески кристаллического вещества в дистиллированной воде.

Объектом исследования служил стационарный электрод из алюминия марки А5 (99,50%) в виде пластины размерами 1,5 х 4,5 см с рабочей поверхностью 1 см2.

Для установления закономерностей электрохимического поведения алюминия в рабочих растворах различной концентрации использовали потенциодинамический и хронопотенциодинамический методы. Электрохимические исследования проводили при температуре 20±10С на потенциостате П-5848 в комплекте с миллиамперметром М-2020. Эксперименты проводили в трехэлектродной электролитической ячейке с разделенным катодным и анодным пространством при свободном доступе воздуха. Электродом сравнения служил хлоридсеребряный электрод марки ЭЛВ-1 (Е=0,222В), в качестве вспомогательного электрода использовали платиновый электрод. После погружения алюминиевого электрода в рабочий электролит снимали анодную поляризационную кривую (АПК) от стационарного значения потенциала электрода со скоростью развертки 2 мВ/с, последовательно смещая потенциал электрода в область электроположительных значений.

Для получения достоверных и воспроизводимых результатов проводили три параллельных

опыта.

По результатам поляризационных измерений во всех рабочих растворах методами экстраполяции тафелевских участков поляризационных кривых и поляризационного сопротивления графическим и численным методами определяли и рассчитывали параметры коррозионного процесса - потенциал и плотность тока коррозии и поляризационное сопротивление.

Результаты и их обсуждение

Оксид алюминия хорошо растворяется в щелочных растворах. При этом поверхность алюминия очищается от оксида, и стационарный потенциал алюминия приближается к значению его нормального потенциала ионизации. Обработка поверхности металла практически не отражается на величине стационарного потенциала алюминия [12]. С увеличением pH среды стационарный потенциал алюминия уменьшается до минимума. В щелочной области при рН=9-11 зависимость стационарного потенциала алюминия от pH описывается уравнением [12]:

Естац = const - 0,3pH (1)

Известно [12], что в щелочной среде при стационарном потенциале алюминий растворяется в активном состоянии, и скорость растворения возрастает при анодной поляризации. Поляризационные кривые анодного растворения алюминия в растворах гидроксида натрия (рис.1), снятые от потенциала коррозии, подтверждают это утверждение. Экспериментальные данные показывают, что увеличение концентрации раствора NaOH (до 0.5М и 1,0 М) приводит к увеличению анодной поляризации (рис. 1).

Алюминий переходит в пассивное состояние, более выраженное при низких концентрациях щелочного раствора (0,01-0,1 М), в диапазоне потенциалов от -1,2 В до -0,5 В, где достигается почти постоянный анодный ток, не зависящий от значения потенциала (рис. 1). Эта пассивная область указывает на присутствие оксидной или оксигидроксидной пленки на поверхности электрода и накопление молекул водорода в порах пленки [10]. Ионизация алюминия происходит через эту пленку [11]. Скорость окисления достаточно низкая, о чем свидетельствуют значения угла наклона тафелевских участков ПК (табл.1).

Как правило [10, 13-15], суммарную реакцию растворения алюминия в щелочных растворах записывают с образованием конечного продукта [Al(OH) 4] -:

Al + 4OH- = [Al(OH)4]- + 3e. (2)

Е,мВ

Рис. 1 - Анодные поляризационные кривые алюминия А5 (99,5%) в растворе МэОИ, моль/л :1- 0,01, 2- 0,05, 3- 0,1, 4- 0,5 5- 1,0

Таблица 1 - Результаты поляризационных измерений

Электролит Метод экстраполяции тафелевских участков Метод поляризационного сопротивления Естац, мВ

Ра, мВ/дек Р* мВ/дек Jкор, мА/см Екор, мВ Ом Jкор, мА/см2

0,01М ЫаОН 50 45 0,066 -1535 312,5 0,03 -1460

0,1М ЫаОН 115 85 100 -1550 100 0,2 -1550

0,5М ЫаОН 50 50 25 -1540 25 0,43 -1550

Процесс растворения алюминия в щелочах протекает через стадию образования и растворения промежуточной оксидной или гидроксидной пассивной пленки [13-16]. По данным работы [13] в слабощелочных растворах эта пленка имеет структуру байерита, а в сильнощелочных - гидраргиллита, причем скорость коррозии лимитируется процессом:

А1(ОН)з + ОН' = [А1(ОН) 4]". (3)

Эта реакция является лимитирующей стадией сопряженного процесса анодного растворения. Возможность растворения алюминия по активному механизму даже при очень отрицательных значениях потенциала вызывает сомнения [16], и этот термин употребляется в большинстве случаев для характеристики высокой скорости процесса.

При этом скорость растворения определяется диффузией ионов [А1(ОН) 4]" и ОН-, в частности, скоростью доставки ОН" - ионов к поверхности электрода [16].

Поляризационные диаграммы, снятые в растворах ЫаОН, показывают, что с увеличением (на порядок) концентрации гидроксида натрия (с 0,01 до 0.1 моль/л) потенциал коррозии сдвигается более, чем на 100 мВ в область более электроотрицательных значений (рис.2, табл.1), ток коррозии при этом увеличивается почти в 10 раз, а поляризационное сопротивление, соответственно, снижается (табл.1).

Е, мВ

Рис.2 - Потенциодинамические анодные (А) и катодные (К) поляризационные кривые алюминия А5 (99,5%) в растворе МэОН, моль/л :1 - 0,01, 2 - 0,1, 3 - 0,5

Обработка в щелочном растворе способствует химическому растворению естественной пленки оксида алюминия на поверхности алюминиевого электрода. При этом имеет место динамическое равновесие между растворением и ростом относительно тонкой остаточной пленки [14]. Катионы А!^3+ , образовавшиеся в результате окисления на границе раздела «алюминий - пленка оксида алюминия» проходят через пленку в

щелочной раствор и концентрируются на границе раздела пленка оксида алюминия -электролит. Ионы О2-, образовавшиеся на границе раздела “пленка - электролит”, мигрируют вместе с ионами Alaq3+ и способствуют продолжению образования AI2O3 на границе раздела «металл - пленка». Ионизация алюминия через пленку или прямой переход ионов Alaq3+ в большей степени способствует анодному растворению алюминия. В зависимости от концентрации алюминия (III) и рН раствора около границы раздела может произойти формирование геля гидроксида алюминия и последующее осаждение [13].

Имеют место следующие реакции [14]:

Анодный процесс на границе раздела алюминий - пленка оксида алюминия:

2-

2AI + 3O тв.состояние ^ AI2O3 + 6С, (4)

Al ^ AI тв.состояние + 3С, (5)

Химический процесс на границе раздела пленка - электролит:

AI2O3 + 2(х-3)ОН- + ЗН2О ^ 2[AI(OH)x]-е!, (6)

3+ — n

AI переход + xOH" ^ [AI(OH)x]гель ^ AI(OH)3| + (х-3)ОН- . (7)

Эти реакции сопровождаются катодным выделением водорода:

2Н2О + 2е ^ 2Надс + 2ОН- ^ Н2Т, (8)

Таким образом, в настоящей работе показано, что электрохимические характеристики анодного процесса зависят от концентрации NaOH: с ее увеличением

(0,01 - 0.1 моль/л) потенциал коррозии сдвигается в область более электроотрицательных значений, при росте тока коррозии на порядок.

Работа выполнена в рамках выполнения госконтракта № 02.740.11.0130 «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки композиционных керамических материалов для машино-, авиостроения, химической промышленности и стройиндустрии».

Литература

1. 1. Коррозия. Справочник / под ред. Л. Л. Шрайера. Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1987. -792 с.

2. Жилинский, В.В. Взаимодействие высокодисперсного алюминия с водой и водными растворами. Ч.1. Изучение структуры и состава поверхностной пленки при взаимодействии порошка алюминия с водой / В.В. Жилинский, А.К. Локенбах, Л.К. Лепинь // Изв. АН Латв. ССР: Сер. хим. - 1986. - № 2. - С. 151-155.

3. Pourbaix, M. Atlas d’equlibres electrochemique a 25°C / M. Pourbaix. - Paris: Gronthier-Villards, 1963. - 420 p.

4. Скорчеллети, В.В. Теоретические основы коррозии металлов./В.В. Скорчеллети - Л.: Химия, 1973. - 264с.

5. Deltombe, E. The Electrochemical Behavior of Aluminum Potential-pH Diagram of the System Al-H2O at 25°C / E. Deltombe, M. Pourbaix // Corrosion. - 1958. - V.14, № 11. - P.496-500.

6. Lowson, R.T. Aluminum Corrosion Studies. 1. Potential-pH-Temperature Diagrams for Aluminum / R.T. Lowson // Austr. J. Chemistry. - 1974.- V.27, № 1. - P.105-127.

7. Сысоева, В.В. К вопросу о коррозии алюминия в щелочных растворах / В.В. Сысоева, Е.Д. Ар-тюгина // Ж. прикладной химии. - 1985. - Т.58, № 4. - С.921-924.

8. Балезин, С.А. О растворении алюминия в щелочах / С.А. Балезин, И.И. Климов // Известия вузов. Сер. Химия и хим. техн. - 1962. - Т.5, № 1. - С.82-86.

9. Антропов, Л.И. О пименении ингибиторов коррозии в химических источниках тока / Л.И. Антропов, Н.В. Кондрашова, И.С. Погребова // Защита металлов. - 1981. - Т.17. №2. - С.147-155.

10.Emregul, K.S. The behaviour of aluminium in alkaline media. / K.S. Emregul, A.A. Aksut // Corrosion

Science. - 2000. - V. 42. - P. 2051-2067.

11.Electrochemical behaviour of aluminium in concentrated NaOH solutions. / M.L. Doche [et.al] // Corrosion Science. - 1999. - V. 41. - P. 805-826.

12.Герасимов, В.В. Коррозия алюминия и его сплавов./В.В. Герасимов - М.: Металлургия, 1967. -114 с.

13. Pinner, R The surface treatment and finishing of aluminium and its alloys / R. Pinner, S.Wernick. - Teddington.: Robert Draper Ltd, 1972. - 220 р.

14. 14. Кого1еуа Е.У. Surface moiphologicalof aluminium alloys in alkaline solution: effect of second phase material / E.V. Кого^а ^t аЬ] // Corrosion Scince.. - 1999. - V.41. - Р. 1475-1495.

15. Романенков, А.А. Электрохимическое растворение алюминия в щелочных электролитах / А.А. Романенков, В.Н. Грызлов //Электрохимия. - 1994. - Т. ЗО, № 6. - С. 774-780.

16.Синявский, В.С. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. - 2-е изд., перераб. и доп. /В.С. Синявский, В.Д. Вальков, В.Д. Калинин. - М.: Металлургия, 1986. - 368 с.

© И. О. Григорьева - канд. хим. наук, НИЧ КГТУ, nich140@mail.ru; А. Ф. Дресвянников - д-р

хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КГТУ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.