Если считать, что растворение металлов в кислотах протекает по электрохимическому механизму, а в настоящее время справедливость этой точки зрения, если исключить особые случаи растворения металлов при сильно отрицательных потенциалах, ни у кого сомнений уже не вызывает, то напрашивается однозначный вывод: ингибиторы могут изменять скорость растворения лишь в том случае, когда они будут влиять на кинетику электрохимических реакций, лежащих в основе коррозионного процесса. Далее, если придерживаться тех же принципов, которые мы положили в основу рассмотрения механизма действия неорганических ингибиторов (влияние на кинетику электрохимических реакций), то, используя основные уравнения, определяющие зависимость скорости выделения водорода и ионизации металла от потенциала, можно проанализировать все возможные пути изменения ингибиторами скорости коррозионных процессов.
В связи с тем, что органические ингибиторы проявляют защитные свойства, в основном воздействуя на процесс выделения водорода, рассмотрим основные закономерности разряда ионов водорода на металлах.
Исходя из того, что наиболее медленной стадией в процессе выделения водорода является элементарный акт присоединения электрона к иону гидроксония, можно написать обычное кинетическое уравнение для реакции первого порядка, в котором скорость реакции (здесь /к) зависит от концентрации реагирующих частиц [НзО+] и энергии активации следующим образом:
‘к = k [Н30+] exp (W i/RT) (4,1)
где k — константа скорости реакций.
Энергия активации зависит от потенциала
W1 = W° + аЯр (4,2)
где W’]—энергия активации при потенциале <р; W°—энергия активации при потенциале ф=0; о — коэффициент массопереноса; F—число Фарадея.
Подставляя в (4,1) уравнение (4,2), получаем выражение для плотности катодного тока:
«к = k [Н,0+] exp (-W°i/RT) exp (—a, E<f/RT) (4,3)
ИЛИ
ік = ki [H30+]exp ^ ~RT~ j (4,4)
где k± = k exp (—«7° fRT)
Кроме изложенных выше соображений при выводе кинетических уравнений реакции выделения водорода необходимо также иметь в виду, что на скорость реакции, протекающей на границе раздела фаз металл — электролит, в условиях, когда на электроде имеется определенный заряд, большое влияние оказывает электростатическое взаимодействие между этим зарядом и разряжающимся ионом. Прямым следствием указанного взаимодействия является изменение концентрации реагирующих частиц на поверхности металла, а следовательно, и изменение скорости самой электрохимической реакции.
Допуская, что ион гидроксония может разрядиться, лишь подойдя вплотную к электроду, следует в расчет принимать ту его концентрацию, которая имеется вблизи электрода на расстоянии, не превышающем диаметра иона. Она определяется уравнением
[Н30% = [Н30+] exp (-Ws/RT) (4,5)
где [Н30+]д и [Н30+] — концентрации ионов гидроксония в ■поверхностном слое и в объеме соответственно; — избыточная энергия иона, реагирующего в поверхностном слое при действии одних электростатических сил.
Избыточная энергия реагирующего иона связана с потенциалом электрода следующим соотношением:
Ws-ni*h (4,6)
где п—валентность реагирующего иона; F—число Фарадея; грі — среднее значение электростатического потенциала на расстоянии примерно одного ионного радиуса от поверхности электрода.
Для того чтобы понять физический смысл потенциала фі, рассмотрим строение двойного слоя. Как известно, на границе раздела фаз металл — электролит возникает электрический слой, образованный отрицательными или положительными зарядами, имеющимися на поверхности металла, и ионами противоположного знака, располагающимися вблизи электрода в растворе. Не следует, однако, думать, что все ионы двойного слоя одинаково сильно связаны с поверхностью электрода. Благодаря кинетическому движению ионов, с одной стороны, и электростатическому взаимодействию между ионами и электродом, с другой стороны, получается определенное распределение ионов. вблизи поверхности электрода. Часть ионов прочно связана с поверхностью, мало подвижна и расположена на близком расстоянии от поверхности (радиус иона). Это плотный, или так называемый гельмгольцевский, слой. Другая часть ионов гораздо слабее связана с поверхностью электрода, более подвижна и простирается на расстояние, превышающее радиус иона. Она образует так называемый диффузный слой, в котором имеется определенное распределение ионов. Концентрация ионов, несущих заряд, противоположный заряду поверхности металла, убывает по мере удаления от поверхности электрода, а концентрация ионов, имеющих такой же заряд, как и заряд электрода, возрастает с увеличением расстояния от электрода.
При движении фаз одна относительно другой ионы, находящиеся в плотном слое, остаются неподвижными, в то время как ионы диффузного слоя могут перемещаться, например, вместе с движущейся жидкой фазой. В результате в двойном слое может иметь место различное распределение зарядов и потенциала. Вследствие кинетического движения некоторая часть ионов, которые притягиваются электростатическими силами к поверхности электрода, рассеивается и заряд плотного слоя может стать меньше заряда металла. Поверхность металла будет притягивать недостающее число ионов, которые располагаются уже в диффузной части двойного слоя.
Зависимость между плотностью зарядов на металле pi, плотностью зарядов в плотной части двойного слоя р2 и плотностью зарядов в диффузной части рз может быть следующей:
—Рі = Р2 + Рз (4,7)
При таком распределении зарядов падение потенциала в плотной и диффузной частях двойного слоя может быть изображено схемой, представленной на рис. 4,1а. На расстоянии от поверхности,
и
меньшем радиуса иона, где фактически нет зарядов (ион не может подойти к поверхности ближе, чем на расстояние d), падение потенциала в электролите будет происходить по прямолинейному закону (отрезок ВС). За пределами плотной части двойного слоя падение потенциала будет происходить более медленно по кривой CD. Общее падение потенциала фа между металлом и электролитом равно сумме падений потенциала в плотной части двойного слоя фі и в диффузной части (£):
Фа = Фх + £
Очевидно, что £ — потенциал на таком расстоянии от электрода, где электролит уже начинает двигаться относительно электрона. В самом деле, когда система находится в покое, количество отрицательных зарядов на металле в точности равно количеству зарядов в обоих ионных слоях и система электрически нейтральна. Если перемещать электролит относительно электрода, ионы в плотной части двойного слоя останутся неподвижно связанными с электродом, а ионы диффузной части могут сдвинуться. Система в этом случае уже не является электронейтральной, а заряжается до потенциала £. Последний обнаруживается при относительном движении двух фаз, на границе которых он возник, и носит название электрокинетического потенциала, или ^-потенциала.
В рассмотренном нами случае знак электрокинетического потенциала совпадает со знаком электрохимического потенциала электрода. Могут, однако, наблюдаться и обратные случае, когда электрохимический и электрокинетичеекий потенциалы будут иметь противоположные знаки. Вследствие специфической адсорбции, т. е. адсорбции, не обусловленной чисто электростатическими силами, число ионов, находящихся в плотной части двойного слоя
и прочно связанных с электродом, может быть таким, что плотность зарядов в этом слое превысит плотность зарядов на электроде. Тогда электрод притянет к себе извне определенное число ионов, имеющих, однако, заряд, противоположный заряду ионов, находящихся в плотной части двойного слоя. Эти избыточные ионы не будут прочно связаны с электродом. Распределение потенциалов в плотной и диффузной частях двойного слоя в этом случае характеризуется кривой рис. 4,16. Связь между электрохимическим и электрокинетическим потенциалами, а также распределение зарядов будут определяться при этом следующими соотношениями:
Фа = <Р*-?2 (4,9)
—Pi = p*— Ps (4,10)
Ра > Pi (4,11)
Электрокинетический потенциал, как уже указывалось, обнаруживается при сдвиге одной фазы относительно другой и может быть вычислен из скорости движения частицы в электрическом поле или непосредственно измерен. Электрокинетический потенциал значительно меньше электрохимического и зависит от концентрации электролита:
[НС1], н…. 0,1 0,01 0,001
ф, В………………… 0,7 0,7 0,7
£, В…………………. 0,070 0,124 0,180
В разбавленных растворах значительная часть ионов находится в диффузной части двойного слоя и в ней наблюдается заметное падение потенциала, В концентрированных растворах, наоборот, значительная часть ионов находится в плотной части двойного слоя, диффузная часть практически отсутствует и падение потенциала е ней ничтожно. Падение потенциала приходится полностью на плотную часть двойного слоя. Электрокинетический потенциал приближается к нулю.
Значение t можно, по мнению Фрумкина, отождествлять с падением потенциала в диффузной части двойного слоя лишь в достаточно разбавленных растворах, в которых потенциал в диффузной части с изменением расстояния от электрода меняется слабо. Поэтому падение потенциала в диффузной части двойного слоя предлагается им обозначать через фі. Значение фн-потенциала можно рассчитать на основании теории двойного слоя.
Уравнение для положительного значения фі-потенциала имеет вид
const +
RT
ЧЧ = —В + — у — In с
где Ф—потенциал у поверхности электрода, отнесенный к потенциалу в середине раствора, условно принимаемому за нуль; с—концентрация одно-однозарядного электролита в растворе.
Учитывая (4,5) и (4,6), можно написать выражение для концентрации участвующих в реакции ионов водорода вблизи электрода
[H30+]s = [Н30+] exp (-Fb/RT) (4,15)
Из (4,13) можно заключить, что по мере сдвига потенциала электрода ф в отрицательную сторону от потенциала точки нулевого заряда (это наблюдается при катодной поляризации) ^-потенциал приобретает отрицательное значение и поверхностная концентрация ионов водорода становится больше объемной. Из (4,12) и (4,13) следует также, что фі-потенциал зависит от общей концентрации электролита в растворе, которая влияет на строение двойного слоя и поверхностную концентрацию ионов водорода.
Таким образом, при выводе кинетических уравнений необходимо учитывать, что имеется разница между поверхностной концентрацией и объемной, и принять во внимание, что на изменение энергии иона водорода, находящегося на расстоянии ионного радиуса, оказывает влияние не общий потенциал электрода ф, а потенциал в той плоскости, где находится центр иона, т. е. ф—%. Поэтому энергия активации процесса разряда ионов водорода определится уравнением
W-i = W{ — f — aF (ф — <Рі) (4,16)
Тогда кинетическое уравнение для реакции разряда ионов водорода можно написать в следующем виде:
‘к = k [H30+]sexp {-WJiRT)] (4,17)
Подставляя значение [НзО+] ,и WT из (4,15) и (4,16) в (4,17), получаем
«к = k [Н30+] exp (—FtyJRT) exp {[—W° + aF (4~’\)]KRT) (4,18)
или
ія = кг [Н30+] exp![-F (аф + mmRT)} (4,19)
Из уравнения (4,19) следует, что скорость разряда ионов водорода должна определяться не только потенциалом электрода, но и падением потенциала в диффузной части двойного слоя. Все факторы, которые оказывают влияние на фі-потенциал, будут изменять и скорость реакции. При отрицательном значении фі-потен — циала скорость процесса при заданном потенциале возрастает, а при положительном значении — падает.
Решая уравнение (4,19) относительно потенциала, получаем
Перенапряжение водорода будет определяться уравнением 1 _4_ ос 1 a RT RT
% = + “5—’Ч>1—а—————- Г 1п [Нз°+1 + ^Г 1п ‘к (4.21)
Эти закономерности позволяют объяснить влияние на перенапряжение водорода поверхностно-активных ионов и молекул. Учитывая строение двойного слоя (см. рис. 4,1), можно заключить, что адсорбция катионов в плотной части двойного слоя (поверхностно-активные ионы адсорбируются именно здесь) при наличии отрицательного заряда поверхности электрода должна привести к уменьшению ^-потенциала, т. е. к сдвигу его в положительную сторону, который в соответствии с уравнением (4,21) приведет к уменьшению концентрации ионов водорода в поверхностном слое и увеличению перенапряжения. Адсорбция поверхностно-активных анионов, наоборот, приведет к уменьшению плотности положительных зарядов е плотной части двойного слоя и сдвигу ^-потенциала в отрицательную сторону, в результате чего концентрация ионов водорода в поверхностном слое будет возрастать, а перенапряжение водорода уменьшаться. При адсорбции нейтральных молекул (спиртов или кислот жирного ряда) обычно. наблюдается повышение перенапряжения водорода, что объясняется затруднением подхода иона водорода к поверхности электрода и ослаблением влияния электрического поля на энергию активации вследствие увеличения толщины двойного слоя.
Изложенное объясняет многие экспериментальные данные и факты и дает возможность путем изменения состава раствора менять перенапряжение водорода в желательном направлении, т. е. уменьшать скорость коррозионного процесса.
Из уравнения (4,14) следует, что увеличение концентрации электролита в растворе, которое может иметь место, например, при прибавлении нейтральных солей, приводит к уменьшению фі-потенциала. Последнее обусловлено сжатием двойного электрического слоя и уменьшением диффузной части, что, в свою очередь, приводит к уменьшению концентрации водорода в поверхностном слое. Подставляя в уравнение (4,21) для перенапряжения водорода значение фч-потенциала из (4,14), получаем
Чк = як + 1 а а — ^jr In с — 1 а~- — у — In [Н30+] + In і (4,22)
Из этого уравнения следует, что увеличение концентрации нейтральной соли должно приводить к росту перенапряжения. Поскольку предлогарифмический коэффициент равен RT/F, то, например, при увеличении концентрации нейтрального электролита в 10 раз перенапряжение должно возрастать на 58 мВ, что и наблюдается экспериментально.
Еще большего перенапряжения можно достичь прибавлением поливалентных катионов, поскольку добавки даже весьма незначительных количеств их приводят к сильному уменьшению паде-
Рис. 4,3. Влияние различных добавок на іполяризационньїе кривые железа зонной
плавки в 1 н. H2SO4 (фон):
І — фон; 2 — 1-Ю-2 моль/л ТБА; 5 — 1 * 10—2 моль/л сульфосалициловой кислоты;
4 — 1 * 10—3 моль/л ТБА+М0-2 моль/л сульфосалициловой кислоты.
ния потенциала фі в двойном слое. При определенной концентра-
ции ■фі-потенциал может принять даже положительное значение.
В соответствии с теорией находятся и экспериментальные данные [57]. Органические катионы, способствующие возникновению положительного адсорбционного скачка потенциала, должны по теории уменьшать скорость разряда ионов водорода и повышать перенапряжение, что на самом деле и наблюдается (рис. 4,2). При введении в 1 н. НС1 тетрабутиламмониевой соли потенциал электрода и скорость реакции линейно изменяются с логарифмом концентрации соли. При этом интересно отметить, что с увеличением числа углеродных атомов в алкильных группах уменьшается концентрация соли, необходимая для достижения эффекта, а сам эффект получается большим:
Аналогичный эффект могут вызвать и неорганические катионы; увеличение концентрации посторонней соли с однозарядным катионом (КС1) в 10 раз приводит к росту перенапряжения на 55— 56 мВ. Еще больший эффект дают нейтральные соли с поливалентными катионами; добавки 10~4 г-экв/л хлористого тантала к 0,001 н. НС1 увеличивают перенапряжение на 120 мВ.
Ингибиторы анионного типа, способствующие возникновению отрицательного адсорбционного скачка потенциала, должны в соответствии с теорией уменьшать перенапряжение водорода и увеличивать коррозию, если только они не изменяют сильно кинети
ку анодной реакции. Такой случай наблюдал Иофа [58] при исследовании влияния сульфокислоты на перенапряжение водорода и токи саморастворения (рис. 4,3).
Аналогичные эффекты наблюдали также для ртути при введении в электролит поверхностно-активных анионов (Cl-, Br~, I-). В соответствии с теорией эти анионы резко снижают перенапряжения водорода. Их действие проявляется в определенном интервале значений потенциалов, что обусловлено адсорбцией.
Обратная картина наблюдается на железе. С введением в кислые электролиты галогенид-ионов, и в особенности иодид-иона, скорость растворения железа резко падает. Для объянения этого противоречия было высказано предположение, что в кислых растворах, содержащих галогенид-ионы, «а поверхности железа возникают прочно адсорбированные слои, замедляющие как реакцию разряда ионов водорода, так и ионизацию металла. При этом допускается, что диполи поверхностного соединения располагаются своими отрицательными концами в сторону раствора, что способствует сдвигу потенциала нулевого заряда (см. ниже) в положительную сторону. Смещение же точек нулевого заряда в положительном направлении сопровождается, как будет показано ниже, увеличением перенапряжения водорода и замедлением реакции ионизации металла.
Различное влияние галогенид-ионов на ртуть и железо показывает, что переносить закономерности, установленные для систем, в которых электрод — ртуть, на системы с твердыми металлами в качестве электродов, надо с большой осторожностью.
При анализе возможного влияния адсорбированных поверхностно-активных веществ на кинетику электрохимических реакций и коррозию следует также учитывать характер коррозионной среды. Выведенные выше уравнения справедливы лишь для кислых сред. В нейтральных же и щелочных средах, в которых разряд водорода происходит из молекул воды, фі-потенциал, определяющий скорость этой реакции, будет иметь обратный знак и, следовательно, ожидаемые закономерности будут иными.
До сих пор рассматривалось влияние органических ингибиторов на реакцию разряда ионов водорода, поскольку она часто является лимитирующей в коррозионном процессе. Однако при исследовании кинетики электрохимических реакций обнаружено, что органические ингибиторы обычно оказывают определенное влияние и на кинетику анодной реакции. О механизме изменения органическими ингибиторами кинетики анодной реакции почти ничего неизвестно. Допускается, что адсорбированные вещества уменьшают концентрацию катализатора РеОНадс, определяющего общую скорость растворения железа в кислых электролитах.
Растворение железа по современным представлениям протекает в две стадии:
В первой стадии на поверхности железа возникает комплекс РеОНадс, который ускоряет вторую стадию, лимитирующую общую скорость реакции.
Влияние ингибиторов в работе [9] определяется следующим образом; Скорость растворения металла в отсутствие ингибитора описывается уравнением
h = *і<7с0н — exp [2p}(pF/(RT)] (4,25)
где k—константа скорости реакции; q—концентрация катализатора.
При малых заполнениях поверхности ионами
q = *’сОН — exp [<pF/(RT)] (4,26)
При адсорбции ингибиторов скорость растворения на свободной, поверхности (1—0) равна
*’* = h (1 -0) цсоъ-exp [2рф/7(ЯГ)] (4,27)
а концентрация катализатора
q = *’ (1 — 0) сон — exp [<pF/(RT)] (4,28)
Скорость десорбции ингибитора с закрытой поверхности пропорциональна скорости перехода ионов железа в раствор:
h = А*Є (1 -6) сон-exp [2Ц’Ф F!(RT)] (4,29)
где *з— константа скорости ионизации железа на закрытой поверхности, Р’ — коэффициент.
При этом допускается, что на покрытой ингибитором поверхности растворение металла происходит по тому же механизму, что и на свободной, но скорость меньше.
В стационарных условиях скорость адсорбции (/і) ингибитора равна скорости десорбции:
h + h = *i (4,30)
*30 (1 — 0) сон — exp [2$'(pFI(RT) + *20] = *! (1 — 0) си (4,31)
где Си — концентрация ингибитора в объеме.
( 1 ^2 1 0 ^1 *-И 1 *1 ’ Си ‘ 1 — 0 / *3 Сон — ’ 0 |
Решая уравнение (4,31) относительно потенциала, получаем уравнение, описывающее зависимость степени заполнения 0 от потенциала
Когда скорость десорбции ингибитора вследствие растворения металла мала (г’гХз) и можно считать для упрощения, что степень заполнения не зависит от потенциала; она описывается изотермой Ленгмюра
(kjk2) си
1 + (^l/^a) ся
Когда скорость десорбции велика (4<г’з), что наблюдается при более положительных потенциалах (десорбция определяется ско-
ростью растворения металла), степень заполнения поверхности ингибитором описывается уравнением: |
Уравнение (4,34) было проверено при исследовании адсорбции ионов иода и органических молекул. С его помощью удалось объяснить причины резкого уменьшения с определенного анодного потенциала наклона анодной поляризационной кривой, наблюдающееся часто в ингибированных электролитах.
Как следует из (4,34), степень заполнения ингибиторами поверхности электрода быстро падает со смещением потенциала в положительную сторону, а доля тока, приходящаяся на свободную поверхность, возрастает. В связи с этим анодные поляризационные кривые в ингибированных и неингибированном электролитах сближаются. Эффективность ингибиторов при положительных потенциалах падает.
Одновременное влияние ингибиторов кислотной коррозии на кинетику обеих электрохимических реакций приводит к тому, что стационарные потенциалы металлов изменяются незначительно. Сместить потенциал металла к значениям, при которых становится возможным формирование пассивирующего окисла, органические ингибиторы в кислотах сами по себе не в состоянии. Преимущественно их действие заключается во влиянии на кинетику катодной реакции разряда ионов гидроксония. При этом, как было показано в работе [59], как катионоактивные, так и анионоактивные добавки увеличивают перенапряжение водорода на железе, платине и меди. Это, на первый взгляд, противоречит тем теоретическим воззрениям на природу фі-потенциала, которые были выше изложены. Согласно теории, катионоактивные добавки должны повышать перенапряжение водорода, а анионоактивные — его понижать.
Однако это противоречие кажущееся лишь потому, что органические ингибиторы оказывают влияние на водородное перенапряжение не только изменяя потенциал, а и изменяя степень заполнения поверхности. Последнее затрудняет разряд ионов водорода, а также перенос катионов металла в раствор. В зависимости от того, какой эффект преобладает, водородное перенапряжение может повыситься или понизиться. В связи с этим Антропов [59] считает, что для металлов Fe, Cr, Ni, Со, Pt, скорость выделения водорода на которых лимитируется химической реакцией молиза — ции водорода, ингибирующее действие добавок должно определяться в основном экранированием поверхности. Для этих металлов независимо от электрической природы добавки наблюдается увеличение перенапряжения водорода.
Для таких металлов, как Hg, Pb, Cd и Zn, на которых выделение водорода протекает по механизму замедленного разряда, ингибирующий эффект должен определяться электрическими свой
ствами адсорбированных частиц. Анионоактивные добавки, создающие отрицательный скачок адсорбционного потенциала, понижают перенапряжение водорода на этих металлах, а катионоактивные, создающие положительный скачок адсорбционного потенциала, повышают перенапряжение. Для указанных металлов катионоактивные добавки оказываются обычно весьма эффективными, поскольку ОНИ изменяют не ТОЛЬКО электрическое поле (фі), но и защищают металл благодаря экранирующему эффекту. При этом следует иметь в виду, что адсорбция ингибиторов может изменить и лимитирующую стадию, а значит, и механизм защиты. Например, значительное повышение энергии активации ионов гидр- оксония на железе, которое наблюдали при введении катионоактивных добавок, приводит к тому, что лимитирующей стадией становится процесс разряда, в то время как в отсутствие ингибитора лимитирующей стадией является рекомбинация атомов водорода.
Что касается введения в качестве ингибиторов добавок молекулярного типа, то их эффективность зависит от того, как ориентируются диполи в двойном слое. Если молекулы при адсорбции ориентируются положительными концами в сторону металла, возникает положительный адсорбционный скачок потенциала, повышается перенапряжение водорода и уменьшается коррозия. Если же они ориентируются таким образом, что к металлу обращены их отрицательные концы, возникает отрицательный адсорбционный скачок потенциала, который должен наподобие добавки анионного типа снижать перенапряжение водорода. При использовании добавок молекулярного типа эффекты экранирования или снижения напряженности электрического поля, благодаря увеличению толщины двойного слоя, могут иногда быть значительными. В результате эффект, возникающий от определенной ориентации ингибитора ‘В двойном слое, может быть перекрыт. В связи с этим молекулярные добавки, ориентированные своим отрицательным’ концом в сторону металла, могут оказаться также хорошими ингибиторами.
Рассчитать в каждом конкретном случае, какая часть ингибирующего эффекта связана с экранирующим действием, а какая — с энергетическим эффектом, трудно, ибо для таких расчетов недостаточно исходных данных (их нельзя получить для одного металла), в особенности на твердых электродах. Если упростить кинетические уравнения для катодной и анодной реакций, допустив, что константы реакций не изменяются при введении в электролит ингибиторов, то можно по изменению стационарного потенциала Дфст рассчитать изменение адсорбционного потенциала Дфі, вызванного ингибитором, а по нему —и степень торможения коррозии Ду с помощью следующих уравнений:
(4,36)
где ba и 6к — наклоны тафелевских кривых вблизи стационарного потенциала; Ь0=2,3 RT/F; 1И и io — плотности коррозионных токов в ингибированном и неингибированном электролитах соответственно; 0—степень заполнения поверхности.
Тогда, сравнив данные расчета с экспериментальными коэффициентами торможения, можно выяснить, чем вызван ингибирующий эффект. На основании таких расчетов был сделан вывод, что механизм действия пиридиновых и анилиновых производных носит энергетический характер и связан с возникновением в двойном электрическом слое положительного адсорбционного скачка потенциала фі [59].