§ 42. Коррозия металлов

Определения и обозначения

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие взаимодействия с окружающей средой. Изделие при этом теряет прочность, а конструкции, трубы и механизмы могут выходить из строя. Знание причин коррозии помогает оценивать срок службы материалов и выбирать защиту.

Химическая коррозия — разрушение металла при непосредственном взаимодействии с веществами среды без возникновения электрического тока. Она возможна, например, в сухих горячих газах, содержащих кислород, или в агрессивных жидкостях. Это понятие помогает распознать коррозию там, где нет электролита и влажной плёнки.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в электролите или во влажной среде, связанное с работой микрогальванических элементов. Электролит — проводящая растворёнными ионами жидкость; её роль может выполнять влага с растворёнными солями. Разделение поверхности на участки помогает объяснить, почему металл окисляется неравномерно.

Ингибитор коррозии — вещество, замедляющее коррозионное разрушение металла. Ингибитор добавляют в среду, например в охлаждающую жидкость или раствор, либо вводят в состав защитной системы. Он снижает скорость реакций на поверхности, но не заменяет правильный выбор материала и контроль условий.

Как это устроено

Многие металлы в природных условиях устойчивее в виде соединений, чем в чистом состоянии. Поэтому контакт с кислородом, водой и другими веществами может возвращать металл в более устойчивую форму. При таком переходе атом металла отдаёт электроны, то есть окисляется, а окислитель принимает их. Коррозия — один из путей, по которым металл самопроизвольно превращается в соединения.

При химической коррозии окислитель соприкасается с металлом непосредственно, и между участками поверхности не требуется электролитическая цепь. Атомы металла отдают электроны окислителю, например кислороду в горячем газе; кислород принимает электроны, и образуются оксиды или другие продукты коррозии. Такая реакция возможна также при контакте с некоторыми компонентами горячего газа. Защитная плёнка иногда замедляет процесс, если она плотная и не пропускает реагенты, но рыхлый слой не изолирует металл полностью.

Электрохимическая коррозия возникает, когда на поверхности есть электролит — вода с растворёнными солями, кислотами или другими веществами. Из-за неоднородности металла и среды отдельные участки поверхности приобретают разные свойства и образуют микрогальванические элементы. На анодном участке металл окисляется и переходит в раствор в виде ионов, отдавая электроны; на катодном участке окислитель, часто кислород, принимает эти электроны и восстанавливается. Влага обеспечивает движение ионов, поэтому без электролитической плёнки такой процесс обычно идёт значительно медленнее.

При электрическом контакте двух разных металлов во влажной среде также образуется гальваническая пара. Более активный металл легче отдаёт электроны и становится анодом, поэтому он окисляется; менее активный металл служит катодом. Например, при контакте железа с медью во влажном растворе быстрее разрушается железо. Чем лучше электрический контакт и чем активнее электролит, тем заметнее может быть ускорение коррозии анодного металла.

Скорость процесса зависит от состава и состояния металла, температуры и состава среды. Влажность создаёт электролитическую плёнку, соли повышают её проводимость, а контакт с другим металлом может сформировать гальваническую пару. Покрытие препятствует контакту с окружающей средой, легирование изменяет свойства самого металла, а ингибитор замедляет реакции в среде. Для защиты выбирают сочетание способов с учётом того, где и как будет работать изделие.

Сравнение видов коррозии металлов

Чтобы определить вид коррозии, сначала выясните, есть ли в условиях электролит или влажная плёнка. Затем проверьте, происходит ли прямое взаимодействие металла с газом или другим веществом либо на поверхности работают анодные и катодные участки. Последняя строка таблицы подсказывает, какие способы защиты соответствуют каждому механизму.

Разбор задач

Окисление железа в сухом горячем кислороде

Определите вид коррозии, если железное изделие окисляется в сухом горячем кислороде. В условии указаны и окислитель, и состояние среды, поэтому важно не ограничиваться словом «окисление». Сопоставим эти сведения с признаками двух видов коррозии.

1. Проверяем, есть ли вода с растворёнными веществами. Кислород сухой, значит, электролитическая плёнка не образуется.

2. Устанавливаем механизм: атомы железа непосредственно отдают электроны кислороду. Разделение поверхности на анодные и катодные участки с переносом ионов через электролит для такого процесса не требуется.

3. Сравниваем условия с определением химической коррозии. Прямое взаимодействие металла с компонентом горячего газа без электролита соответствует её признакам.

Ответ: происходит химическая коррозия железа. В результате реакции образуются продукты окисления железа.

Железный гвоздь во влажном воздухе

Железный гвоздь находится во влажном воздухе. Нужно объяснить, почему вода ускоряет его разрушение и как участвует кислород. Нельзя считать воду только реагентом: здесь она прежде всего помогает протекать электрохимическому процессу.

1. Влага оседает на поверхности гвоздя и растворяет небольшое количество веществ из воздуха. Получившаяся плёнка проводит ионы, то есть работает как электролит.

2. Неоднородные участки железа становятся анодными и катодными областями микрогальванических элементов. На аноде железо отдаёт электроны и переходит в раствор в виде ионов, поэтому металл разрушается.

3. Электроны перемещаются к катодным участкам, где кислород принимает их и восстанавливается. Вода и растворённые вещества поддерживают перенос ионов, а кислород участвует в катодной реакции.

Ответ: вода ускоряет электрохимическую коррозию, создавая проводящую плёнку. Железо окисляется на анодных участках, а кислород восстанавливается на катодных.

Железо и медь в растворе соли

Железная и медная пластины соединены и помещены во влажный раствор соли. Требуется определить, какой металл будет разрушаться быстрее, и предложить защиту. Здесь нужно учесть не только свойства каждого металла, но и то, что они соприкасаются в электролите.

1. Сравниваем металлы по ряду активности. Железо активнее меди, поэтому легче отдаёт электроны.

2. Поскольку пластины соединены и находятся в электролите, формируется гальваническая пара. Железо становится анодом и окисляется, а медь — катодом, на котором идёт восстановление окислителя.

3. Чтобы замедлить процесс, можно покрыть пластины изолирующим материалом так, чтобы исключить их электрический контакт и доступ раствора к металлу. Покрытие должно оставаться целым: открытый участок способен стать местом ускоренной коррозии.

Ответ: быстрее разрушается железо. Его защищают, например, изоляционным покрытием, которое разрывает контакт с медью и отделяет металл от электролита.

Типичные ошибки

Ошибка — называть любое механическое повреждение коррозией. Её допускают, потому что внешне скол, трещина и разрушение от ржавления могут выглядеть похоже. Проверьте себя: коррозия обязательно связана с химическим или электрохимическим взаимодействием металла со средой, а не только с ударом или нагрузкой.

Ошибка — считать процесс электрохимическим лишь потому, что в реакциях участвуют электроны. Электроны участвуют и в обычных окислительно-восстановительных реакциях, поэтому этого признака недостаточно. Чтобы проверить себя, найдите электролит и выясните, разделены ли анодный процесс окисления металла и катодное восстановление окислителя.

Ошибка — ожидать, что в паре железо—медь быстрее разрушится медь. Такое предположение возникает, если внимание сосредоточено на том, что медь менее активна, но именно большая активность железа означает его склонность отдавать электроны. Сверьтесь с рядом активности: во влажной среде железо становится анодом и окисляется.

Ошибка — считать любое покрытие безусловной защитой, даже если на нём есть повреждение. Покрытие отделяет металл от среды только пока сохраняет целостность; при дефекте открытый участок может корродировать интенсивнее. Проверьте, какой металл обнажён и как он взаимодействует с покрытием: активность металлов в паре влияет на результат.

Связь с другими темами

Для понимания коррозии нужны окислительно-восстановительные реакции: металл окисляется, отдавая электроны, а окислитель их принимает. Ряд активности металлов помогает предсказать, какой металл станет анодом при контакте с другим. Это связывает коррозию с гальваническими элементами, в которых также работают анодные и катодные участки.

Тема пригодится при изучении электролиза и электрохимической защиты: в обоих случаях важны реакции на электродах и перенос зарядов. Знание механизмов коррозии помогает выбирать материалы и защитные методы для техники, труб и строительных конструкций. Оно также позволяет объяснить, почему условия эксплуатации влияют на срок службы металлических изделий.

Что запомнить

• Коррозия — самопроизвольное разрушение металла под действием окружающей среды.

• При коррозии металл обычно окисляется.

• Химическая коррозия идёт при непосредственном взаимодействии металла с компонентами среды.

• Электрохимическая коррозия протекает в присутствии электролита и включает анодные и катодные процессы.

• При контакте разных металлов во влажной среде активный металл обычно разрушается быстрее.

• Коррозию замедляют покрытия, легирование, ингибиторы и электрохимическая защита.