§ 17. Коррозия металлов. Способы защиты от коррозии

Определения и обозначения

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Иначе говоря, металл постепенно превращается в соединения и теряет свойства. Это понятие нужно, чтобы объединить разные процессы разрушения и искать для них подходящую защиту.

Химическая коррозия — разрушение металла при непосредственном взаимодействии с сухими газами или неэлектролитами без возникновения электрического тока. Окислитель принимает электроны прямо в реакции с поверхностью металла. Понятие помогает отличить такую коррозию от процессов, в которых разделены анодные и катодные участки.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в присутствии электролита с образованием анодных и катодных участков и перемещением электронов. Электролит — среда, способная проводить ток благодаря движению ионов; им может быть влажная почва или солёная вода. Это определение позволяет объяснить, почему влага и растворённые соли часто ускоряют разрушение.

Защита от коррозии — совокупность способов, замедляющих разрушение металла или предотвращающих его контакт с агрессивной средой. К ней относят покрытия, изменение состава сплава и электрохимические методы. Понятие нужно, чтобы выбирать не просто материал, а способ продлить срок службы изделия в заданных условиях.

Как это устроено

Атомы большинства металлов в обычной среде могут отдавать электроны и переходить в окисленные соединения. Такое состояние часто устойчивее, чем состояние свободного металла, поэтому взаимодействие с кислородом, водой, кислотами и другими веществами приводит к постепенному разрушению. Скорость процесса зависит от активности металла и состава среды: один и тот же материал в сухом воздухе и в солёной воде ведёт себя по-разному.

При химической коррозии металл непосредственно окисляется на поверхности, а окислитель принимает электроны в рамках единой реакции. Например, при нагревании железа в сухом кислороде образуется оксид: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃. Электролит для этой реакции не нужен, а отдельные анодные и катодные участки не определяют её ход. Поэтому химическую коррозию можно распознать по прямому взаимодействию металла с газом или неэлектролитом.

Влажность ускоряет коррозию потому, что вода растворяет соли и газы, а получившийся раствор проводит ионы. На поверхности металла возникают анодные участки, где атомы отдают электроны, и катодные, где электроны принимают частицы окислителя. Электроны перемещаются внутри металла от анода к катоду, а ионы — в растворе; так замыкается электрохимическая цепь. Чем лучше среда проводит ток и чем активнее металл, тем легче поддерживаются эти процессы.

При коррозии железа во влажном воздухе на аноде протекает окисление Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. На катоде чаще всего восстанавливается растворённый кислород: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻; в кислой среде возможно восстановление ионов водорода. Ионы железа далее взаимодействуют с гидроксид-ионами, кислородом и водой, образуя смесь соединений, которую называют ржавчиной. Она рыхлая и обычно не изолирует железо от среды, поэтому коррозия может продолжаться.

Если два разных металла соприкасаются во влажной проводящей среде, их электрохимические свойства задают распределение ролей. Менее благородный, обычно более активный металл отдаёт электроны, становится анодом и разрушается; более благородный становится катодом. Этим пользуются при протекторной защите: к стальной конструкции присоединяют активный металл, например цинк, который окисляется вместо стали. Протектор приходится проверять и заменять, поскольку он постепенно расходуется.

Виды коррозии и способы защиты металлов

Сначала определите условия: есть ли электролит, кислород и контакт с другим металлом. Затем сопоставьте их с таблицей и выберите способ, который либо изолирует поверхность, либо меняет ход электрохимических процессов. Покрытие требует контроля повреждений, а протекторную и катодную защиту нужно регулярно проверять.

Разбор задач

1. Железо в сухом кислороде

Условие. Определить вид коррозии железа при нагревании в сухом кислороде и записать уравнение реакции. Решение. Здесь важно не только наличие кислорода, но и отсутствие воды или другого электролита. Значит, электрический ток и электрохимические участки для объяснения реакции не требуются.

1. Условия соответствуют химической коррозии: железо непосредственно взаимодействует с сухим газом.
2. Железо отдаёт электроны, а кислород принимает их; образуется оксид железа(III).
3. Уравниваем число атомов железа и кислорода: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃.

Ответ. Это химическая коррозия; уравнение реакции: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃. Отсутствие электролита отличает этот случай от ржавления во влажной среде.

2. Железо и медь в солёной воде

Условие. Железная деталь соприкасается с медной в солёной воде. Нужно определить разрушающийся металл, назвать анод и катод и записать основные процессы. Соль делает воду электролитом, а контакт металлов позволяет электронам переходить от одного участка к другому.

1. Сравниваем металлы: железо активнее меди, поэтому оно легче отдаёт электроны.
2. Железо становится анодом и окисляется: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Значит, разрушается быстрее именно железная деталь.
3. Медь служит катодом; в нейтральной аэрированной воде обычно восстанавливается кислород: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻.

Ответ. Анод — железо, катод — медь; железо корродирует быстрее. Электроны идут по металлическому контакту от железа к меди, а ионный ток проходит через раствор соли.

3. Подземный стальной трубопровод

Условие. Нужно защитить стальной трубопровод в увлажнённой почве и показать процессы при использовании цинкового протектора. Почвенная влага с растворёнными солями действует как электролит, поэтому одно лишь отсутствие прямого контакта с воздухом не исключает электрохимическую коррозию.

1. Выбираем протекторную защиту: цинк электрически соединяют с трубой и размещают в контакте с влажной почвой.
2. Цинк активнее железа, поэтому становится анодом и растворяется: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻.
3. Электроны переходят от цинка к стали. Сталь становится катодом, поэтому окисление железа на ней подавляется; на катодных участках может восстанавливаться кислород.

Ответ. Подойдёт цинковый протектор, который постепенно расходуется, защищая сталь. Его состояние нужно контролировать и при необходимости заменять; альтернативой может быть катодная защита с внешним источником тока.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая коррозия является только реакцией с кислородом. Так думают, потому что ржавчина часто заметна на воздухе, но раствор электролита и разделение на анодные и катодные участки могут определять скорость и ход разрушения. Для проверки спросите себя, есть ли в условиях вода, соли и контакт разных металлов.

Ошибка — называть анодом металл, который защищён, а катодом тот, который растворяется. Это происходит из-за смешения бытового значения слов с их электрохимическим смыслом: на аноде всегда идёт окисление, а на катоде — восстановление. Проверьте роль участка по полуреакции: если металл отдаёт электроны, он является анодом.

Ошибка — считать любое покрытие надёжным даже после царапины. Последствия зависят от материала слоя: повреждение покрытия из более благородного металла может создать неблагоприятную пару и ускорить разрушение открытой основы. Проверьте, какой металл активнее, и учитывайте, контактирует ли царапина с электролитом.

Ошибка — путать протекторную и катодную защиту. В обоих случаях защищаемая конструкция становится катодом, поэтому методы легко смешать, но источник электронов различен: при протекторной защите расходуется активный металл, а при катодной используют внешний ток. Для самопроверки назовите, откуда поступают электроны и какой элемент защиты постепенно расходуется.

Связь с другими темами

Для объяснения коррозии нужны степени окисления и окислительно-восстановительные реакции: они показывают, кто отдаёт и принимает электроны. Свойства электролитов помогают понять, почему влажная почва или солёная вода проводят ток между участками металла. С электрохимическим рядом напряжений связана способность металлов становиться анодами или катодами; эта тема также продолжает изучение гальванических элементов и электролиза. На практике знания используют при выборе сплавов и покрытий, защите мостов, автомобилей, трубопроводов и других конструкций.

Что запомнить

• Коррозия — это разрушение металлов под действием окружающей среды.
• Химическая коррозия протекает без образования электрического тока.
• Электрохимическая коррозия возможна при наличии электролита и участков анода и катода.
• На аноде металл окисляется и переходит в раствор в виде ионов.
• Менее активный металл в контакте с более активным обычно защищён, а более активный разрушается.
• Металлы защищают покрытиями, легированием, ингибиторами, протекторами и внешним электрическим током.
• Эффективность защиты зависит от условий среды и сохранности защитного покрытия.