"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов при взаимодействии с окружающей средой. Она портит изделия, конструкции и оборудование, поэтому важно понимать, какие условия ускоряют этот процесс и как его замедлить. Различают химическую коррозию, при которой металл непосредственно реагирует со средой, и электрохимическую, связанную с электролитом и анодными и катодными участками. Металл защищают покрытиями, выбором стойких материалов и применением более активного металла-протектора.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой. Иными словами, металл постепенно превращается в соединения под действием веществ вокруг него. Это понятие помогает описывать порчу не только железных предметов, но и конструкций из разных металлов и сплавов.
Химическая коррозия — разрушение металла при непосредственном взаимодействии с веществами среды без возникновения электрического тока. На поверхности образуются соединения металла, например оксидная плёнка. Различать этот процесс нужно, чтобы не приписывать ему анодные и катодные участки, характерные для электрохимической коррозии.
Электрохимическая коррозия — разрушение металла в электролите, при котором возникают анодные и катодные участки и протекают окислительно-восстановительные процессы. Электролит — проводящий раствор или влажная плёнка, содержащая подвижные ионы. Это определение объясняет, почему влажная среда и контакт разных металлов могут менять скорость разрушения.
Защита от коррозии — способы замедления или предотвращения разрушения металлов воздействием среды либо изменением условий их эксплуатации. К ней относятся изоляция поверхности, выбор стойкого материала и подключение более активного металла. Понимание этих способов позволяет подобрать защиту под конкретные условия, а не считать, что один метод подходит всегда.
При коррозии атомы металла теряют электроны и окисляются, переходя в соединения. То, какие именно вещества появятся, зависит от состава среды, а скорость — также от свойств самого металла и состояния его поверхности. Например, защитная плёнка иногда замедляет дальнейший контакт металла со средой, тогда как рыхлые продукты коррозии могут плохо его изолировать.
Химическая коррозия начинается, когда металл соприкасается с веществом, способным с ним реагировать, например с сухим газом или неэлектролитом. Частицы среды взаимодействуют непосредственно с поверхностью, поэтому постепенно появляется слой соединения металла. Если этот слой плотный и прочно держится, он затрудняет доступ новых частиц; если он пористый, реакция может продолжаться под ним.
Для электрохимической коррозии нужны электролит и участки поверхности, которые ведут себя неодинаково. На анодном участке атомы металла отдают электроны и переходят в раствор в виде ионов, поэтому именно там металл разрушается. Электроны перемещаются по металлу к катодному участку, где восстанавливаются частицы среды; разделение процессов позволяет реакции идти непрерывно.
Во влажном воздухе вода образует на железе тонкую плёнку и растворяет небольшие количества веществ, поэтому эта плёнка проводит ток. Кислород участвует в катодном процессе, а железо окисляется на анодных участках, в итоге образуются продукты ржавления. Растворённые соли увеличивают электропроводность плёнки и облегчают перенос ионов. При контакте железа с более благородной медью во влажной солёной среде железо становится анодом и разрушается быстрее.
Защиту выбирают так, чтобы затруднить реакцию или изменить её ход. Краска, лак и другие сплошные покрытия перекрывают доступ воды и кислорода, но при повреждении их барьер может нарушиться. Стойкие материалы медленнее взаимодействуют со средой, а протекторная защита заставляет окисляться присоединённый более активный металл. Можно также уменьшать агрессивность среды, например ограничивать её влажность или содержание растворённых солей.
| Характеристика | Химическая коррозия | Электрохимическая коррозия |
|---|---|---|
| Условия протекания | Непосредственный контакт с веществом среды; электролит не обязателен | Нужен электролит, например влажная плёнка с растворёнными ионами |
| Механизм разрушения | Прямая реакция металла с веществами на поверхности | На аноде металл окисляется, на катоде восстанавливаются частицы среды |
| Типичные примеры | Реакция металла с сухим газом при нагревании | Ржавление железа во влажном воздухе; контакт металлов в растворе соли |
| Меры предупреждения | Защитные плёнки и покрытия, выбор стойкого материала | Покрытия, протекторная защита, уменьшение влажности и содержания солей |
Сначала определите, есть ли в условиях электролит и могут ли возникать анодные и катодные участки: это поможет отличить механизмы. Затем сверьте пример и способ защиты с нужной строкой. Для реальной конструкции важно учитывать, не повредит ли покрытие и нет ли контакта разных металлов.
Задача 1. Железное изделие оставили во влажном воздухе. Определите, какой вид коррозии преобладает, и объясните роль влаги и кислорода.
Ответ: преобладает электрохимическая коррозия; влага создаёт электролит, а кислород поддерживает катодный процесс.
Задача 2. Железную пластинку и медную пластинку соединили и поместили во влажную солёную среду. Укажите, какой металл будет разрушаться быстрее, и объясните почему.
Ответ: быстрее корродирует железная пластинка, поскольку она является анодом гальванической пары.
Задача 3. Для стальной конструкции во влажной среде нужно выбрать способ защиты: покрытие краской, контакт со цинком или повышение содержания соли в воде. Сравните варианты и обоснуйте выбор.
Ответ: соль следует исключить. Для надёжной защиты можно выбрать цинковый протектор; краска тоже подходит как барьер, особенно если её слой целый. Выбор между ними зависит от условий эксплуатации и возможности следить за покрытием.
Ошибка — считать химическую и электрохимическую коррозию одним процессом. Такое смешение возникает, потому что в обоих случаях металл превращается в соединения, но только для электрохимического процесса нужны электролит и разделение анодных и катодных реакций. Проверьте себя: спросите, где возникает электролит и на каком участке металл окисляется; если ответ нужен, речь идёт об электрохимической коррозии.
Неверно утверждать, что железу для обычного ржавления достаточно только кислорода или только воды. Причина ошибки — забытая роль среды: влага обеспечивает электролит, а кислород участвует в катодном процессе, поэтому их совместное действие ускоряет разрушение. Проверка проста: перечислите условия задачи и отдельно отметьте роль каждого из двух веществ.
Не любое металлическое покрытие гарантирует защиту железа даже после повреждения. Если покрытие сделано из менее активного металла, открытое железо может стать анодом гальванической пары и разрушаться особенно быстро. Чтобы оценить риск, выясните, какой металл активнее, и проверьте, открывает ли дефект покрытия контакт стали со средой.
Протекторную защиту иногда путают с обычным покрытием, будто защищает сам нанесённый слой. На деле протектор — присоединённый более активный металл, который постепенно окисляется вместо конструкции. Проверка: определите, какой металл расходуется; если это протектор, его нужно периодически контролировать и заменять.
Для понимания коррозии нужны знания об окислении и восстановлении: они помогают определить, где металл отдаёт электроны, а где частицы их принимают. Ряд активности металлов позволяет предсказать, какой из двух соприкасающихся металлов будет анодом. Эти представления применяются при изучении электролиза и гальванических элементов, а также при получении и использовании металлов. Они помогают обоснованно выбирать материалы и защиту для бытовых предметов и промышленных конструкций.
Почему железо ржавеет быстрее во влажном воздухе?
Влага образует на поверхности железа тонкий слой раствора, который проводит электрический ток и служит электролитом. В нём возникают анодные и катодные участки, а кислород участвует в катодном процессе. Поэтому совместное действие воды и кислорода ускоряет электрохимическую коррозию.
Чем химическая коррозия отличается от электрохимической?
При химической коррозии металл непосредственно реагирует с веществами среды, например с сухим газом, и электрический ток не возникает. Электрохимическая коррозия идёт в электролите: на анодных участках металл окисляется, а на катодных восстанавливаются частицы среды.
Почему соль ускоряет коррозию металлов?
Растворённая соль повышает электропроводность влаги на поверхности металла. Благодаря этому электрохимические процессы между анодными и катодными участками протекают легче, и разрушение часто ускоряется.
Почему цинк может защищать железо даже при повреждении покрытия?
Цинк активнее железа, поэтому в контакте с ним становится анодом и окисляется первым. Он расходуется вместо железа, защищая открытый участок, пока цинка достаточно и сохраняется электрический контакт.
Какие способы защиты металлов от коррозии применяют в быту и промышленности?
Металл окрашивают, покрывают лаком, пластмассой или другим защитным слоем, чтобы изолировать его от среды. Также используют коррозионно-стойкие сплавы и протекторную защиту, при которой к конструкции присоединяют более активный металл. В промышленности могут менять состав среды и условия эксплуатации.
§ 24. Коррозия металлов и ее предупреждение
