30. Коррозия металлов

Определения и обозначения

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металла в результате его взаимодействия с окружающей средой. Это не просто поломка или истирание: при коррозии металл превращается в другие вещества. Понятие помогает отличать химическое разрушение от физических повреждений и искать его причину.

Химическая коррозия — разрушение металла при непосредственном взаимодействии с веществами среды без возникновения электрического тока. Атомы металла отдают электроны частицам, с которыми реагируют, прямо на поверхности. Это понятие используют, когда нужно описать окисление металла в среде, где нет электролита.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в среде электролита, связанное с возникновением участков с разными электрохимическими свойствами. Электролит — проводящая раствор ионов среда, например влажная солёная вода. Различение участков помогает понять, где металл разрушается и почему процесс ускоряется при контакте с влагой.

Ингибитор коррозии — вещество, замедляющее коррозию при добавлении в агрессивную среду. Оно может затруднять реакции на поверхности металла или уменьшать воздействие среды. Термин нужен, чтобы отличать такой способ защиты от изоляции поверхности покрытием или изменения состава металла.

Как это устроено

Коррозия начинается, когда металл в окружающей среде термодинамически неустойчив: ему энергетически выгоднее перейти в соединение. Такими более устойчивыми веществами часто становятся оксиды или соли. Среда предоставляет частицы, способные принять электроны металла, и тем самым запускает превращение. Поэтому один и тот же металл может корродировать с разной скоростью в разных условиях.

При химической коррозии атомы металла непосредственно окисляются компонентами среды. Окисление — процесс отдачи электронов; принимая их, частицы среды восстанавливаются. Отдельные анодные и катодные участки с переносом ионов через электролит для такого описания не требуются. Поэтому химическая коррозия характерна, в частности, для действия сухих газов и условий высокой температуры.

При электрохимической коррозии на поверхности появляются анодные и катодные участки с разными электрохимическими свойствами. На аноде атомы металла отдают электроны и переходят в раствор или соединения, то есть окисляются. На катоде частицы среды принимают эти электроны и восстанавливаются. Перенос электронов внутри металла замыкает процесс, а движение ионов в электролите поддерживает его.

Влажный воздух опаснее сухого, потому что тонкая водная плёнка с растворёнными веществами проводит ионы и служит электролитом. В ней легче поддерживается электрохимический процесс, чем на сухой поверхности. Растворённые соли повышают проводимость, поэтому коррозия часто усиливается в солёной воде. Контакт двух разных металлов во влажной среде может создать гальваническую пару: более активный металл становится анодом и разрушается быстрее.

Скорость коррозии определяется не одним фактором: важны природа металла и среды, температура, влажность и доступ кислорода. Для замедления процесса поверхность изолируют защитным покрытием, а состав сплава меняют легированием — добавлением элементов, повышающих стойкость. В агрессивную среду можно вводить ингибитор, который замедляет коррозионные реакции. Электрохимическая защита изменяет условия окисления так, чтобы замедлить разрушение защищаемой конструкции.

Виды коррозии и способы защиты металлов

Сравнивайте в таблице не только название процесса, но и условия его протекания: наличие электролита помогает отличить два вида коррозии. Строки о защите показывают, каким образом можно уменьшить воздействие среды или изменить ход реакции. При выборе способа учитывайте условия эксплуатации и возможность повреждения покрытия.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какой тип коррозии вероятнее при нагревании железа в сухом кислороде. Здесь нужно решить, есть ли условия для электрохимического процесса. Указано, что кислород сухой, поэтому электролита, проводящего ионы, нет. Следовательно, применяем признаки химической коррозии.

1. Определяем среду: железо нагревают в сухом кислороде. Влага и растворённые соли не указаны, значит, электролит отсутствует.

2. Исключаем электрохимический тип: для него нужна проводящая ионы среда и участки с разными электрохимическими свойствами.

3. Сопоставляем оставшиеся условия с определением: железо непосредственно реагирует с кислородом. Значит, происходит химическое окисление металла.

Ответ: вероятнее химическая коррозия, потому что железо взаимодействует с сухим кислородом без электролита.

Задача 2. Железный гвоздь находится во влажном воздухе. Указать, почему коррозия ускоряется и какие процессы идут на анодных и катодных участках. Сначала выясняем роль влажности: вода с растворёнными веществами может проводить ионы. Затем определяем, что происходит на каждом участке поверхности. Так мы объясняем и ускорение, и направление превращений.

1. Влага образует на железе тонкую плёнку электролита, а растворённые в ней вещества улучшают перенос ионов. Поэтому становится возможной электрохимическая коррозия.

2. На анодных участках атомы железа отдают электроны и окисляются, переходя в раствор или соединения. Именно здесь металл теряет вещество.

3. На катодных участках электроны принимают частицы среды, например кислород, растворённый во влаге. Их восстановление замыкает процесс коррозии.

Ответ: влажный воздух ускоряет электрохимическую коррозию, так как водная плёнка служит электролитом; железо окисляется на аноде, а частицы среды восстанавливаются на катоде.

Задача 3. Железная деталь соприкасается с медной во влажной солёной среде. Предсказать, какой металл будет разрушаться быстрее, и предложить подходящую защиту. Здесь важно учесть сразу три условия: металлы разные, они соприкасаются, а между ними есть электролит. Такая система может работать как гальваническая пара. Сравнение активности металлов подсказывает, какой из них будет анодом.

1. Устанавливаем наличие гальванической пары: железо и медь соприкасаются, а солёная влага обеспечивает перенос ионов.

2. Сравниваем металлы: железо активнее меди. Поэтому железо становится анодом и окисляется быстрее, тогда как медь является более благородным металлом в этой паре.

3. Подбираем защиту с учётом причины: нужно разорвать контакт металлов или не допустить доступа электролита. Для этого можно изолировать детали покрытием; также применима подходящая электрохимическая защита.

Ответ: быстрее будет разрушаться железо. Подходящие меры — изолировать железо от меди и влаги покрытием либо применить электрохимическую защиту.

Типичные ошибки

Называть коррозией любое физическое разрушение металла — ошибка, потому что коррозия связана с превращением вещества в результате химических или электрохимических реакций. Такое смешение возникает, когда любое повреждение поверхности считают одним процессом. Проверь себя: если металл только сломался от удара или стёрся, но не вступил в реакцию со средой, это не коррозия.

Смешивать химическую и электрохимическую коррозию тоже неверно. Их объединяет окисление металла, но для электрохимического процесса нужны электролит и участки с разными электрохимическими свойствами. Путаница появляется из-за того, что оба процесса приводят к разрушению. Проверь условие: есть ли проводящая ионы среда и разделение на анодные и катодные участки?

Считать, что любое покрытие защищает даже после повреждения, опасно для оценки состояния детали. Царапина открывает металлу доступ к среде, а некоторые покрытия при контакте с металлом могут ускорить его разрушение. Ошибку допускают, если учитывают только наличие покрытия, а не его целостность и сочетание материалов. Проверь, есть ли сколы и совместимы ли соприкасающиеся металлы.

Полагать, что контакт двух металлов всегда защищает оба, — неверно. Во влажном электролите более активный металл пары обычно становится анодом и корродирует быстрее, поэтому соприкосновение железа с медью может усилить разрушение железа. Ошибка возникает, когда игнорируют разницу активности металлов. Проверь себя: сравни металлы и учти, есть ли между ними электролит.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в коррозии, нужно знать окисление и восстановление: окисление означает отдачу электронов, а восстановление — их принятие. Понятия электролита и ряда активности металлов помогают объяснить электрохимический процесс и предсказать, какой металл будет разрушаться в паре. Эти знания понадобятся при изучении электрохимии и гальванических элементов, где также рассматривают перенос электронов и работу электродов. Они пригодятся и в практических задачах о защите конструкций и оборудования от коррозии.

Что запомнить

• Коррозия — самопроизвольное разрушение металла под действием среды.
• Химическая коррозия идёт при непосредственном взаимодействии металла с компонентами среды.
• Электрохимическая коррозия протекает в присутствии электролита.
• На анодных участках металл окисляется и переходит в раствор или соединения.
• Влага и растворённые соли часто ускоряют коррозию.
• Коррозию замедляют покрытия, легирование, ингибиторы и электрохимическая защита.