§ 13. Коррозия металлов

Определения и обозначения

Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов при взаимодействии с окружающей средой. В результате металл теряет полезные свойства: например, прочность, способность выдерживать нагрузку или привлекательный внешний вид. Это понятие помогает говорить не только о ржавчине на железе, но и о разрушении других металлов.

Химическая коррозия — разрушение металла при прямом взаимодействии с веществами среды без возникновения электрического тока. Так происходит, например, при реакции металла с газами в сухом воздухе или с неэлектролитной средой. Это определение позволяет узнать коррозию, когда для процесса не требуется раствор, проводящий ток за счёт движения ионов.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в присутствии электролита, при котором на поверхности возникают участки с анодными и катодными процессами. Электролит — это раствор или другая среда, в которой могут перемещаться ионы. Такое определение помогает объяснить, почему металл быстрее разрушается во влажной среде, чем в сухой.

Ингибитор коррозии — вещество, замедляющее коррозионное разрушение металла. Его добавляют в среду или используют при обработке поверхности, чтобы ослабить реакции коррозии. Понятие нужно, чтобы отличать химическую защиту от изоляции металла сплошным покрытием.

Как это устроено

Многие металлы корродируют потому, что в природе и в окружающей среде более устойчивыми часто оказываются их соединения, а не свободные атомы металла. Поэтому металл может отдавать электроны и соединяться с кислородом, водой или другими веществами. Коррозия становится результатом такого перехода, а скорость процесса зависит от свойств металла и условий среды. Если условия помогают реагентам достигать поверхности, разрушение обычно идёт быстрее.

При химической коррозии металл непосредственно реагирует с газами или с неэлектролитной средой. Например, при нагревании железа в сухом воздухе кислород взаимодействует с его поверхностью, и образуются оксиды железа. Электролит для этой реакции не нужен: окисление идёт непосредственно на границе металла и газа. Поэтому пример с горячим сухим воздухом относят к химической коррозии.

При электрохимической коррозии на поверхности металла в присутствии электролита образуются участки, где протекают разные процессы. На анодном участке металл отдаёт электроны и переходит в раствор в виде ионов, то есть разрушается. На катодном участке электроны участвуют в другой реакции, например с веществами, растворёнными в воде. Перемещение электронов по металлу и ионов в электролите поддерживает эти процессы, поэтому разрушение может продолжаться.

Если два разных металла соприкасаются во влажной среде, один из них может отдавать электроны легче другого. Тогда менее устойчивый металл становится анодом и корродирует быстрее, а более устойчивый металл выступает катодом. Вода с растворёнными солями или другими веществами помогает переносить ионы и замыкает электрохимический процесс. Поэтому контакт железа с медью во влажной среде опасен прежде всего для железной детали.

Чтобы замедлить коррозию, металл отделяют от веществ среды краской, лаком или другим покрытием. Можно применять ингибиторы, которые затрудняют коррозионные реакции, либо выбирать более устойчивый металл или сплав. Выбор защиты зависит от условий: например, для влажной среды особенно важно не допускать контакта поверхности с водой и растворёнными веществами. Если покрытие поцарапано или повреждено, открытый участок снова может начать корродировать.

Виды коррозии и способы защиты металлов

Сначала сравните условия среды с первыми двумя строками таблицы: это помогает определить вид коррозии. Затем обратите внимание на механизм — прямую реакцию или работу анодных и катодных участков. Последняя строка показывает общие способы защиты, которые можно подбирать под конкретные условия.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какой вид коррозии происходит, когда железное изделие долго находится в сухом горячем воздухе. Чтобы ответить, нужно проверить, есть ли в условии электролит и как именно металл взаимодействует со средой. Сухой горячий воздух содержит газообразный кислород, но не содержит водной плёнки с растворёнными веществами. Значит, здесь рассматривают прямую реакцию железа с газом.

1. В условии указано, что воздух сухой, поэтому электролит не участвует.
2. При высокой температуре железо непосредственно реагирует с кислородом воздуха.
3. Сопоставляем это с определением: реакция металла с газом без электролита — химическая коррозия.

Ответ: происходит химическая коррозия железа.

Задача 2. Железный гвоздь находится во влажном воздухе. Объясните, почему на нём появляется ржавчина и какие условия ускоряют процесс. Влага образует на поверхности тонкую плёнку, а растворённые в ней вещества могут сделать её электролитом. Поэтому коррозия идёт не просто как реакция сухого металла с газом: появляются электрохимические участки. Чем лучше условия для переноса ионов и доступа реагентов, тем быстрее разрушается гвоздь.

1. На поверхности железа есть вода, в которой могут быть растворены вещества из воздуха.
2. В такой плёнке возникают анодные и катодные участки; на анодных участках железо отдаёт электроны и переходит в ионы.
3. Перенос ионов электролитом поддерживает коррозию, а кислород участвует в реакциях на поверхности.
4. Процесс ускоряют повышенная влажность и наличие растворённых солей или других веществ.

Ответ: ржавчина появляется из-за электрохимической коррозии железа во влажной среде; растворённые вещества и высокая влажность ускоряют её.

Задача 3. Железную деталь соединили с медной и поместили во влажную среду. Укажите, какой металл будет разрушаться быстрее, и предложите способ защитить деталь. Здесь важно учесть сразу два условия: разные металлы соприкасаются, а влажная среда может проводить ионы. В такой системе железо легче отдаёт электроны и становится анодным участком. Следовательно, быстрее корродирует железо, а защита должна прервать контакт с электролитом или исключить опасное соединение металлов.

1. Влага с растворёнными веществами служит электролитом, поэтому возможна электрохимическая коррозия.
2. Железо в контакте с медью становится анодом и отдаёт электроны, из-за чего разрушается быстрее.
3. Нужно изолировать деталь от влаги сплошным покрытием либо устранить контакт железа с медью.

Ответ: быстрее разрушается железо. Его можно защитить покрытием, не пропускающим влагу, или разъединить металлы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что коррозия бывает только у железа и всегда означает появление ржавчины. Такое представление возникает потому, что ржавчина — знакомый пример разрушения металла. Но корродировать могут разные металлы и сплавы, причём продукты разрушения не обязательно похожи на ржавчину. Проверьте себя: если речь идёт о разрушении металла средой, используйте общее слово «коррозия».

Ошибка — называть химической всякую коррозию. Это путают, потому что в обоих случаях металл взаимодействует с веществами. Но при наличии электролита и анодных и катодных процессов коррозия является электрохимической. Чтобы проверить ответ, спросите себя, есть ли в условии вода или другая среда с ионами и возникают ли электрохимические участки.

Ошибка — путать коррозию с физическим износом, например с царапинами или стиранием детали. Эти повреждения могут выглядеть похоже, но причины у них разные: коррозия связана с химическим взаимодействием металла со средой. Проверьте себя, выяснив, произошло ли изменение из-за реакции с веществами или из-за механического воздействия. Если металл реагировал со средой, речь идёт о коррозии.

Ошибка — считать, что любое покрытие навсегда и полностью защищает металл. Так думают, потому что неповреждённая краска или плёнка действительно отделяет поверхность от среды. Однако царапина открывает доступ влаге и другим веществам, поэтому коррозия может начаться на повреждённом участке. Проверяйте целостность покрытия и не забывайте, что защита действует только там, где металлическая поверхность изолирована.

Связь с другими темами

Для понимания коррозии пригодятся знания о реакциях окисления: металл может отдавать электроны и превращаться в ионы. Электрохимическую коррозию легче объяснить, если помнить, что растворы электролитов содержат подвижные ионы, а окислительно-восстановительные реакции включают передачу электронов. Эти знания связывают химические свойства металлов с электрохимическими процессами. Тема пригодится при дальнейшем изучении электрохимии и при выборе защиты металлических конструкций и изделий.

Что запомнить

• Коррозия — самопроизвольное разрушение металла под действием окружающей среды.
• Химическая коррозия происходит при непосредственной реакции металла со средой.
• Электрохимической коррозии способствует наличие электролита.
• Влажная среда с растворёнными веществами часто ускоряет коррозию.
• Контакт разных металлов может ускорить разрушение одного из них.
• Защищать металл можно покрытиями, ингибиторами и подбором устойчивых материалов.