§ 13. Коррозия металлов

Определения и обозначения

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой. Иными словами, металл постепенно превращается в соединения, например оксиды или соли. Понятие помогает назвать общий процесс, который повреждает изделия и конструкции.

Химическая коррозия — разрушение металла при непосредственном взаимодействии с сухими газами или неэлектролитами без возникновения электрического тока. Например, нагретый металл может соединяться с кислородом воздуха. Это определение позволяет отличить такую реакцию от процесса, который идёт во влажной среде с участием электролита.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в присутствии электролита, при котором возникают анодные и катодные участки и перемещаются электроны. Электролит — среда, способная проводить ток благодаря движению ионов. Термины «анод» и «катод» помогают указать, где именно идут окисление металла и восстановление другого вещества.

Защита металлов от коррозии — совокупность способов замедления или предотвращения разрушения металла. Защита может отделить поверхность от среды или изменить условия электрохимического процесса. Это понятие объединяет практические решения для продления срока службы изделий.

Как это устроено

Коррозия является окислительно-восстановительным процессом, потому что частицы обмениваются электронами. Атомы металла обычно отдают электроны и переходят в положительно заряженные ионы, то есть окисляются. Другие частицы принимают электроны и восстанавливаются. Поэтому исходный металл постепенно расходуется, а на его месте образуются соединения, нередко рыхлые и непрочные.

При химической коррозии металл непосредственно реагирует с веществом среды, а электролит не нужен. При нагревании на воздухе металл может соединяться с кислородом; с серой образуются сульфиды, а с хлором — хлориды. Такие реакции возможны и с другими веществами, если они способны взаимодействовать с металлом. Продукт реакции часто остаётся на поверхности, но не всегда плотно её закрывает, поэтому разрушение может продолжаться.

Во влажной среде тонкий слой воды растворяет соли и газы из воздуха и становится электролитом. На разных участках поверхности возникают анодные и катодные области, потому что поверхность неоднородна: на неё влияют примеси, царапины и разница доступа кислорода. На аноде металл отдаёт электроны и переходит в раствор в виде ионов. На катоде электроны принимают кислород или ионы водорода, поэтому восстановление происходит отдельно от растворения металла.

Контакт двух разных металлов во влажной среде создаёт условия для движения электронов между ними. Более активный металл легче отдаёт электроны, поэтому обычно становится анодом и разрушается, а менее активный выполняет роль катода. Например, при контакте железа с медью в электролите железо может корродировать быстрее. Чем заметнее различие в активности металлов и чем лучше среда проводит ток, тем сильнее может быть этот эффект.

Покрытия защищают поверхность, изолируя её от воды, кислорода и других реагентов; это могут быть краска, лак или слой другого металла. Легирование — добавление элементов в металл для получения сплава, более устойчивого к коррозии. При электрохимической защите подключают более активный металл-протектор или применяют внешний источник тока, чтобы защищаемая конструкция не становилась разрушающимся анодом. Ингибиторы — вещества, замедляющие коррозионные реакции, а правильный выбор материала помогает заранее учесть условия службы изделия.

Сравнение химической и электрохимической коррозии

В таблице сопоставлены условия, механизм и продукты двух видов коррозии. Чтобы определить вид процесса в задаче, сначала проверь, есть ли электролит, а затем выясни, разделены ли реакции на анодную и катодную. Примеры и способы защиты помогают связать описание процесса с реальной ситуацией.

Разбор задач

Нагревание меди в кислороде

Условие. Определить вид коррозии и составить уравнение реакции при нагревании меди в кислороде. Здесь важно понять не только, с каким веществом реагирует медь, но и в какой среде происходит процесс. Электролит в условии не указан, значит, раствор с подвижными ионами в реакции не участвует.

1. Определяем условия: медь нагревают в кислороде, то есть металл непосредственно взаимодействует с газом.
2. Выбираем вид коррозии: раз электролита нет, это химическая коррозия, а не электрохимическая.
3. Записываем продукты: при нагревании медь окисляется до оксида меди(II), CuO. Уравниваем число атомов кислорода и меди: 2Cu + O₂ → 2CuO.

Ответ. Это химическая коррозия. Уравнение реакции: 2Cu + O₂ → 2CuO. Медь окисляется, а кислород восстанавливается, поэтому реакция относится к окислительно-восстановительным.

Ржавление железного гвоздя

Условие. Объяснить ржавление гвоздя во влажном воздухе, указать анодный и катодный процессы и назвать условия, которые ускоряют коррозию. Влага на поверхности гвоздя может растворять вещества из воздуха и проводить ионы. Поэтому рассматриваем ситуацию как электрохимическую коррозию, а не просто как сухое взаимодействие железа с кислородом.

1. На анодном участке железо отдаёт электроны и переходит в ионы: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Именно анодный процесс означает растворение и разрушение металла.
2. На катодном участке растворённый кислород принимает электроны; в нейтральной водной среде это можно записать так: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. В результате дальнейших реакций образуются соединения железа, входящие в состав ржавчины.
3. Проверяем условия: вода нужна для переноса ионов, кислород — участник катодной реакции. Соли и кислоты повышают проводимость влаги, поэтому солёная вода обычно ускоряет коррозию.

Ответ. Ржавление во влажном воздухе — электрохимическая коррозия. Железо окисляется на аноде, кислород восстанавливается на катоде. Влага, соли и кислоты ускоряют процесс, создавая более проводящую электролитную среду.

Железо и цинковая пластинка в электролите

Условие. Железную и цинковую пластинки соединили и поместили в раствор электролита. Нужно определить, какой металл будет разрушаться, записать анодный процесс и объяснить действие цинкового протектора. Сначала сравним активность металлов, а затем применим правило о том, что окисление металла идёт на аноде.

1. Цинк активнее железа и легче отдаёт электроны. При электрическом контакте в электролите он становится анодом, а железо — катодом.
2. Записываем анодный процесс: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Атомы цинка переходят в раствор в виде ионов, поэтому разрушается именно цинк.
3. Проверяем смысл защиты: пока цинк соединён с железом и доступен электролиту, он расходуется вместо железа. Такой более активный металл называют протектором.

Ответ. Разрушается цинк; анодный процесс: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Цинк защищает железо, принимая на себя роль анода и окисляясь первым.

Типичные ошибки

• Считать любую реакцию металла с кислородом электрохимической — ошибка, потому что один и тот же реагент может участвовать в разных процессах. Её допускают, ориентируясь только на кислород и не проверяя среду. Для самопроверки выясни, есть ли вода или раствор электролита и разделены ли реакции на анодную и катодную.

• Называть катодом металл, который обязательно разрушается, неверно: при коррозии металл окисляется на аноде, а на катоде идёт восстановление. Путаница возникает из-за того, что значения слов «анод» и «катод» запоминают отдельно от процессов. Проверь себя, записав, где металл отдаёт электроны: это анодный участок.

• Считать, что окраска полностью прекращает коррозию, нельзя, потому что краска лишь изолирует металл от среды. Такое представление возникает, если забыть о царапинах и отслоении покрытия. Проверь, сохраняется ли сплошной защитный слой: при повреждении влага может добраться до металла.

• Путать покрытия из менее и более активных металлов опасно, потому что при повреждении они защищают по-разному. Менее активное покрытие может оставить оголённое железо анодным участком, и оно начнёт разрушаться быстрее. Более активный металл, например цинк, сам окисляется и может защищать железо как протектор; перед выводом сравни активность металлов.

Связь с другими темами

Для понимания коррозии нужны знания о степенях окисления, окислительно-восстановительных реакциях, активности металлов и свойствах электролитов. Анодные и катодные процессы связывают тему с гальваническими элементами и электролизом: в них также важны движение электронов и перенос ионов. Позже эти знания пригодятся при изучении получения металлов, сплавов и электрохимических источников тока. Они важны и в быту и технике — при выборе материалов и эксплуатации машин, труб и сооружений.

Что запомнить

• Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающей среды.
• Химическая коррозия протекает без электролита и без образования локальных анодных и катодных участков.
• Электрохимическая коррозия обычно происходит во влажной среде или растворе электролита.
• На аноде металл окисляется и разрушается, а на катоде протекает восстановление.
• Контакт разных металлов во влажной среде может ускорить разрушение более активного металла.
• Основные способы защиты — покрытия, легирование, ингибиторы и электрохимическая защита.
• Цинк и другие более активные металлы могут служить протекторами для защиты железа и стали.