Коррозия металлов и сплавов (Дополнительный материал к главе 8)

Определения и обозначения

Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов при взаимодействии с окружающей средой. Она считается химическим или электрохимическим процессом, потому что металл вступает в реакции и меняет свой состав. Это понятие помогает отличить коррозию от механического повреждения, например царапины или удара. Корродировать могут разные металлы и сплавы, а продукты их разрушения бывают не только ржавчиной.

Химическая коррозия — взаимодействие металла с веществами среды без возникновения электрического тока. Она характерна, например, для действия сухих газов на металл при нагревании или для контакта с некоторыми неэлектролитами. При этом образуются оксиды или другие соединения. Различать этот вид нужно, чтобы связать механизм разрушения с условиями, в которых находится изделие.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в среде электролита, сопровождаемое возникновением микроскопических анодных и катодных участков. Электролит — среда с подвижными ионами, например раствор соли. На анодных участках металл окисляется, а на катодных протекает восстановление другого вещества. Это понятие объясняет, почему вода с растворёнными солями особенно опасна для многих металлических изделий.

Ингибитор коррозии — вещество, которое замедляет коррозионное разрушение металла. Оно может уменьшать скорость реакций на поверхности или затруднять их протекание. Ингибиторы добавляют в некоторые растворы и среды, где нужно продлить срок службы металлических деталей. Термин помогает назвать один из способов защиты наряду с покрытиями и удалением причин коррозии.

Как это устроено

Многие металлы в природе находятся в составе соединений, а не в свободном виде. Свободный металл может переходить в более устойчивые вещества, если вступает в реакцию с компонентами окружающей среды. Этим объясняется самопроизвольность коррозии: для неё не требуется специально прикладывать механическое усилие. Скорость перехода зависит от того, насколько легко металл реагирует и какие вещества его окружают.

При химической коррозии металл непосредственно взаимодействует с газом или неэлектролитом, поэтому электрическая цепь не возникает. Например, при нагревании железа в кислороде образуется оксид железа, а некоторые металлы реагируют с серосодержащими газами с образованием сульфидов. Такие реакции часто идут при высоких температурах, например на деталях печей и двигателей. Продукт реакции может покрыть металл плёнкой, но её защитное действие зависит от прочности и сплошности слоя.

Вода с растворёнными солями создаёт электролитную среду, в которой ионы могут перемещаться. На неоднородной поверхности возникают маленькие анодные и катодные участки: на аноде атомы металла отдают электроны и переходят в раствор, то есть окисляются. На катоде электроны принимаются частицами среды, например кислородом. Разделение этих участков позволяет реакциям идти одновременно, поэтому разрушение металла продолжается даже без заметного внешнего источника тока.

Если два разных металла соприкасаются во влажной среде, они образуют гальваническую пару — систему, в которой возможен перенос электронов между металлами. Более активный металл становится анодом и окисляется быстрее, а менее активный оказывается катодом и разрушается медленнее. Например, при контакте железа с медью в солевом растворе быстрее корродирует железо. Одного контакта металлов недостаточно: без среды, проводящей ионы, электрохимический процесс не сможет полноценно протекать.

На скорость коррозии влияют условия среды и состояние самого изделия. Влага создаёт электролитную плёнку, а растворённые соли повышают её электропроводность; кислород может участвовать в катодной реакции. Повышение температуры обычно ускоряет химические реакции, а царапины, загрязнения и неоднородности создают участки с разными условиями. Поэтому один и тот же металл может разрушаться с разной скоростью в сухом помещении, у моря и при нагревании.

Сравнение видов коррозии и способов защиты металлов

Сначала определите, какой механизм коррозии возможен в указанных условиях: прямое взаимодействие или электрохимический процесс. Затем сравните способы защиты и выясните, изолирует ли покрытие металл или само может окисляться вместо него. Особенно важно оценивать последствия повреждения слоя: одинаково выглядящие покрытия могут защищать по-разному.

Разбор задач

Гвозди в сухом и влажном воздухе

Условие: один железный гвоздь оставили в сухом воздухе, второй — во влажном. Нужно установить, где разрушение пойдёт быстрее, и объяснить роль влаги. Рассуждаем о том, какие условия нужны для электрохимической коррозии. Сравнивать нужно одинаковые гвозди, различающиеся только влажностью среды.

1. В сухом воздухе на поверхности почти нет слоя воды, в котором могли бы перемещаться ионы. Поэтому электрохимическим участкам трудно работать как единой системе. Коррозия возможна и в других условиях, но при данном сравнении её скорость будет небольшой.
2. Во влажном воздухе на железе появляется тонкая водная плёнка. В ней могут растворяться вещества из воздуха, а кислород участвует в реакциях на поверхности. Значит, возникают условия для электрохимической коррозии.
3. Сопоставляем результаты: влажная среда облегчает перенос ионов, а сухая этому препятствует. Поэтому коррозия быстрее идёт на гвозде во влажном воздухе. Если влага содержит соли, процесс может ускориться ещё сильнее.

Ответ: быстрее корродирует гвоздь во влажном воздухе, потому что водная плёнка создаёт среду для электрохимического процесса.

Железо и медь в растворе соли

Условие: железная пластинка соприкасается с медной во влажном растворе соли. Требуется определить, какой металл разрушится быстрее. Здесь есть два разных металла и электролит, поэтому может возникнуть гальваническая пара. Для ответа нужно сравнить активность железа и меди.

1. Раствор соли проводит ионы и связывает участки поверхности в электрохимическую систему. Контакт пластинок позволяет электронам переходить между металлами. Оба условия — металлический контакт и электролит — присутствуют.
2. Железо активнее меди, поэтому в этой паре оно становится анодом. На аноде атомы железа окисляются и переходят в раствор в виде ионов. Медь в паре служит катодом и разрушается медленнее.
3. Сравниваем металлы по положению в ряду активности, а не по внешнему виду пластинок. Более активное железо теряет атомы быстрее. Значит, присутствие меди ускоряет разрушение железа во влажном растворе.

Ответ: быстрее разрушается железо, так как оно активнее меди и является анодом гальванической пары.

Окраска, цинкование и покрытие медью

Условие: для стального изделия во влажной среде предложены окраска, цинкование и покрытие медью. Нужно сравнить их, если слой может повредиться, и выбрать наиболее надёжный вариант. Оцениваем не только изоляцию стали, но и активность материала покрытия. Повреждённый участок становится особенно важным местом для коррозии.

1. Краска изолирует сталь от воды и кислорода, пока слой остаётся целым. Через царапину влага достигает металла, и защита на повреждённом участке ослабевает. Поэтому при окраске важны сплошность и своевременное восстановление слоя.
2. Цинк активнее железа и при повреждении покрытия окисляется первым. Он может защищать сталь электрохимически, поэтому небольшая царапина не сразу оставляет её без защиты. Именно это свойство отличает цинкование от простого изолирующего слоя.
3. Медь менее активна, чем железо. Если медное покрытие повреждено во влажной среде, контакт меди со сталью может ускорить разрушение железа. Следовательно, медь нельзя считать равноценной цинку защитой при наличии царапин.

Ответ: для влажной среды при возможных повреждениях подходит цинкование: цинк активнее железа и защищает сталь электрохимически. Окраска тоже полезна, если слой поддерживают целым, а повреждённое медное покрытие может ускорить коррозию стали.

Типичные ошибки

Ошибка — считать коррозией любое механическое повреждение металла. Её допускают, потому что царапина или вмятина заметны так же, как следы разрушения поверхности. Но механическое воздействие само по себе не является химическим взаимодействием со средой. Проверь себя: если металл лишь изменил форму или получил царапину, без реакции это ещё не коррозия.

Ошибка — сводить коррозию только к ржавлению железа. Так думают, потому что ржавчина часто встречается в быту и хорошо заметна. Корродировать могут разные металлы и сплавы, а продукты реакции бывают оксидами, сульфидами и другими соединениями. Проверь себя: уточни, какой металл реагирует и какое вещество образуется, а не называй любой продукт ржавчиной.

Ошибка — считать, что для электрохимической коррозии достаточно контакта двух металлов. Обычно её связывают с гальванической парой и забывают о переносе ионов. Но необходима среда-электролит, например вода с растворённой солью; сухой контакт сам по себе не обеспечивает такой процесс. Проверь себя: укажи и электрический контакт металлов, и проводящую ионы среду.

Ошибка — считать любое металлическое покрытие одинаково защищающим при повреждении. Путаница возникает, если учитывать только то, что поверхность закрыта другим металлом. Результат зависит от активности покрытия: цинк активнее железа и может защищать его, а медь менее активна и при повреждении способна ускорить разрушение стали. Проверь себя: сравни металлы по активности и рассмотри, что произойдёт на открытом участке.

Связь с другими темами

Для понимания коррозии нужны знания об окислении и восстановлении: на аноде металл окисляется, отдавая электроны, а на катоде идёт восстановление. Также важно знать, что электролиты проводят ток благодаря подвижным ионам, и уметь сравнивать металлы по ряду активности. Эти понятия помогают определить, какой участок или металл будет разрушаться быстрее.

Тема коррозии связана с гальваническими элементами, где химическая реакция создаёт электрический ток, и с электролизом, где электрический ток вызывает химические изменения. Знание свойств металлов и их взаимодействия со средой нужно при получении, хранении и практическом применении материалов. Оно помогает выбирать металл или сплав и подходящий способ защиты для конкретных условий.

Что запомнить

• Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под действием среды.
• Различают химическую и электрохимическую коррозию.
• Влага и растворённые соли часто ускоряют электрохимическую коррозию.
• При контакте разных металлов во влажной среде быстрее разрушается более активный металл.
• Защищать металлы можно покрытиями, ингибиторами и изменением условий среды.
• Повреждение покрытия не всегда лишает металл защиты: значение имеет материал покрытия.