"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов при взаимодействии с окружающей средой. Она сокращает срок службы конструкций, труб, машин и других изделий, поэтому важно понимать, от чего зависит скорость процесса и как его замедлить. Коррозия бывает химической и электрохимической: во втором случае на поверхности возникают анодные и катодные участки. Разобравшись в их работе, можно объяснить ржавление железа и выбрать подходящий способ защиты.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов при взаимодействии с окружающей средой. Металл при этом обычно окисляется, то есть отдаёт электроны и переходит в соединения. Коррозия ослабляет конструкции и портит изделия, поэтому её причины нужно учитывать при выборе материалов и условий эксплуатации.
Химическая коррозия — разрушение металла в результате окислительно-восстановительной реакции с компонентами среды без возникновения электрического тока. Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — процесс передачи электронов между частицами. Это определение помогает отличить непосредственную реакцию металла с газом или неэлектролитом от коррозии с участием электролита.
Электрохимическая коррозия — разрушение металла в среде электролита, при котором на разных участках поверхности идут анодные и катодные процессы. Электролит — среда с подвижными ионами, проводящая электрический ток. Такое разделение участков объясняет, почему металл растворяется не одинаково по всей поверхности.
Пассивирование — снижение коррозионной активности металла благодаря образованию защитной плёнки на его поверхности. Плёнка затрудняет доступ среды к металлу или замедляет перенос частиц. Понимание пассивирования позволяет объяснить, почему некоторые металлы устойчивы благодаря тонкому поверхностному слою.
Коррозия начинается, когда металл отдаёт электроны частицам окружающей среды, например кислороду. Насколько быстро это происходит, зависит от активности металла и условий контакта: температуры, влажности и состава среды. Поэтому один и тот же материал может сохраняться долго в сухом воздухе, но быстрее разрушаться в воде с растворёнными солями. Последствия особенно заметны там, где потеря металла ослабляет важную конструкцию.
При химической коррозии поверхность непосредственно контактирует с газом или неэлектролитом, и перенос электронов происходит в ходе прямой реакции. Например, при нагревании железа в кислороде может образоваться смешанный оксид: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄. Магний в кислороде также окисляется: 2Mg + O₂ → 2MgO. В обоих случаях электролит не нужен, поэтому такой процесс относят к химической коррозии.
Электрохимическая коррозия возможна, когда поверхность соприкасается с электролитом и на ней возникают участки с разными электродными потенциалами. Разность потенциалов создаёт условия для переноса электронов: анодный участок отдаёт их, а катодный принимает. На аноде поэтому идёт окисление металла, например Fe → Fe²⁺ + 2e⁻, и атомы переходят в раствор в виде ионов. На катоде восстанавливается окислитель, принимающий эти электроны; сами участки соединены внутри металла, а ионы перемещаются в электролите.
Во влажном воздухе на железе образуется тонкий слой воды, который растворяет вещества из воздуха и становится электролитом. На анодных участках железо окисляется: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. На катодных участках растворённый кислород восстанавливается в присутствии воды: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. Ионы Fe²⁺ взаимодействуют с гидроксид-ионами, а продукты затем окисляются и превращаются в гидратированные оксиды железа — ржавчину переменного состава.
Скорость коррозии меняют влажность и состав среды: вода и растворённые соли обычно облегчают движение ионов. При контакте разных металлов анодом часто становится более активный металл, а защитная плёнка может затруднить контакт с окислителем. Покрытия изолируют поверхность, легирование меняет свойства сплава, а ингибиторы замедляют реакции в среде. Если плёнка повреждена, среда достигает металла; контакт покрытия с основой также может повлиять на скорость разрушения.
| Признак | Химическая коррозия | Электрохимическая коррозия |
|---|---|---|
| Характерная среда | Сухие газы или неэлектролиты | Влажная среда или раствор электролита |
| Участие электролита | Не требуется | Необходимо для протекания процесса |
| Где протекает окисление металла | При непосредственной реакции с компонентом среды | На анодных участках поверхности |
| Пример процесса | Окисление железа в сухом кислороде при нагревании | Ржавление железа во влажном воздухе |
| Способы защиты | Защитные покрытия, жаростойкие сплавы | Покрытия, легирование, ингибиторы |
Сначала определите, есть ли в условиях электролит: это помогает различить два вида коррозии. Затем проследите, где металл отдаёт электроны и какой компонент среды их принимает. Строка о защите показывает общие способы замедлить процесс, но конкретный выбор зависит от условий эксплуатации.
Условие: железное изделие нагревают в сухом кислороде; нужно определить вид коррозии и записать реакцию. Ключевое слово — «сухом»: электролитной плёнки на поверхности нет. Значит, окислитель непосредственно реагирует с железом, и процесс относится к химической коррозии.
Ответ: химическая коррозия; 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄. В зависимости от условий могут образовываться и другие оксиды, но для данного примера достаточно указанного уравнения.
Условие: железная пластинка касается медной и находится во влажном воздухе; требуется определить, какой металл разрушается быстрее, и назвать процессы. Влага создаёт электролит, а контакт металлов позволяет электронам переходить между участками. Железо активнее меди, поэтому в этой паре оно становится анодом.
Ответ: быстрее разрушается железо; оно является анодом, а медь — катодом. Учитывайте, что результат определяют не только названия металлов, но и среда, в которой они соприкасаются.
Условие: через раствор пропускают ток I = 2,0 А в течение t = 1,0 ч; железо переходит в раствор как Fe²⁺, выход по току равен 100%. Требуется найти массу. Переход Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ означает, что на один атом железа приходится z = 2 электрона, поэтому в законе Фарадея используем это значение.
Ответ: при выходе по току 100% в раствор перейдёт около 2,1 г железа. Проверка здравого смысла: при увеличении силы тока или времени заряд растёт, а вместе с ним растёт и масса растворившегося металла.
Ошибка: считать любую коррозию химической. Так думают, потому что коррозия всегда связана с химическими реакциями, но название вида зависит от механизма процесса. Проверьте, есть ли электролит и разделены ли участки на анодные и катодные: если да, коррозия электрохимическая.
Ошибка: путать анод и катод. В обычных рассуждениях об электродах запоминают их названия отдельно от реакций, поэтому легко перепутать роли. На аноде всегда идёт окисление, а при коррозии там металл отдаёт электроны и растворяется. Проверка — записать полуреакцию и убедиться, что электроны стоят справа.
Ошибка: считать ржавчину чистым Fe₂O₃. Такую формулу связывают с красно-бурым цветом, однако ржавчина образуется при нескольких последовательных превращениях. Это смесь соединений железа переменного состава, часто содержащая воду. Проверяйте, не приписываете ли реальному продукту коррозии одну точную формулу без оговорок.
Ошибка: полагать, что любое металлическое покрытие защищает одинаково. Покрытие может повреждаться, а контакт разных металлов во влажной среде — образовывать гальваническую пару. Тогда разрушение основы в месте дефекта способно ускориться. Уточните, какой металл обнажён и как он взаимодействует с покрытием и электролитом.
Для объяснения коррозии нужны знания об окислении и восстановлении, степенях окисления и электронном балансе: они помогают записать реакции на аноде и катоде. Понятия электролитической диссоциации и электродов объясняют перенос ионов и электронов при электрохимическом процессе. Эти знания пригодятся при изучении металлов и сплавов, электрохимии и способов защиты материалов. Тема связана и с экологией: коррозия приводит к потерям сырья, энергии и загрязнению продуктами разрушения.
Чем химическая коррозия отличается от электрохимической?
При химической коррозии металл непосредственно реагирует с компонентом среды, а анодные и катодные участки не разделяются. Электрохимическая коррозия протекает в электролите: на разных участках поверхности идут окисление металла и восстановление окислителя.
Почему железо быстрее ржавеет во влажном воздухе?
Влага образует на поверхности тонкий слой раствора, который служит электролитом. В нём легче протекают раздельные анодные и катодные реакции, а растворённый кислород восстанавливается на катодных участках.
Как определить, какой металл будет разрушаться при контакте двух металлов?
Сравнивают их электродные потенциалы в данной среде: более активный металл обычно становится анодом и окисляется. Например, при контакте железа с медью во влажном воздухе анодом будет железо.
Почему повреждение защитного покрытия может ускорить коррозию?
Через повреждение среда получает доступ к металлу, а вода с растворёнными веществами может образовать электролит. Если покрытие выполнено другим металлом, контакт между ним и основой способен создать гальваническую пару и ускорить растворение основы.
Какие способы защиты металлов от коррозии используют на практике?
Изделия покрывают краской, лаком, пластмассой или слоем другого металла, чтобы изолировать поверхность от среды. Также применяют легирование, пассивирование и ингибиторы — вещества, замедляющие коррозионные реакции.
§ 19. Коррозия металлов
