§ 34. Коррозия металлов и способы защиты от нее

Определения и обозначения

Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Иными словами, металл постепенно превращается в соединения, устойчивые в данных условиях. Это понятие помогает объяснить порчу изделий и выбрать подходящую защиту.

Химическая коррозия — разрушение металла при непосредственной реакции с веществами среды без возникновения электрического тока. Например, металл может реагировать с сухим кислородом или сероводородом, а также с некоторыми неэлектролитами. Такое определение позволяет отличить прямое химическое превращение от процесса с переносом заряда между участками поверхности.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в электролите или во влажной среде вследствие работы возникающих на поверхности анодных и катодных участков. Электролит — среда с подвижными ионами, например водный раствор соли. Различение участков важно, потому что именно на аноде металл теряет электроны и переходит в раствор.

Пассивирование — образование на поверхности металла плотной защитной плёнки, которая затрудняет дальнейшее взаимодействие металла со средой. Плёнка отделяет металл от реагентов и замедляет коррозию. Это объясняет, почему некоторые металлы устойчивы благодаря тонкому поверхностному слою соединения.

Как это устроено

При химической коррозии атомы металла непосредственно вступают в реакцию с компонентами среды и отдают им электроны. Кислород обычно принимает электроны с образованием оксидов, а сера может приводить к появлению сульфидов. Так возникают соединения, потому что металл стремится перейти в более устойчивое химическое состояние в конкретных условиях. Например, при нагревании металл может реагировать с кислородом даже без водной плёнки.

Электрохимическую коррозию запускают неоднородности поверхности: примеси, дефекты и контакт разных металлов. В присутствии электролита на одних участках идут реакции окисления, а на других — восстановления, поэтому поверхность работает подобно множеству маленьких гальванических элементов. Анод — участок, где металл отдаёт электроны и переходит в раствор в виде ионов. Электроны перемещаются к катодному участку, где их принимает окислитель.

Во влажном воздухе железо окисляется на анодных участках: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. На катодных участках кислород растворённого воздуха принимает электроны и взаимодействует с водой: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. Затем образуются соединения железа, которые со временем превращаются в сложную смесь продуктов коррозии. Водная плёнка нужна для движения ионов, а без неё этот электрохимический процесс сильно затруднён.

На скорость коррозии влияют свойства металла, влажность, температура, кислород и состав среды. Соли обычно увеличивают электропроводность водной плёнки, поэтому ионы легче перемещаются между участками; кислоты могут растворять защитные слои и участвовать в катодных реакциях. Повышение температуры часто ускоряет химические реакции. Однако точный результат зависит от конкретного металла и условий, например от того, сохраняется ли на его поверхности пассивная плёнка.

Защита основана на том, чтобы разорвать один из этапов коррозионного процесса. Покрытие отделяет металл от воды и реагентов, легирование меняет свойства самого сплава, а электрохимическая защита направляет окисление на присоединённый более активный металл. Пассивирование создаёт устойчивый поверхностный слой, а изменение среды уменьшает количество воды, кислорода или агрессивных веществ. Выбирая способ, учитывают условия эксплуатации и вероятность повреждения защиты.

Способы защиты металлов от коррозии

Сначала определите, нужно ли изолировать поверхность, изменить свойства сплава или управлять электрохимическими реакциями. Затем сопоставьте способ с примером и его особенностями: например, цинковое покрытие может защищать железо и при повреждении, а краска — нет. Для конструкций, где среду можно контролировать, полезно также уменьшать влажность и содержание кислорода.

Разбор задач

Задача 1. Объяснить, почему сухое железо корродирует медленнее железа, находящегося во влажном воздухе.

1. В сухом воздухе железо может реагировать с кислородом, но для обычной электрохимической коррозии не хватает водной плёнки.
2. Во влажном воздухе на поверхности появляется вода, в которой растворяются вещества и перемещаются ионы.
3. Такая плёнка становится электролитом, поэтому на поверхности легче возникают анодные и катодные участки и протекают сопряжённые реакции.

Ответ: во влажном воздухе железо корродирует быстрее, потому что водная плёнка обеспечивает электрохимический процесс. Сухое железо не защищено от любых реакций, но электрохимическое разрушение в нём затруднено.

Задача 2. Железное изделие покрыли цинком. Почему цинк защищает железо даже при небольшом повреждении покрытия?

1. Сравниваем металлы: цинк активнее железа и легче отдаёт электроны.
2. Во влажной среде цинк становится анодом и окисляется, а железо получает катодную защиту.
3. Пока цинк и железо электрически связаны и рядом присутствует электролит, в первую очередь расходуется цинк.

Ответ: цинк действует как металл-протектор и разрушается вместо железа, даже если покрытие немного повреждено. Со временем протектор расходуется, поэтому защиту нужно проверять и при необходимости восстанавливать.

Задача 3. Железное изделие контактирует с медью во влажной солёной среде. Какой металл будет разрушаться быстрее и как защитить изделие?

1. Контакт металлов и солёная вода создают условия для электрохимической коррозии: вода с растворённой солью служит электролитом.
2. Железо активнее меди, поэтому железо становится анодом и окисляется, а медь — катодом.
3. Можно изолировать металлы друг от друга или устранить контакт; для конструкции также применяют протектор из более активного металла.

Ответ: быстрее разрушается железо. Чтобы замедлить коррозию, нужно разорвать электрический контакт железа с медью либо организовать электрохимическую защиту с подходящим протектором.

Типичные ошибки

Считать любую коррозию химической — ошибка, потому что влажная среда может работать как электролит и поддерживать электрохимические реакции. Путаница возникает из-за того, что в обоих случаях металл превращается в соединения. Проверьте себя: если есть вода или раствор и участки анода и катода, рассмотрите электрохимический механизм.

Путать анод и катод — значит неверно определять место разрушения. На аноде металл отдаёт электроны, окисляется и переходит в раствор; на катоде электроны принимает окислитель. Для проверки запишите полуреакцию: отдача электронов указывает на анодный процесс.

Считать, что любое металлическое покрытие одинаково защищает основу, опасно. Если покрытие из менее активного металла повреждено, контакт с более активной основой может ускорить её коррозию. Сравните активности металлов и выясните, кто станет анодом при контакте во влажной среде.

Считать ржавчину чистым веществом с постоянной формулой неверно: продукты коррозии железа имеют сложный и переменный состав. Их соотношение зависит от воды, кислорода и других условий. Проверяйте себя так: если состав продукта меняется со средой и временем, не приписывайте ему одну точную формулу.

Связь с другими темами

Для понимания коррозии нужны знания об окислении и восстановлении: металл отдаёт электроны, а окислитель принимает их. Степени окисления помогают проследить изменение частиц в реакции. Электролитическая диссоциация объясняет, откуда в растворе берутся подвижные ионы, обеспечивающие перенос заряда.

Электрохимическая коррозия связана с работой гальванических элементов: в обоих случаях сопряжённые реакции идут на разных участках, а электроны перемещаются между ними. Эти представления помогают понять катодную защиту и действие протектора. Позже они пригодятся при изучении электролиза и электрохимических способов защиты конструкций.

Что запомнить

• Коррозия — самопроизвольное разрушение металла под действием среды.
• Различают химическую и электрохимическую коррозию.
• При электрохимической коррозии металл окисляется на анодном участке.
• Влага и растворённые соли часто ускоряют коррозию.
• Защитное покрытие изолирует металл от среды, пока сохраняет целостность.
• Более активный металл-протектор разрушается вместо защищаемого металла.
• Легирование и пассивирование повышают устойчивость металлов к коррозии.