§ 31. Коррозия и защита от неё

Определения и обозначения

Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой. Изделие постепенно теряет массу, прочность и форму. Поэтому коррозия опасна для автомобилей, трубопроводов, мостов, резервуаров и других конструкций: повреждение может привести к аварии.

Химическая коррозия — разрушение металла при непосредственном взаимодействии с веществами среды без возникновения электрического тока. Она возможна, например, при действии сухих газов или жидкостей, не являющихся электролитами. Это определение помогает отличить прямую химическую реакцию от процессов с движением ионов.

Электрохимическая коррозия — разрушение металла в среде электролита, при котором на поверхности возникают анодные и катодные участки. На аноде металл отдаёт электроны, а на катоде частицы среды принимают их. Такое разделение участков объясняет, почему влажный металл может разрушаться даже при отсутствии заметной реакции на всей поверхности.

Протекторная защита — способ защиты, при котором к изделию присоединяют более активный металл, разрушающийся вместо него. Активный металл становится анодом и отдаёт электроны первым. Этот метод используют там, где покрытие трудно сохранить, например для подземных труб или металлических конструкций в воде.

Как это устроено

Окисление металла лежит в основе коррозии, потому что атомы металла сравнительно легко отдают электроны. После этого они превращаются в положительно заряженные ионы и входят в состав оксидов, гидроксидов или других соединений. Металл теряет исходную структуру, поэтому деталь становится тоньше и слабее. Например, железо постепенно переходит в соединения, входящие в состав ржавчины.

При химической коррозии металл непосредственно реагирует с газом или другим веществом среды. Электроны переходят от атомов металла к частицам реагента в пределах зоны реакции, поэтому отдельная проводящая электролит среда не нужна. Так может окисляться металл сухим кислородом при нагревании или реагировать с агрессивным газом. Процесс идёт, если вещество среды способно принимать электроны и условия позволяют реакции начаться.

Во влажной среде на поверхности металла появляется тонкая плёнка воды с растворёнными веществами. На одном участке, аноде, атомы металла окисляются: Me → Meⁿ⁺ + nе⁻. Электроны перемещаются по металлу к катодному участку, где восстанавливается кислород или ионы водорода. Раствор обеспечивает движение ионов, поэтому замыкается электрохимическая цепь и металл постепенно разрушается.

Скорость коррозии зависит от состава среды и свойств самого металла. Влага создаёт электролитическую плёнку, а соли увеличивают её электропроводность, поэтому анодные и катодные процессы ускоряются. Растворённый кислород поддерживает катодную реакцию, а контакт разных металлов может образовать гальваническую пару. Более активный металл в такой паре обычно становится анодом и разрушается быстрее.

Способ защиты выбирают по условиям эксплуатации изделия. Краска, лак, пластмасса или металлическое покрытие изолируют поверхность от воды и кислорода, но требуют сохранности слоя. Состав сплава изменяют так, чтобы металл становился устойчивее, а электрохимические методы заставляют разрушаться специальный анод, а не конструкцию. Поэтому для сухого помещения и постоянно влажной среды подходящие решения могут различаться.

Виды коррозии и способы защиты металлов

Сначала определите, есть ли на поверхности вода или другой электролит. Затем проверьте, образуются ли участки с разными электрохимическими свойствами и контактируют ли разные металлы. По этим признакам выбирают покрытие или электрохимический способ защиты.

Разбор задач

Ржавление железного предмета

Условие. Железный предмет долго находился во влажном воздухе и покрылся ржавчиной. Нужно объяснить причину коррозии. Ржавчина показывает, что железо превратилось в новые соединения.

1. Влажный воздух оставляет на железе плёнку воды с растворённым кислородом.
2. На отдельных участках железо отдаёт электроны и переходит в ионы, то есть окисляется.
3. Кислород принимает электроны на катодных участках, а продукты реакций превращаются в соединения железа — ржавчину.

Ответ. Коррозия началась из-за совместного действия воды и кислорода. Во влажной плёнке возникли электрохимические участки, поэтому железо окислилось и образовало ржавчину.

Контакт железа с медью

Условие. Железная пластина соприкасается с медной и находится во влажном растворе. Нужно определить, какой металл разрушится быстрее. Учитываем, что железо активнее меди.

1. Влажный раствор является электролитом и позволяет ионам перемещаться между участками поверхности.
2. При контакте металлов образуется гальваническая пара: более активное железо становится анодом.
3. На аноде железо окисляется и отдаёт электроны, а медь выполняет роль более благородного катодного участка.

Ответ. Быстрее будет разрушаться железо. Контакт с медью во влажном электролите усиливает электрохимическую коррозию железа.

Выбор защиты стального резервуара

Условие. Стальной резервуар постоянно увлажняется. Возможны окрашивание, цинковое покрытие или присоединение магниевого протектора. Нужно сравнить варианты и выбрать наиболее надёжный подход.

1. Окраска создаёт барьер для воды и кислорода, но царапина или трещина открывает металл среде.
2. Цинк изолирует сталь и при повреждении может защищать её как более активный металл, однако покрытие постепенно расходуется.
3. Магний активнее железа, поэтому в электролите он становится анодом и окисляется вместо стали.

Ответ. Для постоянного увлажнения разумно использовать магниевый протектор, при необходимости сочетая его с покрытием. Протектор продолжает защищать сталь в местах повреждения слоя, но его нужно контролировать и заменять по мере расходования.

Типичные ошибки

• Считать коррозией любое механическое повреждение металла. Царапина сама по себе является механическим дефектом, а коррозия начинается при химическом или электрохимическом взаимодействии со средой. Проверьте себя: есть ли реакция металла с водой, кислородом, солью или другим веществом?
• Смешивать химическую и электрохимическую коррозию. Их часто путают, потому что обе приводят к разрушению металла. Ищите признак электролита и анодных с катодными участками: при их наличии процесс электрохимический.
• Считать любое металлическое покрытие одинаково полезным. Если покрытие менее активно, чем железо, его повреждение может ускорить разрушение основы. Нужно выяснить, какой металл станет анодом в месте контакта.
• Думать, что протектор не реагирует. Его задача как раз состоит в окислении вместо защищаемого металла. Если протектор расходуется, значит электрохимическая защита работает.

Связь с другими темами

Для понимания коррозии нужны знания об окислении и восстановлении: металл отдаёт электроны, а другой участник реакции их принимает. Понятие электролита и движения ионов объясняет работу анодных и катодных участков. Эти представления пригодятся при изучении гальванических элементов, электролиза и сплавов, а также при выборе материалов для техники и строительства.

Что запомнить

• Коррозия — разрушение металла под действием окружающей среды.
• При коррозии атомы металла окисляются и переходят в соединения.
• Электрохимическая коррозия протекает в присутствии электролита.
• На анодном участке металл окисляется и разрушается.
• Влага и растворённые соли могут ускорять коррозию.
• Металл защищают покрытиями, подбором сплава и электрохимическими методами.
• При протекторной защите более активный металл разрушается вместо защищаемого.