Химическая коррозия
Химическая коррозия металлов – это опасное явление, способное привести к их полному разрушению. Процесс напрямую связан со способностью материала вступать во взаимодействие со средой, представляющей повышенную химическую опасность.
Среди важных свойств протекания химической коррозии металла – параллельный процесс окисления и восстановления. Ученые не отмечают прямой связи с электрическим током, который потенциально может образовываться или воздействовать на участвующие в реакции материалы.
Если рассматривать первопричину распространения такого процесса, то мы быстро придем к выводу – она кроется в термической нестабильности металлов разных типов.
Они склонные под воздействием окислительных компонентов среды быстро переходить в устойчивое состояние и зачастую это происходит полностью непроизвольно.
Процесс окисления и восстановления при протекании химической коррозии происходит на фоне уменьшения потенциала системы. При этом нужно учитывать знаки изменения потенциала, чтобы предсказать риск произвольного запуска такого процесса и его интенсивного протекания внутри материала.
Ученые определяют основным критерием, который стимулирует самопроизвольный процесс, такой показатель, как изобарно-изотермический потенциал G.
Когда реакция начинает протекать произвольно, он значительно убывает. При этом скорость уменьшения может меняться в зависимости от типа материалов, условий коррозионной среды и ряда других ключевых параметров.
Основные виды химической коррозии
Ученые выделяют два основных типа химической коррозии. Газовая протекает при контакте поверхности металла с газами. Она усиливается по мере изменения температуры среды.
Также химическая коррозия способна активно протекать в жидкостях-электролитах, если для этого формируются необходимые внешние условия.
Рассмотрим особенности обоих описанных процессов более подробно, чтобы понять, как можно создать дополнительную защиту от них.
Газовая коррозия металлов
Научная статистика показывает, что газовая коррозия металлов протекает наиболее часто. При рассмотрении химической порчи она значительно более распространена, чем жидкостное ржавение при контакте с электролитами.
Важный фактор здесь – высокая температура. Если металл сильно нагрет и на него начинает воздействовать газ, происходит разрушение.
Так как уровень температур должен быть достаточно высок, а при обычном использовании создать условия для протекания такой химической коррозии довольно сложно, процесс часто наблюдается в металлургии.
Из-за этого страдает оборудование, используемое при штамповке, ковке, горячей прокатке и других процессах. Без дополнительной защиты длительность использования подобной техники станет значительно меньше.
Опасность представляет и контакт металла с кислородом. Формула реакции, которая запускается в таком случае, выглядит следующим образом: Ме + 1/2О2 – МеО.
Эта реакция имеет четкое окислительное направление, потому напрямую связана с показателями парциального кислородного давления. Стоит обратить внимание на то, что реакция может быть равновесной, смещенной к образованию оксида, либо протекающей в обратном направлении.
Очень важно понимать, с какой газовой смесью контактирует металл в той области, где вы его используете. Хорошее понимание парциального давления кислорода в смеси даст нам температурный интервал.
Именно в нем будет запускаться окислительный процесс, приводящий к разрушению материала или значительному ухудшению уровня его качества.
Факторы скорости протекания газовой химической коррозии
По мере исследования особенностей процесса протекания химической коррозии, ученые смогли определить важные факторы, которые влияют на ее скорость и другие особенности. К ним относятся такие, как:
- Температура среды, в которую погружен металл.
- Состав сплава и другие особенности металла.
- Особенности газовой среды, ее состав, преобладающие элементы.
- Длительность контактирования материала с коррозийной средой.
- Появляющийся продукт коррозии.
Как и в случае с другими типами коррозийных поражений, большое значение имеет тип и особенности создающейся на поверхности оксидной пленки.
Особенности формирования оксидных пленок при газовой коррозии
Весь процесс формирования оксидной пленки на поверхности металла можно разделить на две крупные стадии:
Абсорбирование молекул кислорода на поверхности металлического изделия
Это происходит на тех участках, которые находятся в непосредственном контакте с атмосферой. Заметно появление ионной связи – атом кислорода забирает у металла по два электрода.
Можно предположить, что формирование очень сильной и стабильной связи при протекании такой реакции связано с попаданием кислорода в особое поле атомов металла.
Когда поверхность материала будет полностью наполнена окислителем, окажется сформирована мономолекулярная пленка. Она имеет склонность к утолщению со временем. Это уменьшает дальнейший контакт с кислородом, но сам опасный коррозийный процесс уже оказывается запущен.
Формирование химического соединения
Это явление характерно для ситуации, в которой происходит активное взаимодействие металла и газа. Из-за воздействия окислительных компонентов сплав начинает активно терять валентные электроны. Стремительно формируются и накапливаются продукты коррозии.
Дальнейшее протекание процесса будет во многом характеризоваться особенностями оксидной пленки. Так если она отличается повышенным уровнем защиты, сам коррозийный процесс будет замедляться.
Виды оксидных пленок
Когда химическая коррозия происходит под действием температуры и газовой среды, могут сформироваться три вида пленок:
- Тонкие. Со стороны заметить их будет невозможно. Они одни из самых не прочных, могут легко стираться под действием механического давления.
- Средние. Могут быть замечены, потому что со стороны металл слегка меняет цвет.
- Толстые. Хорошо заметны невооруженным глазом.
Чтобы не допустить протекание опасных процессов разрушения материала, важно сделать пленку защитной.
Факторы формирования защитной пленки
Оксидная пленка способна оказывать выраженное защитное воздействие на материал. Но для этого требуется, чтобы она соответствовала нескольким важным требованиям:
- Сплошность. На поверхности пленка распределяется ровным слоем, без пор и участков, которые не затронуты ею.
- Хорошее сцепление с поверхностью материала. Это требуется для удержания подобного защитного барьера на месте и исключения ухудшения его свойств.
- Химическая инертность. Пленка будет защищать металл только в том случае, если она вступает в химические реакции с окружающей средой. В противном случае, есть большая опасность, что весь защитный эффект окажется сведен к нулю.
Так как материал будет использоваться на протяжении длительного времени и сложно предсказать, что станет воздействовать на него, большое значение имеет стойкость к износу и повышенный уровень твердости.
Не менее важен и тот факт, чтобы пленка не была пористой и рыхлой. Когда она плохо контактируется с поверхностью, риск протекания разрушающих процессов становится значительно выше.
При изучении различных свойств оксидных пленок, ученые особенно пристально рассматривают сплошность. Отмечается, что на нее влияет молекулярный объем. Его показатели должны быть выше атомного объема металла.
Сплошность не ставится на первое место при определении защитных свойств оксидной пленки только для небольшой группы металлов. В их числе щелочно-земельные и щелочные.
При проведении работ по защите от химической коррозии, большое внимание уделяется методу замера толщины. Анализ характеристик происходит на разных стадиях формирования. Большое значение имеют получаемые показатели скорости окисления металла и характер протекания подобного процесса.
Когда окислы оказываются сформированными, специалисты рекомендуют проверить, какую пленку они создали на поверхности, обладает ли она нужными защитными свойствами.
Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах
Хотя газовая коррозия считается наиболее распространенной, порчу металла при контакте с различными жидкостями-электролитами также не стоит сбрасывать со счетов. Большую опасность представляет контакт материала с веществами, способными проводить электричество.
Их делят на две крупные группы – органические и неорганические. Электролитов, представляющих большую опасность для металла, много – от расплавленной серы и бензола до жидкого брома, спирта, керосина, нефти и других.
Большое значение при протекании химической реакции играет чистота электролита. Когда он полностью чист, взаимодействия не наблюдается. Но стоит только попасть в состав небольшому количеству примесей, реакция начинает развиваться особенно стремительно.
Еще один дополнительный фактор риска – присутствие влаги. Тогда к опасности химической коррозии также прибавляется и угроза электрохимической.
Стадии протекания коррозии в жидкостях-неэлектролитах
Если рассматривать весь процесс более подробно и анализировать, что влияет на скорость химической коррозии, можно выделить несколько стадий ее протекания:
- Контакт окислителя с поверхностью материала.
- Запуск процесса хемосорбции реагента на поверхности.
- Протекание реакции металла и окислителя, формирование оксидной пленки.
Условия среды, состав сплава и самого электролита могут повлиять на протекание нескольких основных процессов. К ним относятся такие, как десорбция оксидов с металлом и диффузия оксидов в неэлектролит. Но оба процесса также могут и не наблюдаться.
Чтобы не допустить запуска коррозии в жидкостях-электролитах, стоит позаботиться о нанесении на поверхность специальных защитных составов. Важно, чтобы на протяжении всего времени использования изделия они полностью сохраняли свою целостность.
Факторы протекания химической коррозии
Большое значение при рассмотрении процесса химической коррозии металлов имеет определение факторов, оказывающих на нее влияние. К ним относятся такие, как:
Температура
Все окислительные процессы протекают быстрее, если температура сильно увеличивается.
Температурный режим
В особой группе риска оказываются металлические изделия, которые на протяжении определенного времени начинают охлаждаться и нагреваться попеременно. В таком случае сильно страдает защитная пленка. Она начинает трескаться, в местах, где это происходит, металл контактирует со средой, запускается повторное окисление. Новая пленка также формируется на фоне постепенного отслоения старой.
Состав среды
Это относится как к газам, так и к электролитам в жидком виде. Как уже было отмечено выше, даже небольшие загрязнения жидкости могут привести к тому, что скорость коррозийного повреждения станет значительно выше.
Состав сплава
В сплав металла добавляют различные компоненты, которые могут, как затормозить, так и ускорить окисление. К примеру, сильными замедлителями признаны такие добавки, как титан, медь и кобальт. Хорошо влияют на уменьшение скорости протекания процесса хром и алюминий.
Тип обработки поверхности
Ученые во время исследований показали, что гладкая поверхность отличается заметно более высокой устойчивостью к окислению, процесс протекает медленнее. Если же на поверхности металла много бугров, есть выраженные дефекты, стоит готовиться к более быстрому протеканию.
Структура материала
Уравнение химической коррозии показывает, что значительное замедление коррозийного процесса характерно для металлов с аустенитной структурой.
Подведем итоги
В этой статье мы рассмотрели виды химической коррозии и то, чем она отличается от электрохимической. При условии соблюдения ряда требований, удается заметно уменьшить риск разрушения металла. К ним относятся такие, как:
- Контроль формирования защитной оксидной пленки.
- Исключение контакта определенных материалов с агрессивными средами.
- Использование дополнительных защитных покрытий.
- Отслеживание состава газовой смеси или электролита.
- Применение металлов с компонентами сплава, замедляющими реакцию.
Соблюдение перечисленных требований позволит значительно увеличить длительность использования вашего металлического изделия.
Коррозия металлов. Виды коррозии металлов
Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.
Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.
Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:
- Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
- Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
- Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.
Виды коррозии металлов
Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:
- Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
- Неравномерная
- Избирательная
- Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
- Язвенная (или питтинг)
- Точечная
- Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
- Растрескивающая
- Подповерхностная
Основные виды коррозии металлов
С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия металлов
Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь.
Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.
Виды химической коррозии
Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.
Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).
Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.
При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.
Фактор Пиллинга-Бэдворса
Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла
где Vок — объем образовавшегося оксида
VМе — объем металла, израсходованный на образование оксида
Мок – молярная масса образовавшегося оксида
ρМе – плотность металла
n – число атомов металла
AMe — атомная масса металла
ρок — плотность образовавшегося оксида
Оксидные пленки, у которых α < 1, не являются сплошными и сквозь них кислород легко проникает к поверхности металла. Такие пленки не защищают металл от коррозии. Они образуются при окислении кислородом щелочных и щелочно-земельных металлов (исключая бериллий).
Оксидные пленки, у которых 1 < α < 2,5 являются сплошными и способны защитить металл от коррозии.
При значениях α > 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.
Ниже представлены значения сплошности α для некоторых оксидов металлов
| Металл | Оксид | α | Металл | Оксид | α |
| K | K2O | 0,45 | Zn | ZnO | 1,55 |
| Na | Na2O | 0,55 | Ag | Ag2O | 1,58 |
| Li | Li2O | 0,59 | Zr | ZrO2 | 1.60 |
| Ca | CaO | 0,63 | Ni | NiO | 1,65 |
| Sr | SrO | 0,66 | Be | BeO | 1,67 |
| Ba | BaO | 0,73 | Cu | Cu2O | 1,67 |
| Mg | MgO | 0,79 | Cu | CuO | 1,74 |
| Pb | PbO | 1,15 | Ti | Ti2O3 | 1,76 |
| Cd | CdO | 1,21 | Cr | Cr2O3 | 2,07 |
| Al | Al2O2 | 1,28 | Fe | Fe2O3 | 2,14 |
| Sn | SnO2 | 1,33 | W | WO3 | 3,35 |
| Ni | NiO | 1,52 |
Электрохимическая коррозия металлов
Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.
При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:
- Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
- Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).
Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.
Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.
Водородная деполяризация
Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:
2H + +2e — = H2 разряд водородных ионов
Кислородная деполяризация
Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:
O2 + 4H + +4e — = H2O восстановление растворенного кислорода
Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:
- Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е 0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
- Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е 0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
- Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е 0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
- Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.
Виды электрохимической коррозии
Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:
- Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
- Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.
Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:
А: Fe – 2e — = Fe 2+
K: O2 + 4H + + 4e — = 2H2O
Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.
- Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
- Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
- Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
- Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO2, H2S и др., способствующие коррозии металла.
- Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.
Методы защиты от коррозии металла
Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.
Металлические покрытия
Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный) , чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием.
Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.
Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.
Неметаллические покрытия
Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).
Химические покрытия
В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:
оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al2O3, ZnO и др.);
азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;
воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;
цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.
Изменение состава технического металла и коррозионной среды
Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.
Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.
Электрохимическая защита
Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.
Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.
К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.
Примеры задач с решениями на определение защитных свойств оксидных пленок, определение коррозионной стойкости металлов, а также уравнения реакций, протекающих при электрохимической коррозии металлов приведены в разделе Задачи к разделу Коррозия металлов
Коррозия металлов
Всякое явление или процесс вокруг нас связан с химией. Скажем, ржавление железа. Хоть раз в жизни вы наверняка задумывались, почему одни металлы ржавеют и разрушаются, а другие — нет. И что такого особенного в нержавеющей стали, что этот процесс ей нипочем? Обо всем это мы и поговорим в сегодняшней статье.
· Обновлено 7 июля 2022
Коротко о главном
Обычно окисляются металлы, включая железо, которые находятся левее водорода в ряду напряжений.
Чаще всего встречаются химическая и электрохимическая коррозии. Чтобы понять, чем они отличаются друг от друга, давайте сравним их по нескольким критериям в таблице ниже.
Таблица 1. Сравнение химической и электрохимической коррозии металлов
Признаки сравнения
Химическая коррозия
Электрохимическая коррозия
Разрушение металлов в из-за взаимодействия с газами или растворами, которые не проводят электрический ток
Разрушение металла, при котором возникает электрический ток в воде или среде другого электролита
При контакте железа с цинком коррозии подвергается цинк:
Zn 0 — 2e — = Zn 2+ .
Защитить металл от коррозии можно по-разному: покрытием защитными материалами, электрохимическими методами, шлифованием и т. д. Далее — подробно обо всем этом.
Что такое коррозия
Иными словами, из-за химического воздействия железо начинает ржаветь. Это весьма сложный процесс, который состоит из несколько этапов. Но суммарное уравнение коррозии выглядит так:
Часто под коррозией понимают химическую реакцию между материалом и средой либо между их компонентами, которая протекает на границе раздела фаз. Обычно это окисление металла. Например:
Некоторые металлы, даже активные, покрываются плотной оксидной пленкой при коррозии. Это одна из их характерных черт. Оксидная пленка не дает окислителям проникнуть в более глубокий слой и поэтому защищает металл от коррозии. Алюминий обычно устойчив при контакте с воздухом и водой, даже горячей. Тем не менее, если поверхность алюминия покрыть ртутью, то образуется амальгама. Она разрушает оксидную пленку, и алюминий начинает быстро превращаться в белые хлопья метагидроксида алюминия:
Коррозии подвергаются и многие малоактивные металлы. Например, поверхность медного изделия покрывается патиной — зеленоватым налетом. Это происходит потому, что на ней образуются смеси основных солей.
Виды коррозии металлов
Химическая коррозия
Химическая коррозия протекает без воздействия электрического тока, и в результате этой реакции металлы окисляются. Этот вид коррозии можно разделить на два подвида:
газовая коррозия — металл корродирует под воздействием различных газов при высоких температурах;
коррозия в жидкостях — неэлектролитах.
Их них более распространенной считают газовую коррозию. Она протекает во время прямого контакта твердого тела с активным газом воздуха. Чаще всего это кислород. В результате на поверхности тела образуется пленка продуктов химической реакции между веществом и газом. Дальше эта пленка мешает контакту корродирующего материала с газом. При высоких температурах газовая коррозия развивается интенсивно. Возникшая при этом пленка называется окалиной, которая со временем становится толще.
Важную роль в процессе коррозии играет состав газовой среды. Но для каждого металла он индивидуален и изменяется с переменой температур.
Электрохимическая коррозия
Этот вид коррозии считают наиболее распространенным. Самым важным происхождением электрохимической коррозии является то, что металл неустойчив в окружающей среде с точки зрения термодинамики. Вот несколько ярких примеров этой реакции: ржавчина в трубопроводе, на обшивке днища морского судна и на различных металлоконструкциях в атмосфере.
В механизме электрохимической коррозии обычно выделяют два направления: гомогенное и гетерогенное. Разберем их подробнее в таблице ниже.
Гомогенный механизм электрохимической коррозии
Гетерогенный механизм электрохимической коррозии
Поверхность металла рассматривается как однородный слой.
У твердых металлов поверхность неоднородна из-за структуры сплава, в котором атомы по-разному расположены в кристаллической решетке.
Растворение металла происходит из-за термодинамической возможности для катодного или анодного процессов.
Неоднородность можно наблюдать при наличии в сплаве каких-либо включений.
Скорость, с которой протекает электрохимическая коррозия, зависит от времени протекания процесса.
В электрохимической коррозии протекает одновременно два процесса на аноде и на катоде, которые зависят друг от друга. Растворение основного металла происходит только на анодах. Анодный процесс заключается в том, что ионы металла отрываются и переходят в раствор:
В результате происходит реакция окисления металла. В данном случае анод заряжается отрицательно.
При катодном процессе избыточные электроны переходят в молекулы или атомы электролита, которые, в свою очередь, восстанавливаются. На катоде идет реакция восстановления. Он носит заряд положительного электрода.
Торможение одного процесса приводит к торможению и другого процесса. Окисление металла может происходить только в анодном процессе.
Как защитить металлы от коррозии
От коррозии можно и нужно защищаться. Чтобы уберечь металлы от этой реакции, их покрывают защитными материалами, обрабатывают электрохимическими методами, шлифованием и т. д. Рассмотрим все эти способы подробнее.
Способ № 1. Защитные покрытия.
Для защиты от коррозии металлические изделия покрывают другим металлом, т. е. производят никелирование, хромирование, цинкование, лужение и т. д. Еще один вариант защиты — покрыть поверхность металла специальными лаками, красками, эмалями.
Способ № 2. Легирование.
Легирование — это введение добавок, которые образуют защитный слой на поверхности металла. Например, при легировании железа хромом и никелем получают нержавеющую сталь.
Способ № 3. Протекторная защита.
Протекторная защита — это способ уберечь металл от коррозии, при котором металлическое изделие соединяют с более активным металлом. Этот второй металл в итоге и разрушается в первую очередь.
Способ № 4. Электрохимическая защита.
Чтобы защитить металлы от электрохимической коррозии, нейтрализуют ток, который возникает при ней. Это делают с помощью постоянного тока, который пропускают в обратном направлении.
Способ № 5. Изменение состава среды путем добавления ингибиторов.
Для защиты от коррозии используют специальные средства, которые ее замедляют — ингибиторы. Они изменяют состояние поверхности металла — образуют труднорастворимые соединения с катионами металла. Защитные слои, образованные ингибиторами, всегда тоньше наносимых покрытий.
Способ № 6. Замена корродирующего металла на другие материалы: керамику и пластмассу.
Способ № 7. Шлифование поверхностей изделия.
Проверьте себя
Что такое коррозия?
Где в повседневной жизни можно встретить ржавление железа и других металлов? Приведите примеры.
Гидроксид железа Fe(OH)3 называют:
Что является причиной возникновения коррозии?
Чем отличаются химический и электрохимический типы коррозии?
Что такое коррозионная среда?
Узнайте все о коррозии металлов и разберитесь в других темах за 9 класс на онлайн-курсах по химии в Skysmart! Наши преподаватели помогут выяснить, где скрываются пробелы в знаниях, и восполнить их. Никаких скучных задач и сухих лекций — только интерактивные упражнения, опыты и теория простым языком. Все это поможет разобраться даже в тех темах, которые не давались в школе. Ждем на бесплатном вводном уроке!
Коррозия металлов и способы защиты от нее
Коррозионная стойкость металла зависит от его природы, характера среды и температуры.
- Благородные металлы не подвергаются коррозии из-за химической инертности.
- Металлы Al, Ti, Zn, Cr, Ni имеют плотные газонепроницаемые оксидные плёнки, которые препятствуют коррозии.
- Металлы с рыхлой оксидной плёнкой – Fe, Cu и другие – коррозионно неустойчивы. Особенно сильно ржавеет железо.
Различают химическую и электрохимическую коррозию.
| Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Как правило, химическая коррозия металлов происходит при действии на металл сухих газов, её также называют газовой. |
При химической коррозии также возможны процессы:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3
Как правило, такие процессы протекают в аппаратах химических производств.
| Электрохимическая коррозия – это процесс разрушения металла, который сопровождается электрохимическими процессами. Как правило, электрохимическая коррозия протекает в присутствии воды и кислорода, либо в растворах электролитов. |
В таких растворах на поверхности металла возникают процессы переноса электронов от металла к окислителю, которым является либо кислород, либо кислота, содержащаяся в растворе.
При этом электродами являются сам металл (например, железо) и содержащиеся в нем примеси (обычно менее активные металлы, например, олово).
В таком загрязнённом металле идёт перенос электронов от железа к олову, при этом железо (анод) растворяется, т.е. подвергается коррозии:
Fe –2e = Fe 2+
На поверхности олова (катод) идёт процесс восстановления водорода из воды или растворённого кислорода:
2H + + 2e → H2
O2 + 2H2O + 4e → 4OH –
| Например, при контакте железа с оловом в растворе соляной кислоты происходят процессы: |
Анод: Fe –2e → Fe 2+
Катод: 2H + + 2e → H2
Суммарная реакция: Fe + 2H + → H2 + Fe 2+
Если реакция проходит в атмосферных условиях в воде, в ней участвует кислород и происходят процессы:
Анод: Fe –2e → Fe 2+
Катод: O2 + 2H2O + 4e → 4OH –
Суммарная реакция:
Fe 2+ + 2OH – → Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + O2+ 2H2O → 4Fe(OH)3
При этом образуется ржавчина.
Методы защиты от коррозии
Защитные покрытия
Защитные покрытия предотвращают контакт поверхности металла с окислителями.
- Катодное покрытие – покрытие менее активным металлом (защищает металл только неповреждённое покрытие).
- Покрытие краской, лаками, смазками.
- Создание на поверхности некоторых металлов прочной оксидной плёнки химическим путём (анодирование алюминия, кипячение железа в фосфорной кислоте).
Создание сплавов, стойких к коррозии
Физические свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств чистых металлов. Добавление некоторых металлов может приводить к повышению коррозионной стойкости сплава. Например, нержавеющая сталь, новые сплавы с большой коррозионной устойчивостью.
Изменение состава среды
Коррозия замедляется при добавлении в среду, окружающую металлическую конструкцию, ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии — это вещества, подавляющие процессы коррозии.
Электрохимические методы защиты
Протекторная защита: при присоединении к металлической конструкции пластинок из более активного металла – протектора. В результате идёт разрушение протектора, а металлическая конструкция при этом не разрушается.