Химия Инфо

Коррозия металлов и защита от неё

Ржавый стальной лист, потускневшая поверхность металла и повреждённое металлическое покрытие — примеры изменений материала под действием среды. Коррозия важна не только из-за внешнего вида: она уменьшает толщину деталей и может ухудшать их прочность. Чтобы понять способы защиты, нужно выяснить, какой металл окисляется, что принимает электроны и какова роль воды.

Что называют коррозией

Коррозия металлов — их разрушение вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. При этом металл обычно окисляется и переходит в соединения.

При химической коррозии взаимодействие может происходить непосредственно с газами, например при высокотемпературном окислении. При электрохимической коррозии на поверхности имеются участки, где идут разные полуреакции; электроны перемещаются по металлу, а ионы — через соприкасающийся с ним электролит.

Отдельная батарейка и внешний провод для такого процесса не обязательны. Неоднородности поверхности, примеси, контакт разных металлов или различный доступ кислорода могут создавать анодные и катодные участки одного изделия. Тонкая влажная плёнка с растворёнными веществами уже способна проводить ионы.

Как ржавеет железо

Для обычного ржавления железа во влажном воздухе существенны одновременно вода и кислород. Соли часто ускоряют процесс, повышая проводимость водной плёнки; хлорид-ионы могут также нарушать защитные плёнки. Поэтому сухое хранение и влажная солёная среда дают разные результаты.

На анодном участке железо отдаёт электроны:

Fe → Fe2+ + 2e−.

В нейтральной или щелочной среде с доступом кислорода на катодном участке можно записать:

O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−.

При подходящих местных концентрациях ионы образуют малорастворимые продукты:

Fe2+ + 2OH− → Fe(OH)2↓.

Дальнейшее окисление условно представляют школьной схемой:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3.

Реальная ржавчина включает оксигидроксиды и другие гидратированные соединения железа. Запись Fe2O3 · xH2O передаёт переменное содержание воды, но не является точной формулой любой ржавчины. Её слой часто порист и не прекращает доступ среды к металлу.

При электрохимической коррозии металл растворяется на анодном участке. На катодном участке принимаются электроны; название участка определяют по процессу, а не по цвету поверхности.

В кислой среде возможны другие катодные процессы, включая восстановление H+ до H2. Поэтому приведённое кислородное уравнение нельзя объявлять единственным механизмом коррозии в любых условиях.

Почему контакт металлов меняет результат

Если железо и медь электрически соприкасаются и находятся в общем электролите, железо обычно становится более уязвимым: оно окисляется, а на меди могут идти катодные процессы. Такой эффект зависит от среды, состояния поверхностей и соотношения площадей участков.

При контакте железа с цинком в подходящей среде преимущественно окисляется более активный цинк:

Zn → Zn2+ + 2e−.

Железо при этом работает как защищаемый катод. Этот принцип используют в протекторной защите. По одному ряду активности нельзя вычислить скорость разрушения: важны также кислород, температура, соли, кислотность и пассивирование.

Основные способы защиты

СпособПринципОграничение
Краска, полимерное покрытиеОтделяют металл от среды.Трещина и отслоение открывают доступ воды и кислорода.
Цинковое покрытие сталиБарьер и возможность преимущественного окисления цинка.Защита ограничена запасом цинка и условиями контакта.
Покрытие более благородным металломНеповреждённый слой служит барьером.Дефект может создать неблагоприятную гальваническую пару.
Легирование, например хромомСоздание устойчивой пассивирующей поверхности.Устойчивость сплава зависит от конкретной среды.
Катодная защитаСдвиг состояния защищаемого металла к катодному; применяют протектор или внешний источник тока.Нужны рассчитанные электрические условия и контроль системы.

Нержавеющая сталь не означает «сталь, которая никогда не корродирует». Защитная плёнка может нарушаться в определённых средах, в том числе содержащих хлориды. Напротив, активный алюминий нередко устойчив в обычном воздухе благодаря плёнке. Так различаются термодинамическая склонность к окислению и наблюдаемая скорость процесса.

Барьерная и протекторная защита действуют по разным принципам. В первом случае ограничивают контакт со средой, во втором расходуется более активный металл, электрически связанный с защищаемым.

Три разобранных примера

1. Как согласовать две полуреакции?

Один атом Fe отдаёт два электрона, а одна молекула O2 в указанной катодной реакции принимает четыре. Удвоив первую полуреакцию и сложив их, получаем:

2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4OH−.

Для начальной стадии с переходом 0,10 моль Fe именно в Fe(II) требуется 0,050 моль O2. Это не расход кислорода на полное образование всех конечных продуктов ржавления: дальнейшее окисление Fe(II) требует дополнительного окислителя.

2. Что произойдёт у царапины?

Сравним оцинкованное железо и железо с оловянным покрытием в одном электролите. Неповреждённые покрытия отделяют железо от среды. У небольшого дефекта цинк может продолжать защищать железо, окисляясь вместо него. Олово благороднее железа, поэтому у дефекта оловянного слоя железо может стать анодом и разрушаться быстрее. Утверждение «любое металлическое покрытие защищает одинаково» неверно.

3. Как оценить потерю металла?

Изделие первоначально содержало 30,0 г железа. Если в соединения перешло 1,12 г Fe, доля израсходованного металла равна:

w = 1,12 / 30,0 ≈ 0,0373 = 3,73%.

Взвешивание изделия вместе с приставшей ржавчиной само по себе эту потерю не показывает: кислород и вода увеличивают массу продуктов. Для вывода нужны сведения о количестве именно металлического железа.

Частые ошибки

  • Считать воду единственным реагентом обычного ржавления на воздухе.
  • Принимать увеличение массы заржавевшего образца за увеличение массы оставшегося металла.
  • Делать вывод о стойкости по активности, игнорируя пассивирование и среду.
  • Ожидать бессрочной защиты от полностью израсходованного цинка.

Пять заданий

  1. В какой среде обычное железо обычно ржавеет быстрее: в сухом воздухе или во влажном воздухе с солевыми загрязнениями? Объясните.
  2. Какое количество электронов отдаёт 0,20 моль Fe при переходе в Fe2+?
  3. Какое количество электронов отдаёт 3,25 г Zn при окислении до Zn2+? Примите M(Zn) ≈ 65 г/моль.
  4. Почему дефект медного покрытия железа может быть опаснее такого же дефекта цинкового?
  5. Образец железа вместе с продуктами коррозии стал тяжелее на 0,30 г. Можно ли по этому числу определить массу оставшегося металлического железа?

Ответы с объяснениями

  1. Во влажной солёной среде: есть вода и кислород, а растворённые соли облегчают перенос ионов. Сухой воздух без водной плёнки не создаёт тех же условий.
  2. Каждый Fe отдаёт два электрона:

    n(e−) = 2 · 0,20 = 0,40 моль.

  3. Сначала находим количество цинка:

    n(Zn) = 3,25 / 65 = 0,050 моль; n(e−) = 0,100 моль.

  4. В общей проводящей среде медь может стать катодом, а открытое железо — анодом. Цинк, напротив, способен преимущественно окисляться и защищать железо при сохранённом контакте.
  5. Нет. Прирост включает присоединившиеся вещества, продукты имеют переменный состав и могут частично осыпаться. Данных о приросте массы недостаточно для однозначного расчёта оставшегося Fe.

Связанные темы и источники

Механизм связан со свойствами железа, цинка и хрома. Для сравнения металлов повторите ряд активности и его ограничения.

Для проверки фактов: OpenStax: коррозия и защита; Royal Society of Chemistry: условия ржавления железа.