При эксплуатации изделий из металлов и их сплавов приходится сталкиваться с явлением разрушения их под действием внешней среды. Разрушение металлов и сплавов вследствие взаимодействия их с окружающей средой называется коррозией.
Коррозия металлов наносит большой экономический ущерб. В результате коррозии выходят из строя оборудование, машины, механизмы, разрушаются металлические конструкции. Особенно сильно подвергается коррозии оборудование, которое контактирует с агрессивными средами, например, растворами кислот, солей.
Коррозийное разрушение может затрагивать всю поверхность металла – сплошная (общая) коррозия, или отдельные участки – местная (локальная) коррозия. В зависимости от механизма процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.
Химическая коррозия – разрушение металла из-за окисления его окислителями, находящимися в коррозийной среде.
Химическая коррозия протекает без возникновения электрического тока в системе. Такой вид коррозии возникает при контакте металлов с неэлектролитами или в газовай среде при высоких температурах (газовая коррозия).
Газовая коррозия встречается довольно часто. С ней мы сталкиваемся при коррозии металлов в печах, выхлопных трубах и т.п. Наиболее опасным для металлов компонентами газовой среды являются кислород О2 , пары воды Н2О, оксид углерода (IV) СО2 , оксид серы (IV) SO2 . Коррозийное разрушение железа и его сплавов на воздухе обусловлено окислением его кислородом:
4Fe + 3O2 = 2Fe2O3
C повышением температуры скорость газовой коррозии возрастает.
Наибольший вред приносит электрохимическая коррозия.
Электрохимической коррозией называется разрушение металла при контакте с электролитами с возникновением в системе электрического тока.
В этом случае наряду с химическими процессами (отдача электронов) протекают и электрический (перенос электронов от одного участка к другому). При этом в результате взаимодействия металла с молекулами воды из коррозийной среды на нем протекают два процесса: окисление металла Me (анодный процесс)
Me – 2? = Me2+
и восстановление окислителей – компонентов среды (катодный процесс). Как правило в качестве окислителей выступают ионы водорода Н+ (коррозия с водородной деполяризацией) или растворенный в воде кислород О2 (коррозия с кислородной деполяризацией). В первом случае при катодном процессе выделяется водород:
2Н+ + 2? = H2
а во втором – образуются гидроксид-ионы:
O2 + 2H2O + 4? = 4OH-
Участки поверхности металла , на которых протекают процессы окисления и восстановления, называют соответственно , анодными и катодными.
Рассмотрим в качестве примера электрохимической коррозии реакции при электрохимической коррозии железа. Если коррозия протекает в растворе кислоты, то происходят следующие реакции:
Fe – 2? = Fe2+ | 1
2H+ + 2? = H2 | 1
___________|
Fe + 2H+ = Fe2+ + H2
Коррозия железа в нейтральной или щелочной среде характеризуется следующими реакциями:
Fe – 2? = Fe2+ | 2
O2 + 2H2O + 4? = 4OH- | 1
__________________|
2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)2
Образующийся гидроксид железа (III) легко окисляется кислородом воздуха:
2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)3
Продукт коррозии железа – бурая ржавчина представляет собой смесь гидроксида железа (II) и железа (III), продуктов их разложения и взаимодействия с углекислым газом и другими веществами из окружающей среды.
Электрохимическая коррозия может быть усилена, если металл содержит примеси других веществ или металлические включения. Например, железо загрязнено примесями меди. При этом возникают гальванические микроэлементы (пары).Металл с более отрицательным потенциалом разрушается – ионы его ходят к менее активному металлу, на котором происходит восстановление ионов водорода (водородная деполяризация) или восстановление растворенного в воде кислорода (кислородная деполяризация).
Таким образом, при электрохимической коррозии (как в случае контакта разнородных металлов, так и в случае образования микрогальванических элементов на поверхности одного металла) поток электронов направлен от более активного метла к менее активному (проводнику), и более активный металл корродирует. Скорость коррозии тем больше, чем дальше расположены друг от друга в ряду стандартных электродных потенциалов те металлы, из которых образовался гальванический элемент (гальваническая пара).
На скорость коррозии влияет и характер раствора электролита. Чем выше его кислотность (т.е. меньше рН), а также чем больше содержание в нем окислителей, тем быстрее проходит коррозия. Значительно возрастает коррозия с ростом температуры.
Некоторые металлы при соприкосновении с кислородом воздуха или в агрессивной среде переходят в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия. Например, концентрированная азотная кислота легко делает пассивным железо, и оно практически не реагирует с концентрированной азотной кислотой. В таких случаях на поверхности металла образуется плотная защитная пленка, которая препятствует контакту металла со средой.
Защитная пленка всегда имеется на поверхности алюминия. Подобные пленки в сухом воздухе образуются также на Be, Cr, Zn, Ta, Ni, Cu и других металлах. Кислород является наиболее распространенным пассиватором.
Литература: Г.П.Хомченко – Пособие по химии для поступающих в вузы