3.9. Виды коррозии металлов. Способы предупреждения коррозии
Коррозией металлов называется самопроизвольный окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов при взаимодействии с агрессивными факторами окружающей среды.
Причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов. На получение металлов затрачивается большое количество энергии, в результате чего внутренний запас их энергии повышается. А т.к. любая система стремится перейти в устойчивое состояние с минимальным запасом энергии, то металлы, попав в агрессивную среду, стремятся превратиться в соединения металлов, обладающие меньшим запасом энергии.
Изучение механизма коррозии и разработка методов борьбы с ней представляет собой исключительно важную проблему, поскольку ежегодные потери металла от коррозии составляют 12–20% от их годового производства.
По механизму коррозию делят на химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия – это разрушение металлов окислением их в окружающей среде (в сухих газах и жидкостях-неэлектролитах) без возникновения электрического тока в системе. Различают:
а) газовую коррозию, которая происходит в среде сухих газов;
б) коррозию в жидкостях, которые не проводят электрический ток (бензин, керосин и др.).
Коррозии этого типа подвергаются детали и узлы двигателей, газовых турбин, ракетных установок, стенки химических реакторов. В процессе обработки металлов при высокой температуре на поверхности происходит окисление металлов кислородом воздуха: nМе + mО2 = = МеnО2m. Если пленка получившегося оксида является плотной, прочно связана с металлом и не имеет повреждений, то она защищает металл от дальнейшего окисления. Такие пленки имеются на поверхности хрома, цинка, никеля, алюминия. На поверхности железа пленка рыхлая, пористая, легко отделяющаяся от поверхности, поэтому она не защищает металл от дальнейшего разрушения.
Электрохимическая коррозия – это разрушение металлов и сплавов в результате протекания на их поверхности электрохимических реакций. Электрохимическая коррозия развивается при контакте различных металлов или разнородных участков одного куска металла с раствором электролита, в пленке воды, во влажной почве. В основе электрохимической коррозии лежат процессы, аналогичные тем, которые протекают в гальванических элементах. При электрохимической коррозии протекают два процесса:
1. Окисление более активного металла (с более отрицательным стандартным электродным потенциалом) – анодный процесс, выражаемый уравнением Ме0 – nе = Меn+. Образующиеся катионы металла переходят в слой электролита. Поток электронов с анода перемещается к менее активному металлу (имеющему более положительный стандартный электродный потенциал). Возникает направленное движение электронов – электрический ток. На менее активном металле (или менее активных включениях) создается избыточное количество электронов. Этот металл становится катодом.
2
. Восстановление
окислителя – катодный процесс. Частицы
окислителя, называемого деполяризатором,
подходят к катоду, и электроны переходят
с катода на окислитель, восстанавливая
его. В зависимости от кислотности среды
электролита таким деполяризатором-окислителем
являются или растворенный в жидкости
кислород или ионы водорода.
В кислой среде происходит восстановление ионов водорода (водородная деполяризация): 2Н+ + 2е = = Н2; в нейтральной и щелочной средах – восстановление растворенного в электролите кислорода (кислородная деполяризация): О2 + 2Н2О + 4е = 4ОН–.
Рассмотрим для примера процесс коррозии пластинки, состоящей из железа, соединенного с медью, в кислой среде (рис. 5). При контакте двух металлов более активный (Fе) становится анодом. На железе происходит анодный процесс: Fе0 – 2е = Fе2+.
Ионы железа переходят в раствор, где образуется хлорид железа (II). Освободившиеся электроны перемещаются на медную часть, таким образом по металлу от железа к меди движется поток электронов – возникает электрический ток. Поступившие на медь электроны восстанавливают ионы водорода, подошедшие к поверхности меди – осуществляется катодный процесс: 2Н+ + 2е = Н2. Водород выделяется на медной части пластинки. Суммарное уравнение процесса: Fе + 2НСl = FеСl2 + Н2.
Оно не отличается от уравнения растворения чистого железа в соляной кислоте. Но при контакте железа с медью (менее активным металлом) скорость растворения сильно возрастает, т.к. возникший гальванический элемент «снимает» электроны с железа и «гонит» их на медь. Анодный и катодный процессы пространственно разделены.
При коррозии подобной пластинки в нейтральной и щелочной средах в токопроводящем растворе анодный процесс тот же: Fе – 2е = Fе2+. Катодным деполяризатором является растворенный в воде кислород: О2 + 2Н2О + 4е = 4ОН–.
Молекулы кислорода «снимают» электроны с медной части пластинки.
В растворе идут вторичные реакции. Образовавшиеся гидроксид-ионы связываются с ионами железа (II) с образованием гидроксида железа (II): Fе + 2ОН- = Fе(ОН)2.
Гидроксид железа (II) самопроизвольно окисляется растворенным в воде кислородом: 4Fе(ОН)2 + О2 + 2Н2О = 4Fе(ОН)3. Гидроксид железа (III) частично отщепляет воду, и образуется ржавчина: Fе(ОН)3 = FеО(ОН) + Н2О.
Особой разновидностью электрохимической коррозии является электрокоррозия. Она вызывается действием постоянного электрического тока, который создает положительный потенциал на корродируемом металле. Источником такого тока в почве могут быть трамваи, метро, электрические железные дороги.
Для борьбы с коррозией используют следующие методы защиты металлов:
1. Исключение контакта металла с атмосферой и электролитами путем нанесения защитных покрытий:
а) неметаллических (лаки, краски, смазки, эмали, нанесение пластмасс);
б) химических (искусственное создание защитных пленок – оксидирование, фосфатирование, азотирование);
в) металлических (электрохимическое осаждение слоя устойчивого в данной среде металла – хромирование, никелирование, серебрение, лужение – покрытие оловом, цинкование и т.п.).
2. Изменение коррозионных свойств металла – легирование.
3. Электрохимические методы защиты:
а) протекторная – к защищаемому металлу присоединяют кусок более активного металла, который становится анодом и разрушается;
б) катодная – металлоконструкция подсоединяется к катоду внешнего источника тока, что исключает возможность ее анодного разрушения.
4. Изменение свойств коррозионной среды:
а) применение ингибиторов – веществ, замедляющих коррозию;
б) деаэрация – удаление деполяризатора – кислорода.
5. Рациональное конструирование:
а) замена металлических деталей пластмассовыми;
б) исключение контакта разных по активности металлов и сплавов.
Виды заданий ЕГЭ