3. Электрохимическое осаждение

3.1. Общие сведения

Электрохимическое растворение и осаждение материалов как метод известно уже давно и основано на электрохимических законах превращения веществ на границах раздела проводников первогоивторого рода.

Проводники первого рода (электронные проводники).Поток зарядов в таком проводнике представляет собой поток электронов. Вследствие этого в проводнике не происходит переноса вещества. К электронным проводникам относят металлы.

Проводники второго рода (электролитические проводники). Поток зарядов в электролитическом проводнике обусловлен перемещением ионов. Таким образом, в данном случае происходит перенос вещества. Электролитические проводники называют электролитами. Ими могут быть чистые вещества, например расплавы солей, либо водные растворы солей, кислот или оснований.

При пропускании постоянного электрического тока через электролит на электродах протекают химические реакции. Этот процесс называется электролиз, что означает разложение (вещества) с помощью электричества.

Электрический ток подводится к электролиту с помощью электродов – проволочных проводников, металлических стержней или пластин, осуществляющих электрический контакт с электролитом. Отрицательно заряженный электрод – этокатод, а положительный электрод –анод.Электроды, которые не вступают в химические реакции, находясь в контакте с электролитами и при пропускании через них электрического тока, называются инертными электродами. К числу инертных электродов относятся графит и платина.

Согласно ионной теории электролиза, прохождение постоянного электрического тока через электролит осуществляется с помощью ионов. На электродах происходит перенос электронов к ионам либо от них. Поэтому процессы, протекающие на электродах, могут рассматриваться как восстановительные или окислительные полуреакции. Таким образом, электролиз представляет собой окислительно-восстановительный процесс.

На аноде всегда осуществляется окислительная полуреакция. В этой реакции анионы теряют электроны и разряжаются, превращаясь в нейтральные частицы. Поэтому анод выступает в роли места стока электронов с анионов.

На катоде всегда осуществляется восстановительная полуреакция. Здесь катионы приобретают электроны и разряжаются, превращаясь в нейтральные частицы. Поэтому катод выступает в роли источника электронов для катионов.

Необходимо отметить, что реакции, протекающие на аноде и катоде в каждой конкретной системе, предопределяются полярностью источника тока во внешней электрической цепи. Отрицательный полюс внешнего источника тока поставляет электроны одному из электродов электролитической ячейки. Это обусловливает отрицательный заряд данного электрода. Он и становится катодом. Поскольку этот электрод заряжен отрицательно, он в свою очередь вызывает такую электродную реакцию, в которой происходит потребление электронов. Таким образом, на этом электроде осуществляется восстановительный процесс. На другом электроде электроны перетекают из электролитической ячейки обратно во внешнюю цепь, что делает этот электрод положительным электродом. Значит, этот электрод играет роль анода. Из-за его положительного заряда на нем протекает реакция, которая сопровождается отдачей электронов, т.е. окисление.

Водный раствор любого электролита содержит анионы и катионы не одного, а двух или нескольких типов. Например, водный раствор хлорида калия содержит анионы двух типов, Cl^-и ОН^-, и катионы двух типов, К⁺и Н⁺(точнее, Н₃О⁺).

Последовательность, в которой ионы разных типов разряжаются на электродах, определяется целым рядом факторов, в том числе химической природой электрода, состоянием электролита и электродным потенциалом каждого конкретного иона.

Химическая природа электрода.Электроды могут быть инертными либо активными. Например, электродные реакции, протекающие при электролизе водного раствора сульфата меди, зависит от того, какие электроды используются при этом – активные, как, например, медь, либо инертные, как графит.

При использовании медных электродовв электролитической ячейке протекают следующие процессы:

на аноде Cu (тв.) Cu²⁺(водн.) + 2е^-(окисление)

на катоде Cu²⁺(водн.) + 2е^-Cu (тв.) (восстановление)

При использовании графитовых электродовпротекают реакции:

на аноде 4ОН^-(водн.)2Н₂О (ж.) + О₂(г.) + 4е^-(окисление)

на катоде Cu²⁺(водн.) + 2е^-Cu (тв.) (восстановление)

Рис.3.1. Схема электролиза

Состояние электролита.Полуреакции, протекающие на том или ином электроде, зависят от того, находится ли электролит в расплавленном состоянии или же в виде водного раствора, а в последнем случае зависят еще и от концентрации раствора. Например, при электролизерасплавленного иодида калия протекают следующие электродные реакции:

на аноде 2I^-(ж.)I₂(г.) + 2е^-(окисление);

на катоде К⁺(ж.) + е^-К (ж.) (восстановление).

Однако при электролизе водного раствора иодида калия протекают такие электродные реакции:

на аноде 2I^-(водн.)I₂(водн.) + 2е^-(окисление);

на катоде 2Н⁺(водн.) + 2е^-Н₂(г.) (восстановление).

Электродный потенциал иона.Для катионов (Н⁺и ионов металлов) относительная легкость разряда на катоде определяется электрохимическим рядом (рядом напряжений, или рядом электродных потенциалов).

3.2. Законы электролиза

Эти законы определяют соотношение между массой продукта, образующегося на электроде, и количеством электричества (электрическим зарядом), пропущенным через электролит.

Первый закон Фарадеягласит, что количество веществаm (г), выделившегося на электроде, прямо пропорционально количеству электричестваIt (Ач), прошедшего через электролит.

Так, если через электролит пропускать ток 10 А в течение 10 ч или 100 А в течение 1 ч, в обоих случаях количество электричества, прошедшее через электролит, будут равны 100 Ач.

Количественной мерой электрического заряда является единица Фарадей (число Фарадея). Фарадей – это заряд, который несет на себе один моль электронов или один моль однозарядных ионов.

1 Фарадей = 96500 Кл/моль = заряд 1 моля электронов = заряд 6,02210²²электронов

Второй закон Фарадеягласит, что при прохождении одного и того же количества электричества через различные электролиты количества веществ, выделившихся на электродах, пропорциональны грамм-эквивалентам этих веществ.Грамм-эквивалент – вещества равен отношению атомной массы к валентности. Так, грамм-эквивалент двухвалентной меди равен 63,57:2=31,78 г, а шестивалентного хрома – 52,01:6=8,67 г.

Из первого и второго законов Фарадея следует, что количество выделяющегося при электролизе вещества m можно определить из следующего выражения:

(3.1)

где А – атомная масса вещества в граммах; z – валентность вещества; Э – грамм-эквивалент;k=Э/F – электрохимический эквивалент.

Обычно на электродах выделяется меньше вещества, чем следует из законов Фарадея, что объясняется протеканием в электролитической ванне побочных реакций (например, реакций выделения водорода и кислорода). Отношение количества выделившегося на электроде вещества к теоретически возможному называют выходом по току электрохимического процесса (иногда, коэффициентом использования тока).

3.3. Электродные потенциалы

Если погрузить металлический электрод в раствор, содержащий ионы того же металла, атомы кристаллической решетки переходят в раствор и образуют гидратированные ионы металла. В то же время гидратированные ионы приобретают электроны на электроде и образуют атомы металла. В результате оно становятся частью металлической решетки. В конце концов на электроде устанавливается равновесие

M^z+(водн.) +ze^-  M(тв.).

Процесс, идущий в прямом направлении (вправо), представляет собой восстановление, при котором гидратированные ионы металла в растворе отбирают электроны у электрода. Это приводит к дефициту электронов на рассматриваемом электроде и, следовательно, к возникновению на нем положительного заряда. Вместе с тем, в обратном процессе, т.е. в процессе окисления, атомы металлической решетки переходят в раствор, образуя гидратированные катионы. Это приводит к образованию избыточных электронов на данном электроде и возникновению на нем отрицательного заряда.

От того, какой из этих двух противоположно направленных процессов преобладает, а следовательно, от того, в какую сторону окажется смещено равновесие, зависит заряд рассматриваемого электрода. Положение равновесия зависит от целого ряда факторов, в том числе от химической природы металла, концентрации ионов в электролите и от температуры. Если равновесие сдвинуто вправо, восстановление преобладает над окислением и, следовательно, электрод приобретает положительный заряд. Если равновесие сдвинуто влево, окисление преобладает над восстановлением и, следовательно, электрод приобретает отрицательный заряд.

В любом случае происходит разделение зарядов, а значит, возникает разность потенциалов между электродом и ионами в растворе. Электродный потенциал полуэлемента – это электродвижущая сила (э.д.с.) гальванического элемента (устройство, создающее э.д.с. в результате протекания химических реакций на его электродах), в схематической записи которого слева находится водородный электрод, а справа – рассматриваемый электрод (полуэлемент). Этот электрод представляет собой платиновую фольгу, покрытую платиновой чернью, вблизи которого пропускается газообразный водород. Водород адсорбируется на поверхности данной фольги. Для электродаM^z+ (водн.)/М такой гальванический элемент изображается схемой

Электродный потенциал обозначается символом и соответствует реакции восстановления, протекающей на электроде

M^z+(водн.) +ze⁺  M(тв.).

Повышение температуры полуэлемента приводит к увеличению способности металла растворяться в растворе и образовывать гидратированные ионы металла. Это способствует протеканию обратной реакции и сдвигу равновесия влево. В результате возрастает разность потенциалов между электродом и раствором.

Если же увеличится концентрация гидратированных ионов металла в растворе, равновесие сдвинется вправо. В таком случае разность потенциалов между электродом и раствором уменьшится.

Поскольку электродные потенциалы зависят от температуры, концентрации, а также от давления, то прежде, чем сравнивать их друг с другом, необходимо их стандартизировать, т.е. привести к стандартным условиям.

Электродные потенциалы полуэлементов часто называют окислительно-восстановительными потенциалами. Принято указывать окислительно-восстановительные потенциалы в виде восстановительных потенциалов. Это означает, что равновесные полуреакции должны записываться так, чтобы восстановление было прямой реакцией:

окисленные частицы + ze^-  восстановленные частицы.

Окислительно-восстановительный потенциал является мерой способности восстановительного процесса к самопроизвольному протеканию.

В табл.3.1 указаны стандартные окислительно-восстановительные потенциалыдля ряда полуреакций. Их значения находятся в пределах от –3 В до +3 В. Чем положительнее окислительно-восстановительный потенциал, тем легче должно происходить восстановление. Чем менее положительным или более отрицательным является окислительно-восстановительный потенциал, тем легче должно происходить окисление.

Таблица 3.1

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы

		Полуреакции	Е, В
Возрастание: а)протекание обратной реакции (окисления); б)способности отдавать электроны; в)восстановительной способности.		Li+(водн.) + е-  Li(тв.)	-3,04		Возрастание: а)протекания прямой реакции (восстановления); б)способности приобретать электроны; в)окислительной способности
		К+(водн.) + е-К(тв.)	-2,92
		Са2+(водн.) + 2е-Са(тв.)	-2,87
		Na+(водн.) + еNa(тв.)	-2,71
		Mg2+(водн.) + 2е-Mg(тв.)	-2,38
		Al3+(водн.) + 3е-Al(тв.)	-1,66
		Zn2+(водн.) + 2е-Zn(тв.)	-0,76
		Sn2+(водн.) + 2е-Sn(тв.)	-0,14
		Pb2+(водн.) + 2е-Pb(тв.)	-0,13
		2Н+(водн.) + 2е-Н2(г.)	0,00
		Cu2+(водн.) + 2е-Cu(тв.)	+0,34
		I2(г.) + 2е-2I-(водн.)	+0,54
		Fe2+(водн.) +2е-Fe(тв.)	0,77
		Ag+(водн.) +е-Ag(тв.)	0,80
		Br2(ж.) + 2е-2Br-(водн)	+1,07
		Cl2(ж.) +2е-2Cl-(водн.)	+1,36
		F2(г.) + 2е-2F-(водн.)	+2,87

Для разряда иона необходимо приложить разность потенциалов между электродом и слоем прилегающего к нему электролита. Эту разность называют электродным потенциалом(Е_к, Е_а– катодный и анодный потенциалы). Для разложения соли к электродам необходимо приложить определенное напряжение, минимальное значение которого называютпотенциалом разложения Е_р, причем

Е_р= Е_а– Е_к. (3.1)

Потенциал разложения определяется силой химических связей элементов разлагаемого соединения. Теоретически потенциал разложения определяется как разность равновесных потенциалов анодной и катодной реакций в данных условиях. При этом потенциале электролиз протекает с бесконечно малой скоростью. Для того чтобы ускорить его, необходимо подать напряжение более Е_р. Избыточный потенциал расходуется на определение омических сопротивлений и поляризации. Следовательно, напряжение на ванне

Е_в= Е_р+IR + Е_п, (3.2)

где IR – падение напряжения на электролите, электродах, различных контактах и т.д.; Е_п= Е_па+ Е_пк; Е_па, Е_пк– потенциалы анодной и катодной поляризации.

Существуют методы, позволяющие рассчитать не только Е_рдля данного элемента, но и соответствующие составляющие для каждого электрода в отдельности. Эти составляющие называютсяпотенциалами выделения илипотенциалами растворенияв зависимости от того, какой процесс (растворение или осаждение) протекает на данном электроде. Потенциал выделения не может быть меньше потенциала этого электрода при равновесном процессе в гальваническом элементе. В идеальном случае он равен этому потенциалу, на практике несколько больше его. Этот избыточный потенциал называетсяперенапряжением. Термин «перенапряжение» применяется как к электролизу в целом, так и к отдельным электродным процессам (перенапряжение на электродах).

3.4. Влияние физико-химических факторов на структуру осаждаемых металлических пленок

Электрохимическое осаждение металлов согласно современным представлениям происходит в четыре стадии:

1. электролитическая диссоциация соли в растворе;

2. перенос ионов из объема электролита к электроду;

3. переход ионов на границе фаз из объема электролита к металлу;

4. диффузия адсорбированных атомов по поверхности электрода к местам роста пленки и встраивание атомов в кристаллическую решетку.

Вторая стадия включает частичную десольватацию ионов металлов и превращение их в адсорбированные ионы и атомы (ад-ионы и ад-атомы).

При анодном растворении металлов эти процессы проходят в обратном порядке.

Скорость осаждения определяется стадией, протекающей с наименьшей скоростью. Такой стадией может быть: замедленный перенос ионов к катоду, вызывающий концентрационное перенапряжение (2-я стадия); замедленный разряд ионов из-за повышенной их гидратации или сольватации, приводящей к электрохимическому перенапряжению (3-я стадия); медленный рост кристаллического осадка, связанный с медленной диффузией адсорбированных атомов к местам роста кристаллов и высокой энергией образования зародышей, т.е. возникновение кристаллизационного перенапряжения (4-я стадия). Большое перенапряжение обусловлено пассивностью катода, возникающей из-за недостаточной его очистки и чистоты обработки.

В результате электролиза возникает некоторая разность потенциалов между электродами, направленная противоположно той, которая прикладывается извне (поляризация). Различают электрохимическую и концентрационную поляризации.

Электрохимическая поляризация происходит в результате электролиза в гальванической цепи. Это приводит к тому, что система превращается в гальваническую цепь, э.д.с. которой противодействует электролизу и обусловливает поляризацию электродов.

Концентрационная поляризацияобусловлена различной концентрацией электролита в анодном и катодном пространствах при электролизе. В результате образуется концентрационный гальванический элемент, направление э.д.с. которого противоположно приложенному напряжению. Электрохимическая и концентрационная поляризации влияют на структуру осажденного слоя.

Структура осажденных пленок во многом определяет их электрофизические, химические, механические и эстетические свойства. Поэтому получение слоев требуемой структуры имеет большое значение в технологии электролитического осаждения металлов на любые детали и изделия. Для обеспечения требуемых механических свойств необходимы беспористые равномерные по толщине слои с мелкозернистой структурой, а для получения высокой электропроводности – слои с крупнозернистой структурой.

На практике процессы электроосаждения пленок довольно сложны, так как на них влияет большое число трудно учитываемых факторов (степень пассивирования, структура и неоднородность поверхности, на которую осаждается пленка металла; характер адсорбции катионов, анионов и других частиц, а также скорость их переноса; режимы электролиза, влияющие на неоднородность концентрационного и электрического полей вблизи подложки и др.). Рассмотрим влияние основных технологических факторов.

Пассивирование поверхности катода,т.е. подавление химически активных центров, снижает число образующихся зародышей, а, следовательно, и скорость осаждения. Пассивирование катода происходит вследствие адсорбции на его поверхности чужеродных веществ, препятствующих осаждению металла. В начале электролиза значение катодного потенциала довольно высокое; по мере осаждения металлической пленки оно уменьшается до стационарного.

Размер кристаллов на катоде определяется скоростью образования зародышей кристаллов. Чем больше относительная скорость образования зародышей, тем более мелкозернистыми будут осадки, и наоборот. Поскольку для образования зародышей необходимо более высокое перенапряжение, чем для их роста, технологические параметры электролиза, способствующие повышению перенапряжения или катодной поляризации, стимулируют образование мелкозернистых пленок на катоде. К ним относятся: природа и качество покрываемой поверхности, плотность тока, температура электролита, природа и концентрация ионов осаждаемого металла, а также специальных добавок в электролит органических и неорганических веществ.

Структура поверхности подложкивлияет на структуру осаждаемой пленки металла. Пленка может воспроизводить структуру поверхности подложки, являясь как бы ее продолжением, или отличаться от нее. Для того чтобы пленка повторяла структуру подложки, поверхность последней должна быть совершенно чистой. Чем кристаллы поверхности подложки крупнее, тем больше ее структура влияет на структуру пленки. Как и при эпитаксии, воспроизведение структуры тем точнее, чем меньше линейная скорость роста и толщина пленки. С увеличением толщины пленки влияние структуры подложки уменьшается вследствие воздействия дезориентирующих факторов, таких, как адсорбция различных веществ на подложке, выделение на катоде водорода, нарушение первоначальной ориентации и т.п. Структура подложки влияет на структуру пленки до ее толщин 4-5 мкм для монокристаллических и 0,1 – 0,2 мкм для поликристаллических подложек. Пленки, структура которых повторяет на границе раздела структуру подложки, имеют лучшую адгезию к ней, т.е. наиболее прочное сцепление с подложкой.

Характер анионовтакже влияет на структуру пленки. Простые анионы, приводящие к незначительной поляризации, стимулируют образование мелкокристаллических пленок, в то время как сложные, способствующие заметной поляризации, обусловливают образование крупнозернистых пленок.

Примеси различных металловизменяют структуру осаждаемой пленки. Поэтому во многие электролиты добавляют соли щелочных и щелочно-земельных металлов, которые повышают электропроводность раствора и катодную поляризацию, способствуя осаждению мелкозернистых пленок.

Концентрация водородных ионоввлияет на электроосаждение металлов (Cd, Zn, Ni и др.), выделяющихся при отрицательных потенциалах из растворов простых и некоторых комплексных солей. При невысоких концентрациях водородных ионов в электролите происходит выделение водорода на катоде, вследствие чего выход металла по току падает. Выделяющийся водород, адсорбируясь на поверхности, может внедряться в осаждаемую пленку металла, приводя к внутренним напряжениям, хрупкости, растрескиванию, пузырчатым вздутиям пленки.

При электролитическом осаждении меди из растворов сернокислой меди большой избыток кислоты (т.е. ионов водорода) не влияет на выход металла по току, так как восстановление ионов водорода не происходит даже при высоких плотностях тока.

Органические веществавлияют на структуру пленок, если они обладают поверхностно-активными свойствами. В зависимости от природы и концентрации этих веществ осаждаемые пленки получаются мелкозернистыми, плотными, гладкими, порошкообразными. Действие поверхностно-активных веществ (ПАВ) связано с адсорбцией их на границе поверхности металл – раствор. Они покрывают поверхность катода (подложки) полностью или частично, снижая выделение металла.

Структура и свойства осаждаемой пленки зависят от соотношения скоростей адсорбции ПАВ и осаждаемого металла. Если скорость адсорбции ПАВ мала по сравнению со скоростью осаждения металла и пассивируются лишь отдельные активные участки поверхности катода, то при достаточно большой подвижности адсорбированных молекул или ионов катодная поляризация изменяется незначительно. В этом случае происходит периодическое чередование процессов адсорбции и десорбции пассиватора, приводящее к прекращению роста пленки на одних участках катода и образованию новых кристаллов на других. Происходит как бы равномерное перераспределение тока на тех участках катода, где осаждается металл. В результате осаждаемая пленка становится более однородной по структуре, гладкой и блестящей. Если же блокированные ПАВ участки катода остаются длительное время пассивными (при большой энергии адсорбции), пленки получаются неравномерными по толщине и с бороздами; при малых плотностях тока могут образовываться нитевидные пленки.

При высокой скорости адсорбции ПАВ покрывают катод сплошным слоем. Для выделения металла необходимо, чтобы его ионы проникли к электроду через плотную адсорбированную пленку, что возможно только при высокой энергии активации. Это обеспечивается повышением отрицательного потенциала катода (катодная поляризация достигает нескольких сотен милливольт). Поверхность катода становится однородной и ионы металла разряжаются с одинаковой скоростью на всех его участках, в результате чего образуется равномерная мелкозернистая пленка.

Режимы электролизаразлично влияют на структуру пленок. Повышение плотности тока в большинстве случаев способствует образованию мелкозернистых пленок, что объясняется увеличением числа активных, одновременно растущих участков поверхности катода. Особенно сильно такое влияние обнаруживается в электролитах с резко выраженной катодной поляризацией. Однако при очень высоких плотностях тока могут образовываться рыхлые пленки в виде дендритов, что объясняется преимущественным ростом кристаллов металла на отдельных участках катода, где из-за неравномерного распределения тока его плотность превышает допустимый предел для данного электролита. Это явление чаще проявляется при малой катодной поляризации. Наиболее характерными областями образования некачественных пленок являются ближайшие к аноду рельефного катода, ребра и края пластин, выступы и т.п. В этих местах из-за высокой скорости разряда ионов их концентрация уменьшается и рост пленки наблюдается в направлении поступления ионов к катоду, где за счет концентрационного градиента ионы быстрее диффундируют из раствора.

Повышение температуры электролитаснижает катодную поляризацию, способствуя образованию крупнозернистых пленок. Высокая температура электролита уменьшает его вязкость и, следовательно, увеличивает диффузию ионов в растворе. Кроме того, почти во всех электролитических процессах высокая температура раствора способствует лучшим условиям осаждения, уменьшая внутренние напряжения в пленках и их хрупкость.

Распределение токапо поверхности катода изменяет микрорельеф осаждаемой пленки металла. Микрорельеф поверхности осажденной пленки зависит не только от начальной микрогеометрии (шероховатости) поверхности катода, но и от физико-химических параметров процесса, влияющих на микрораспределение осаждаемого металла на поверхности детали. Микрораспределение зависит от распределения скоростей осаждения пленки на отдельных элементах рельефа поверхности, размеры которых определяются режимами процесса.

3.5. Коррозия металлов и способы защиты от нее

Коррозия– это процесс окисления металла, протекающий на его поверхности. Коррозию можно рассматривать как проявление самопроизвольной способности металлов возвращаться в окисленные формы. Главными факторами, вызывающими коррозию, являются:

• влияние атмосферного воздуха;

• погружение в воду или в водные растворы;

• воздействие агрессивных газов;

• погружение в агрессивные химические среды.

Наиболее существенный из этих факторов – влияние атмосферного воздуха. Склонность металлов к коррозии во многом определяется влажностью атмосферного воздуха и особенно его загрязненностью.

Наиболее известным примером коррозии является ржавление.Если железо приходит в соприкосновение с кислотами, кислородом или другими веществами, находящимися в окружающей среде, на его поверхности осуществляются электрохимические реакции. Поскольку в электрохимическом ряду напряжений железо расположено выше, чем водород и кислород, оно способно выступать в роли восстановителя и при этом само окисляется, т.е. подвергается реакции

Fe  Fe²⁺ + 2e^-.

Ионы железа постепенно превращаются в окислы железа и осаждаются на его поверхности в виде чешуек ржавчины, состав которой определяется формулой Fe₂O₃nH₂O.Этот гидратированный оксид действует на процесс коррозии как автокатализатор.

Процессы восстановления, протекающие при ржавлении железа, включают такие реакции:

2Н⁺+ 2е^-Н₂,

2Н₂О + О₂+ 4е^-4ОН^-.

Для предотвращения коррозии используются разнообразные методы. Например, нанесение на поверхность металла покрытия из краски или олова препятствует воздействию атмосферной влаги и кислорода. Однако нарушение целостности такого покрытия, например, растрескивание, приводит к появлению коррозии. Поврежденное оловянное покрытие не защищает железо от коррозии, потому что железо находится в ряду напряжений выше, чем олово, и, следовательно, окисляется легче. Железо и олово действуют как пара электродов, причем железо играет роль анода, а олово – роль катода.

Предотвратить коррозию железа можно нанесением на него цинкового покрытия. Железо, покрытое цинком, называется оцинкованным. В этом случае цинк, расположенный в ряду напряжений выше железа, играет роль анода, а железо – роль катода. Следовательно, окисление цинка происходит легче и предотвращает окисление железа:

Zn  Zn²⁺ + 2e^-.

Однако цинк не используют для изготовления консервных банок, потому что он расположен в ряду напряжений выше олова, поэтому цинк легче подвергается воздействию кислот.

Использование цинка для защиты железа от коррозии представляет собой один из примеров применения метода катодной защиты.Одним из средств, используемых в методе катодной защиты является также протекторный (защитный) анод. Этот способ успешно применяется для защиты от коррозии стальных трубопроводов, проложенных в морской воде. К такому трубопроводу прикрепляют на определенном расстоянии друг от друга магниевые аноды. Поскольку магний расположен в ряду напряжений выше железа, он окисляется легче и предохраняет железо от окисления.

Алюминий обладает большой устойчивостью к коррозии, несмотря на то, что находится довольно высоко в ряду напряжений; такая устойчивость объясняется образованием на поверхности алюминия его оксида Al₂O₃, плотно прилегающего к поверхности и не образующего рыхлых чешуек. Защитная пленка оксида надежно предохраняет алюминий от коррозии.

1 Будем условно называть травящий раствор травителем, не прибегая пока к разделению его на компоненты.

2Степень дисперсности интегрально гладкой поверхности определяется свойствами конкретного травителя