4.4.5. Корозія та захист металів

Корозія – це окисно-відновний процес руйнування металів у результаті їх фізико-хімічної взаємодії з навколишнім середовищем, який протікає самодовільно.

Залежно від природи хімічних процесів, які лежать в основі руйнування металу, розрізняють такі типи корозії: хімічну, електрохімічну та електричну.

Хімічна корозія проходить у відсутності електроліту під дією навколишнього середовища, температури. Вона поділяється на газову, високотемпературну і корозію в неводних середовищах. Швидкість окиснення металу залежить як від швидкості власне хімічної реакції, так і від швидкості дифузії окисника через плівку сполук металів (оксидів, гідроксидів). Тому захисна дія плівки тим вища, чим краща її суцільність, і нижча дифузійна здатність.

Якщо утворення оксидного шару за високою температурою супроводжується інтенсивною дифузією кисню в середину металу, то це призводить до зміни його складу внаслідок окиснення легуючих компонентів. Особливо це характерно для конструкційних сталей, у поверхневих шарах яких відбувається окиснення Карбону й утворення феритної смуги, що супроводжується втратою міцності. Взаємодію сталей з окисними середовищами можна записати таким чином:

а) під дією кисню повітря: 2Fe + O₂ → 2FeO,

FeO → [FeO],

[FeO] + [Fe₃C] → 4Fe + CO↑;

б) під дією карбон(IV) оксиду: Fe + CO₂ → FeO + CO,

FeO → [FeO],

Fe₃C + CO₂ → 3Fe + 2CO↑;

в) під дією пари води: Fe + H₂O → FeO + H₂,

FeO → [FeO], H₂ → 2[H],

Fe₃C + H₂O → 3Fe + CO↑ + H₂↑.

Третій випадок – найнебезпечніший, оскільки водень, розчиняючись у сталі створює підвищену крихкість металу.

Електрохімічна корозія – окисно-відновні процеси, які проходять у присутності електроліту і виникають внаслідок різниці електродних потенціалів між різними за активністю металами за рахунок виникнення великої кількості мікроскопічних гальванічних пар. Процес корозії супроводжується переміщенням електронів від більш активного металу (анод) до менш активного (катод) і призводить до руйнування більш активного металу. Електрохімічна корозія спостерігається також, коли на поверхні одного і того самого металу є ділянки, які відрізняються за своїми хімічними і фізичними властивостями. Залежно від середовища, в якому відбувається електрохімічна корозія, розрізняють атмосферну корозію, корозію в електролітах і ґрунтову корозію.

Розглянемо електрохімічну корозію на прикладі корозії заліза, якщо корозія відбувається в розчині кислоти (рН7), то відбуваються такі реакції:

Анодний процес Feº = Fe²⁺ + 2еˉ

Катодний процес 2Н⁺ + 2еˉ = Н₂

Feº + 2Н⁺ = Fe²⁺ + Н₂.

Корозія заліза в нейтральному середовищі:

Анодний процес Feº = Fe²⁺ + 2еˉ

Катодний процес 2H₂O + 2еˉ = Н₂ + 2OH^–

Fe + 2H₂O = Fe(OH)₂ + Н₂.

Атмосферна корозія заліза:

Анодний процес Feº = Fe²⁺ + 2еˉ

Катодний процес O₂ + 2H₂O + 4еˉ = 4OH^–

2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂.

Ферум (ІІ) гідроксид, що утворюється, легко окиснюється киснем повітря:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃.

Остання сполука частково відщеплює воду, при цьому утворюється речовина, яка за складом відповідає бурій іржі:

Fe(OH)₃ → FeOOH + H₂O.

На швидкість корозії істотно впливають склад електроліту корозійного середовища і його температура. Зміна поверхні металу внаслідок корозійних процесів залежить від властивостей металу та умов їх перебігу.

Залежно від способу захисту металів від корозії розрізняють такі методи захисту: підвищення хімічної стійкості металу (легування металів); ізоляція поверхні металу від агресивного середовища (нанесення металічних або неметалічних покриттів); зміна властивостей агресивного середовища; електрохімічний захист, хімічний захист.

Легування металів. Для поліпшення властивостей металів і забезпечення їхньої корозійної стійкості до складу сплавів вводять різні речовини (легуючі добавки). Корозійну стійкість сталі можна підвищити введенням хрому, нікелю, молібдену, вольфраму. Поверхневе легування – насичення поверхні сплаву металом чи неметалом, що утворює міцний оксидний шар (алітування, хромування, силіціювання тощо).

Металічні захисні покриття за характером поведінки їх під час корозії поділяють на катодні й анодні:

- якщо потенціал металу покриття більший, ніж потенціал основного (матричного) металу, то покриття називають катодним (наприклад, мідь, нікель, срібло відносно заліза);

- якщо потенціал металу покриття менший потенціалу основного (матричного) металу, то покриття називають анодним (наприклад, цинк, алюміній відносно заліза).

Неорганічні захисні покриття:

- оксидування металів – створення на поверхні металу щільного і міцного шару оксиду хімічним або електрохімічним способами.

- фосфатування металевої поверхні – процес осадження нерозчинних фосфатів цього металу на його поверхню.

Електрохімічні методи захисту. Суть методів полягає в тому, що металеву конструкцію, яку захищають від корозії, використовують, як катод. Розрізняють катодний і протекторний методи захисту. Катодний захист полягає в приєднанні об’єкта, який захищають (катода), до джерела постійного струму. Анодом можуть бути графіт або кусок заліза, які поступово кородують, захищаючи від корозії споруду. Протекторний захист: метал, що захищають, приводять у контакт з іншим металом, який має більш електронегативне значення електродного потенціалу. В утвореній гальванопарі приєднаний метал є анодом, який руйнується, а металева конструкція (катод) не кородує. Приєднаний анод є протектором.

Зміна корозійного середовища. Зменшення швидкості корозії досягають усуненням або зниженням концентрації агресивних реагентів у навколишньому середовищі, а також введенням речовин, які значно уповільнюють корозію – інгібіторів. Ці речовини гальмують швидкість корозії не змінюючи при цьому агресивних властивостей середовища. Дія інгібіторів полягає в тому, що на поверхні металу вони утворюють захисну плівку, яка ізолює метал від середовища або так змінює електродний потенціал металу, що активність його зменшується. Деякі інгібітори сприяють видаленню кисню (окисника) з робочого середовища, що також гальмує швидкість корозійного процесу. До неорганічних інгібіторів належать хромати, нітрати, фосфати та ін.

Запитання і завдання для контролю і самоконтролю знань

1. Що називається гальванічним елементом?

2. За яким принципом записують схему гальванічного елемента?

3. Що називається стандартним електродним потенціалом?

4. Як обчислити електродний потенціал металевого електроду?

5. Який електрод у гальванічному елементі є анодом і які реакції на ньому протікають?

6. Який електрод у гальванічному елементі є катодом і які реакції на ньому протікають?

7. Як за схемою гальванічного елемента написати рівняння реакції? Наведіть приклади.

8. У чому полягає сутність процесу електролізу? Що таке вихід за струмом?

9. Яка принципова відмінність процесів, що відбуваються у гальванічному елементі та при електролізі?

10. Яке значення для електролізу має матеріал електрода?

11. Які реакції можливі на інертних та металевих електродах при електролізі?

12. Чому лужні метали не можна добути електролізом водних розчинів їхніх сполук?

13. Що називається корозією? Наведіть приклади руйнування металевих виробів внаслідок корозії.

14. Що таке інгібітор? Чим інгібітор відрізняється від каталізатора?

15. Чим визначається вибір захисту металу від корозії?

16. Які основні способи захисту металів від корозії ви знаєте? Наведіть приклади із власних спостережень.

17. Як впливає на корозію заліза його контакт з іншими металами? Який метал буде руйнуватися першим на ушкодженій поверхні лудженого, оцинкованого і нікельованого заліза?

Лекція V. ОСНОВИ НЕОРГАНІЧНОЇ ТА ОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ