4.6. Коррозия металлов

Коррозией называется разрушение металлов под действием окружающей среды.

Коррозия – процесс самопроизвольный и не может быть полностью предотвращена, однако существует ряд методов, которые позволяют ее замедлить. Разработка новых, более совершенных методов защиты от коррозии – остается актуальной задачей, т.к. потери от нее наносят огромный ущерб мировой экономике.

Механизм коррозии

Коррозия металлов всегда представляет собой процесс окисления:

Ме – ze → Me^z+

По своему механизму коррозия может быть химической и электрохимической.

Химическая коррозия – разрушение металла в результате химического взаимодействия с окружающей средой.

Электрохимическая коррозия – разрушение металла под действием окружающей среды в результате возникновения гальванических пар.

Этот вид коррозии характерен для сред имеющих ионную проводимость, т.е. для электролитов.

Если погрузить в раствор электролита, например, серной кислоты две металлических пластинки и соединить их между собой, возникает замкнутый гальванический элемент Zn|H₂SO₄|Cu.

Коррозия – это процесс окисления. При электрохимической коррозии разрушается более активный металл.

В нашем примере корродирует цинк: Zn – 2e → Zn²⁺.

На положительном электроде должен протекать процесс восстановления. В растворе кислоты присутствуют в большом количестве ионы H⁺, которые будут восстанавливаться на медной пластинке: 2H⁺ + 2e → H₂.

Следовательно, при электрохимической коррозии в кислой среде на поверхности менее активного металла выделяется водород.

Процесс идет с водородной деполяризацией (деполяризатор – вещество, удерживающее электроны).

Если медная и цинковая пластинки помещены в водный раствор хлорида натрия (или морской воды). В этом случае коррозии будет подвергаться цинк. А на медной пластинке водород выделяться не будет, т.к. в нейтральном растворе концентрация ионов H⁺ мала (10^–7 моль/дм³). В таких процессах в роли окислителя обычно выступает молекулярный кислород, растворенный в воде:

O₂ + 2H₂O + 4e → 4OH^–, деполяризатор – кислород.

Таким образом, вблизи медной пластинки будет происходить подщелачивание раствора. Ионы Zn²⁺ , образующиеся в результате коррозии цинка, образуют с ионами OH^– гидроксид цинка: Zn²⁺ + 2OH^– → Zn(OH)₂.

Итак, при электрохимической коррозии в нейтральной (а также в щелочной) среде на менее активном металле происходит восстановление молекулярного кислорода с образованием гидроксид-ионов.

Используемые в технике металлы, как правило, химически неоднородны, т.е. содержат примеси других металлов. Это является причиной возникновения многочисленных микроскопических гальванических элементов и, следовательно, электрохимической коррозии. Отличие процессов электрохимической коррозии от процессов в гальваническом элементе состоит в отсутствии внешней цепи. Электроны не выходят из корродирующего образца металла, а движутся внутри него.

Наиболее распространенный коррозионный процесс – ржавление железа. В электрохимическом отношении железо представляет собой довольно активный металл (вспомним его положение в ряду напряжений) и по отношению ко многим примесям (олово, свинец, никель, медь и др.) выступает в роли анода.

Электродные реакции, происходящие при коррозии железа в нейтральных средах:

(Анод) Fe – 2ē → Fe²⁺

(Катод) O₂ + 2H₂O + 4ē → 4OH^–

Fe²⁺ + 2OH^– = Fe(OH)₂

В дальнейшем происходит окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ атмосферным кислородом. Окончательным продуктом окисления является гидративный оксид железа (III) – ржавчина

4Fe + 3O₂ + 2H₂O → 2(Fe₂O₃∙H₂O),

где Fe₂O₃∙H₂O – ржавчина

Исследование указанных процессов показывает, что скорость ржавления железа определяется, главным образом, концентрированием кислорода, рН среды, ее влажностью. Электрохимическая коррозия может быть также следствием механической неоднородности металла, т.е. неоднородностью внутренних напряжений и механических нагрузок.