Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 64. Корозія металів

Поняття про корозію. Види корозії

Корозією прийнято називати самовільне руйнування металів унаслідок їх хімічної й електрохімічної взаємодії з навколишнім середовищем і перетворення на стійкі сполуки (оксиди, гідроксиди, солі).

Фактично корозія — це сукупність окисно-відновних процесів, які відбуваються під час контакту металів з агресивним середовищем, що спричиняє руйнування металевих виробів. Під агресивним середовищем розуміють окисну атмосферу (уміст кисню в атмосфері Землі робить її окисною), особливо за наявності води або розчинів електролітів.

Розрізняють хімічну й електрохімічну корозію.

Хімічна корозія являє собою звичайну хімічну реакцію між металами і різними окисниками. Прикладами хімічної корозії є високотемпературне окиснення металів киснем, окиснення поверхні алюмінію на повітрі, взаємодія металів із хлором, сіркою, сірководнем, які містяться в повітрі, тощо.

Електрохімічна корозія відбувається в розчинах, тобто під час контакту металів із розчинами електролітів, особливо коли метали контактують із менш активними металами. Швидкість корозії істотно залежить від активності металів, а також від концентрації і природи домішок у воді. У чистій воді метали практично не піддаються корозії, а в контакті з активнішими металами навіть у розчинах електролітів не кородують.

Механізм електрохімічної корозії

Корозія в більшості випадків є електрохімічним процесом. На поверхні металу утворюються гальванічні пари (майже як мініелектроди в гальванічному елементі), і на певних ділянках поверхні відбуваються процеси окиснення та відновлення.

Схематично процеси, які відбуваються на поверхні заліза або сталі під час контакту з водою, зображено на малюнку 64.1.

Мал. 64.1. Схема корозії залізної поверхні

По краях краплі, де концентрація розчиненого кисню вища, кисень відновлюється до гідроксид-іонів.

Необхідні для відновлення кисню електрони переміщаються від центра краплі, де вони вивільнюються під час окиснення заліза і де концентрація розчиненого кисню мала. Йони Феруму переходять у розчин. Вивільнені електрони поверхнею металу переміщаються до країв краплі.

Іржа, яку можна описати формулою Fe₂O₃ • xH₂O, виникає в результаті послідовності подальших процесів поблизу поверхні краплі води, куди з поверхні металу потрапляють йони Феруму та гідроксид-іони. Хоча іржа нерозчинна у воді, вона утворюється далеко від поверхні металу, тому захисний шар на поверхні не утворюється.

Будь-які домішки солей, наприклад натрій хлорид у бризках морської води, сприяють утворенню іржі, оскільки підвищують електропровідність води.

Процеси, що відбуваються під час корозії заліза, можна описати такими рівняннями:

2Fe + О₂ + 2Н₂О = 2Fe(OH)₂

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃

Сумарне рівняння:

4Fe + 3О₂ + 6Н₂О = 4Fe(OH)₃

Методи захисту від корозії

Проблему корозії, імовірно, ніколи не вдасться розв’язати повністю, і найбільше, на що можна розраховувати, — це сповільнити її, але не зупинити.

Сьогодні використовують декілька способів захисту від корозії.

1. Відокремлення металу від агресивного середовища — фарбування, змащення мастилом або жиром, покриття неактивними металами або емаллю. Для більшості побутових металевих речей використано саме таке рішення: холодильник, сушарка для посуду, каструля, велосипед тощо.

2. Гальванічне покриття — контакт поверхні, яку захищають, із більш активними металами.

3. Використання речовин, що сповільнюють корозію (інгібітори корозії), та використання сплавів, стійкіших до корозії.

Гальванічне покриття

Це поширений спосіб захисту від корозії. Він полягає у виготовленні для сталевих виробів гальванічного покриття. Найчастіше використовують покриття з хрому (мал. 64.2), нікелю або цинку. Після нанесення цинкового покриття утворюється міцно зчеплений із поверхнею сталі захисний шар. Якщо гальванічне покриття не ушкоджене, воно добре захищає металеві конструкції від іржі.

Мал. 64.2. Покриття з хрому захищає вироби від корозії та надає красивого блиску

Навіть якщо таке покриття має вади, сталева поверхня певною мірою захищена від руйнування, оскільки в цій системі переважно зазнає корозії цинк, а не залізо, бо цинк більш активний метал.

Для захисту сталевих конструкцій у такий спосіб не обов’язково покривати виріб щільним шаром цинку. Наприклад, для захисту від корозії нафтовидобувних платформ у морях використовують цинкові блоки: корозія з дорогих складних сталевих конструкцій «переводиться» на шматки металу, які легко замінити (мал. 64.3). На опору, що стоїть у морі, через певні проміжки прикріплюють цинкові блоки. Оскільки цинк активніший за залізо, то він окиснюється першим, а залізна поверхня залишається майже без пошкоджень. Тому будь-який активніший за залізо метал може бути використаний для захисту сталевих виробів.

Мал. 64.3. Схема електрохімічного захисту сталевих конструкцій цинковими блоками

Такий самий принцип використовують для захисту залізобетонних конструкцій житлових будинків: усі залізні стрижні з’єднані один з одним, а також зі шматком магнію, що заритий у землю.

Іноді для захисту від корозії на металевий виріб наносять шар менш активного металу, зокрема олова (луджене залізо). Такий спосіб використовують для покриття зсередини консервних бляшанок.

За такого захисту консерви впродовж певного часу залишаються придатними для споживання. Олово окиснюється значно повільніше за залізо. Йони Стануму, якщо і потрапляють до харчових продуктів, є нетоксичними. Вони майже не впливають на смакові якості консервів, хіба що надають гоструватого присмаку консервованим фруктам. Однак, проблеми з олов’яним покриттям виникають, коли бляшанка зберігається занадто довго: тонкий шар олова може розчинитися у вмісті консерви. Або захисне покриття зруйнується через механічні навантаження. У цих випадках починає кородувати залізо, причому значно швидше за олово, оскільки залізо більш активне. Це спричиняє пошкодження продуктів, до того ж, йони Fe²⁺ надають їжі металевого присмаку.

Використання спеціальних сплавів

Поширеним рішенням для запобігання корозії металів є використання нержавіючих сплавів. Такі сплави можуть перебувати на повітрі й контактувати з навколишнім середовищем, особливо з їжею, в якій міститься багато кислот, без додаткового захисту. Стійкість до корозії виявляють сталі з додаванням хрому.

У сучасній техніці найчастіше використовують нержавіючу сталь такого складу: 74 % заліза, 18 % хрому, 8 % нікелю. Але нержавіюча сталь дорога, і її не вигідно використовувати в усіх випадках.

Ключова ідея

Корозія металів — електрохімічний процес, унаслідок якого природа «забирає» назад метали, які люди змогли «відібрати» у природи.

Запитання та завдання

378. Чому більшість металів на повітрі втрачають металічний блиск?

379. Дайте визначення корозії. Які види корозії розрізняють? Чим вони відрізняються?

380. Схарактеризуйте методи захисту від корозії. У чому полягає їх хімічне підґрунтя?

381. З тексту параграфа випишіть рівняння реакцій, що характеризують корозію заліза, та складіть для них електронний баланс.

382. Що відбуватиметься за часткового руйнування цинкового покриття на залізному виробі? Відповідь поясніть, наведіть відповідні рівняння реакцій. Як зміняться процеси, якщо цинкове покриття замінити на олов'яне?