Тема 4 . Корозія металів, як хімічний процес

Під час експлуатації виробів з металів та їх сплавів дово­диться стикатися з явищем руйнування їх під дією навколишнього середовища. Руйнування металів і сплавів внаслідок взаємодії їх з навколишнім середовищем називається корозією.

Корозія металів завдає великої економічної шкоди, Внаслідок корозії виходять з ладу обладнання, машини, : механізми, руйнуються металеві конструкції. Особливо сильно піддається корозії обладнання, що контактує з агресивним середовищем, наприклад розчинами кислот, солей.

Корозійне руйнування може охоплювати всю поверхню ме­талу — суцільна (загальна) " корозія або окремі ділянки — місцева (локальна) корозія. Залежно від механізму процесу розрізняють хімічну й електрохімічну корозію.

Хімічна корозія — це руйнування металу внаслідок окиснення його окисниками, що містяться в корозійному середовищі.

Хімічна корозія відбувається без виникнення електрич­ного струму в системі. Такий вид корозії виникає під час кон­такту металів з неелектролітами або в газовому середовищі за високих температур (газова корозія).

Газова корозія трапляється досить часто. З нею ми стикаємося при корозії металів у печах, вихлопних трубах тощо. Найбезпечнішими для метал«» компонентами газового середовища є кисень О2, пара води H2O, оксид карбону(ІV) СО­2, оксид сульфуру(ІV) S02. Корозійне руйнування заліза і його сплавів на повітрі зумовлено окисненням його киснем:

4Fe+3O2 = 2Fe2O3

З підвищенням температури швидкість газової корозії зрос­тає. Найбільшої шкоди завдає електрохімічна корозія.

Електрохімічною корозією називається руйнування ме­талу під час контакту з електролітами з виникненням у системі електричного струму.

У цьому випадку поряд з хімічними процесами (відщеплен­ня електронів) відбуваються й електричні (перенесення елект­ронів від однієї ділянки до іншої). При цьому в результаті взаємодії металу з молекулами води з корозійного середови­ща на ньому відбуваються два процеси: окиснення металу Me (анодний процес):

Me – 2е– = Ме2+

і відновлення окисників — компонентів середовища (катодний процес). Як правило, окисниками виступають іони гідрогену Н+ (корозія з водневою деполяризацією) або розчинений у воді кисень О2 (корозія з кисневою деполяризацією). У пер­шому випадку під час катодного процесу виділяється водень:

а у другому — утворюються гідроксид-іони:

Ділянки поверхні металу, на яких відбуваються процеси окиснення і відновлення, називають відповідно анодними й катодними,

Розглянемо як приклад електрохімічної корозії реакції під час електрохімічної корозії заліза. Якщо корозія відбувається в розчині кислоти, то йдуть такі реакції:

Корозія заліза в нейтральному або лужному середовищі характеризується такими реакціями:

Гідроксид феруму(ІІ), що утворився, легко окиснюється киснем повітря:

Продукт корозії заліза — бура іржа — це суміш гідро­ксидів феруму(ІІ) і феруму(ІІІ), продуктів їх розкладу і взаємодії з вуглекислим газом та іншими речовинами з навко­лишнього середовища.

Електрохімічна корозія може бути посилена, якщо метал містить домішки інших речовин або неметалічні включення. Наприклад, залізо забруднене домішками міді. При цьому ви­никають гальванічні мікроелементи (пари), схему дії яких наведено на рис. 1.

Метал з більш негативним потенціалом руйнується — його іони переходять у розчин, а електрони переходять до менш активного металу, на якому відбувається відновлення іонів гідрогену (воднева деполяризація) або відновлення роз­чиненого у воді кисню (киснева деполяризація).

Рис. 1 Схема дії гальванічної пари

Отже, при електрохімічній корозії (як у випадку контакту різнорідних металів, так і в разі утворення мікрогальванічних елементів на поверхні одного металу) потік електронів направлений від більш активного металу до менш активного (провідника), і більш активний метал ко­родує. Швидкість корозії тим більша, чим далі розташовані один від одного в ряду стандартних електродних потенціалів ті, метали, з яких утворився гальванічний елемент(гальванічна пара).

На швидкість корозії впливає і характер розчину електроліту. Чим вища його кислотність (тобто менший pH), а також чим більший вміст в ньому окисників, тим швидше відбувається корозія. Значно зростає корозія при підвищенні температури.

Деякі метали при контакті з киснем повітря в агресивному середовищі переходять у пасивний стан, при якому різко уповільнюється корозія. Наприклад, концентрована нітратна кислота легко робить пасивним залізо, і воно практично не реагує з концентрованою нітратною кислотою. У таких випад­ках на поверхні металу утворюється щільна захисна оксидна плівка, яка перешкоджає контакту металу із середовищем.

Захисна плівка завжди є на поверхні алюмінію. Подібні плівки в сухому повітрі утворюються також на Be, Cr, Zn, Ta, Ni, Си та інших металах . Кисень є найпоширенішим пасиватором.

Пасивуванням пояснюється корозійна стійкість нержавіючих сталей та сплавів.

Захист від корозії

Корозія металів відбувається безперервно і завдає ве­личезних збитків. Підраховано, що прямі втрати заліза від корозії становлять близько 10 % його щорічної виплавки. Внаслідок корозії металеві вироби втрачають свої цінні технічні властивості. Тому важливе значення мають методи за­хисту металів та сплавів від корозії. Вони досить різноманітні. Назвемо деякі з них.

Захисні поверхневі покриття металів. Вони бувають металічними (покриття цинком, оловом, свинцем, нікелем, хро­мом та іншими металами) і неметалічними (покриття лаком, фарбою, емаллю та іншими речовинами). Ці покриття ізолю­ють метал від зовнішнього середовища. Так, покрівельне залізо покривають цинком; з оцинкованого заліза виготовля­ють численні вироби побутового та промислового призначен­ня. Шар цинку запобігає корозії заліза, бо цинк, хоча й більш активний метал, ніж залізо (див. ряд стандартних електродних потенціалів металів, вкритий оксидною плівкою. В разі пошкодження захисного шару (подряпини, пробої дахів тощо) за наявності вологи виникає гальванічна пара Zn | Ре. Катодом (позитивним полюсом) є залізо, анодом (негативним полюсом) — цинк (рис. 12.6). Електрони переходять від цинку до заліза, де зв'язуються молекулами кисню (киснева деполя­ризація), цинк розчиняється, а залізо залишається захищеним доти, доки не зруйнується весь шар цинку, що потребує до­сить багато часу. Покриття залізних виробів нікелем, хромом,

крім захисту від корозії, надає їм красивого зовніш­нього вигляду.

Рис. 2 Корозійне руйнування цинку в загальному парі Zn | Fe

оскільки під­вищується схильність сплавів до пасивації. Створення сплавів з антикорозійними власти­востями — один з найважливіших напрямків боротьби проти корозійних втрат.

Протекторний захист і електрозахист. Протекторний за­хист застосовують у тому разі, коли захищається конструкція (підземний трубопровід, корпус судна), яка перебуває в середовищі електроліту (морська вода, підземні ґрунтові води та ін.). Суть такого захисту поля­гає в тому, що конструкцію сполучають з протектором — більш активним металом, ніж метал конструкції, яку захища­ють. Як протектор для захисту стальних виробів звичайно використовують магній, алю­міній, цинк та їх сплави. У про­цесі корозії протектор є анодом і руйнується, запобігаючи тим самим руйнуванню конструкції (рис. 3). У міру руйну­вання протекторів їх замінюють новими.

Рис. 3 Схема протекторного захисту

підземного трубопроводу

На цьому принципі ґрунтується й електрозахист. Конструк­цію, яка перебуває в середовищі електроліту, також сполуча­ють з іншим металом (звичайно шматком заліза, рейкою тощо), але через зовнішнє джерело струму. При цьому конструкцію, яку захищають, під’єднують до катода, а метал— до анода джерела струму. Електрони відщеплюються від ано­да джерелом струму, анод (захисний метал) руйнується, а на катоді відбувається відновлення окисника.

Електрозахист має перевагу над протекторним захистом: радіус дії першого близько 2 000 м, другого — близько 50 м.

Зміна складу середовища. Для уповільнення корозії ме­талевих виробів до електроліту вводять речовини (найчастіше органічні), які називають уповільнювачами корозії, або інгібіторами, їх застосовують у тих випадках, коли метал необхідно захищати від роз'їдання кислотами. Вчені створили ряд інгібіторів (препарати марок 4M, ПБ та інші), які при до­данні до кислоти в сотні разів сповільнюють розчинення (корозію) металів.