Химическая коррозия: Химическая коррозия

2. Химическая коррозия

Химическая
коррозияпредставляет собой
самопроизвольное разрушение металла
в среде окислительного газа (например,
кислорода, галогенов) при повышенных
температурах или в жидких неэлектролитах.
Сущность процессов химических коррозии
сводится к окислительно-восстановительной
реакции, осуществляемой непосредственным
переходом электронов металла к окислителю.

Химическая
газовая коррозия
обычно протекает при высоких температурах
в газах и парах агрессивных веществ,
когда исключена возможность их конденсации
на поверхности металла, и поэтому ее
часто называют высокотемпературной
газовой коррозией. Это
коррозия лопаток турбин, сопел ракетных
двигателей, элементов электронагревателей,
а также коррозия в процессах термической
обработки в металлургической промышленности
(при горячей прокатке, закалке, ковке).
К коррозионным газовым агентам относятся
O₂,
H₂O,
CO₂,
SO₂,
H₂S,
Cl₂
и др.

Термодинамика
газовой коррозии.

Рассмотрим
химическую коррозию в газах (газовую
коррозию), в частности, коррозию в
атмосфере кислорода. Уравнение реакции
окисления металла кислородом можно
записать в виде:

m
Me_(тв)
+

O_2(г)Me_mO_n(тв)

(1)

Константа
равновесия реакции (1) имеет вид:

K_p
=

( 2) ,

где

— равновесное парциальное давление
кислорода. К_р
связана с изменением энергии Гиббса [
] следующим уравнением:

=
=,( 3)

где

— неравновесное парциальное давление
кислорода.

Это
уравнение позволяет оценить возможность
протекания процесса окисления. Если

>
,
то процесс окисления возможен, так как
в этих условиях
<
0. Если

<
,
то окисление невозможно, так как
>
0.

Этот
принцип используют для предотвращения
газовой коррозии в ряде технологических
операций, например, в металлургии. Снижая
парциальное давление кислорода

в газовой среде, защищают металл от
окисления при высоких температурах.

Кинетика
газовой коррозии

Обычно
скорость газовой коррозии ( r
) выражают через скорость роста
толщины ()
оксидной пленки во времени ()
:

r
=
.

Из
большого числа факторов, влияющих на
скорость, существенную роль в случае
газовой коррозии играет состояние
поверхности металла, а именно отсутствие
или наличие на ней оксидной пленки в
результате окисления металла. Окисление
металлов – процесс многостадийный.

Основные
стадии газовой коррозии металлов.Образование продуктов коррозии
осуществляется в результате протекания
ряда последовательных и параллельных
реакций. На рис. 2. представлена схема
образования сплошной оксидной пленки
при окислении металла кислородом из
газовой фазы.

Стадии
окисления металла:

1.
ионизация металла и переход его в форме
ионов и электронов в слой оксида;

2.
перемещение ионов металла Меⁿ⁺и электронов в слое оксида;

3.
реакция образования оксида.

Рис.
2. Схема механизма образования и роста
защитной оксидной пленки на поверхности
металла

Поверхностная
пленка, которая образуется на металле,
определяет его коррозионную устойчивость
в агрессивной среде. Толщина пленок
обусловливается видом металла, свойствами
коррозионной среды и рядом других
факторов. Различают тонкие (невидимые),
средние (видимые благодаря интерференционному
окрашиванию как цвета побежалости) и
толстые (видимые) пленки. Толщина первых
составляет от монослоя молекул до 40 нм.
Средние имеют толщину 40…500 нм. Толстые
пленки обнаруживаются на поверхности
визуально (например, окалина на стали)
и имеют толщину более 500 нм.

Чтобы
оксидная пленка обладала защитными
свойствами, она должна удовлетворять
следующим требованиям: быть сплошной
и беспористой, обладать высокой адгезией
к металлу, быть химически инертной к
агрессивной среде, обладать выской
твердостью и износостойкостью.

Влияние
различных факторов на скорость
высокотемпературной коррозии.
К внутренним факторам, влияющим на
скорость газовой коррозии, относятсяприрода, химический и фазовый состав
сплава, наличие механических напряжений
и деформаций, состояние поверхности.

Внешние
факторы,
такие как состав,
давление, температура, скорость движения
газовой среды, время ее контакта, режим
нагрева,
оказывают большее влияние на скорость
коррозии. Колебания температуры
(особенно попеременный нагрев и
охлаждение) вызывают быстрое разрушение
защитной пленки из-за возникновения
больших внутренних напряжений.

С
повышением парциального давления
кислорода скорость окисления металлов
при высокой температуре увеличивается,
а затем при достижении некоторого
критического значения резко уменьшается
и остается достаточно низкой в широком
диапазоне давлений. Наблюдаемое явление
получило название высокотемпературной
пассивации.
Пассивное состояние металла объясняется
образованием на поверхности совершенной
по структуре оксидной пленки.

Коррозия
под действием продуктов сгорания
топлива. Продукты сгорания топлива
(угля, мазута и др.) в большинстве случаев
содержат значительные количества
соединений серы и ванадия. Под действием
соединений серы железоуглеродистые
сплавы подвергаются межкристаллитной
коррозии из-за большего числа дефектов
в кристаллических решетках сульфидов
по сравнению с решетками оксидов.

С
повышением содержания в продуктах
сгорания топлива оксида углерода (II)
заметно снижается скорость газовой
коррозии углеродистых и низколегированных
сталей, однако при очень высоких его
концентрациях возможно науглероживание
поверхности:

3
Fe+ 2CO
Fe₃C+CO₂

Науглероживание
поверхности стали происходит и при
нагревании ее в атмосфере углеводородов.

Коррозия
железа, стали, чугуна в атмосфере,
содержащей О₂, СО₂,
Н₂О. При
нагревании железа и сталей на их
поверхности образуется окалина, имеющая
сложное строение. Из-за большего объема
образующихся оксидов компонентов чугуна
размеры детали увеличиваются, а ее
прочность снижается.

В
стали и чугуне наряду с окислением
железа происходит взаимодействие
карбида железа с кислородом и
кислородосодержащими реагентами:

Fe₃C
+ O₂3 Fe + CO₂

Fe₃C
+ CO₂3 Fe + 2 CO

При
этом их поверхностный слой
обедняется углеродом (так называемое
обезуглероживание), что ухудшает их
механические и антикоррозионные
свойства.

За
защиты от газовой коррозии применяют
жаростойкоелегирование(например, хромом, алюминием, кремнием),защитные покрытия(главным образом,
металлические и термодиффузионные
покрытия алюминием, хромом и жаростойкие
эмали), а также различные защитные
атмосферы (Ar,N₂,N₂–CO₂и др. ).

Химическая
коррозия в жидкостях-неэлектролитах.
Жидкие неэлектролиты – это жидкие
коррозионные среды, не проводящие
электрический ток. К ним относят жидкости
органического (спирты, бензолы, нефть,
керосин и др.) и неорганического (жидкий
бром, расплавленная сера) происхождения.
Сами по себе (в чистом виде) они
малоагрессивны, однако присутствие в
них даже небольших количеств примесей
(воды, йода, сероводорода и др.) резко
увеличивает их активность.

Например,
меркаптаны (R
–SH),
содержащиеся в нефти, вызывают коррозию
Cu,
Ni,
Ag,
Pb,
Sn
и других металлов с образованием их
меркаптидов (M
— (SR)_n).
Присутствие воды величивает коррозионную
активность сырой нефти, содержащей
тиоспирты и сероводород. Последний
реагирует с Fe,
Pb,
Cu,
Ag
с образованием сульфидов:

2
Cu
+ 2 H₂S
+ O₂
2 CuS
+ H₂
O

ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ

Учебный процесс Студенты-электрохимики Студенты-экономисты Магистры Аспиранты Общественная работа Казанский Общественный Фонд «Выбор» Коалиция «За свободный от табачного дыма Татарстан» ИДПО Воспоминания об Илье Николаевиче Андрееве

Представим себе металл в процессе производства металлического проката на металлургическом заводе: по клетям прокатного стана движется раскаленная масса. Во все стороны от нее разлетаются огненные брызги. Это с поверхности металла скалываются частички окалины – продукта химической коррозии, возникающего в результате взаимодействия металла с кислородом воздуха. Такой процесс самопроизвольного разрушения металла из-за непосредственного взаимодействия частиц окислителя и окисляемого металла, называется химической коррозией. По характеру разрушений различают общий и локальный виды химической коррозии. При этом химическая коррозия может протекать как компонентно-избирательная или структурно-избирательная, а локальная коррозия может быть межкристаллитной или носить язвенный характер (например, такой может оказываться ванадиевая коррозия). По природе коррозионной среды различают коррозию в кислородсодержащих или серусодержащих газах, водородную, ванадиевую, галогенидную коррозию, коррозию в расплавах серы[1] и других неметаллах и т. д. Эти виды коррозии проявляются в том случае, если коррозионная среда не является электропроводной. Такие условия возникают, когда металл соприкасается с газами при высоких температурах, когда исключается конденсация влаги на поверхности металла. Поэтому при подборе материалов, пригодных для эксплуатации в условиях газовой коррозии, приходится сочетать их устойчивость к окислению (жаростойкость) с высокой прочностью при повышенных температурах (жаропрочность). Одним из наиболее распространенных видов газовой коррозии металлов является коррозия в кислородсодержащих газах. Чаще всего она встречается при эксплуатации различных топочных устройств паровых котлов[2], двигателей внутреннего сгорания, когда при сгорании топлива в воздухе или кислороде образуется газовая смесь, содержащая кислород. Такой вид коррозии металлов наблюдается  также при обработке металлических заготовок в кузнечных и термических цехах, так как детали при термической обработке (закалке, отжиге), при ковке, штамповке, прокатке, волочении и других операциях горячей обработки металлов нагревают до высоких температур, а затем они могут контактировать с воздухом и окисляться. Рис. 7. Слоистое строение окалины, образующейся на железе при его окислении на воздухе при повышенной температуре. При коррозии металлов в таких условиях образуется окалина. На железе, стали, чугунах окалина имеет сложное строение: часто она состоит из трех слоев (рис.7) с разной концентрацией кислорода и степенью окисления железа (рис. 8). Слоистость окалины наблюдается вследствие убывания концентрации кислорода в пленке окалины по мере приближения к металлу, так как каждый из слоев представляет барьер на пути диффузии кислорода к металлу. При окислении сплавов состав окалины может быть переменным[3],  по толщине слоя окалины соотношение компонентов сплава может изменяться по сложному закону (рис. 9). Переменными по составу оказываются  и слои окалины и при сульфидной коррозии в расплаве серы, например при коррозии ковара (сплав Fe+Co+Ni)[4]. При кислородной коррозии стали происходит ее обезуглероживание. Углерод в стали находится в виде цементита Fе3C, возникновение которого в процессе термообработки обеспечивает ее высокую прочность. Под действием кислорода цементит окисляется, и сталь теряет в поверхностных слоях свои прочностные свойства. В чугуне углерод содержится не только в виде цементита, но и в форме пластинчатого графита, который располагается по границам зерен металла, где и происходит наиболее интенсивная диффузия кислорода. Окислению подвергаются участки металла, расположенные на границе зерен. Поскольку продукты окисления имеют больший объем, чем металл, из которого они образовались, то происходит увеличение объема металла при коррозии (так называемый «рост чугуна»). Рис. 8. Схема слоистого строения окалины, образующейся на железе при его окислении на воздухе при повышенной температуре.   Рис.9. Распределение никеля, хрома и магния по сечению окалины на сплаве Ni-10% Cr-0,5% Mg после окисления в течение 10 час. Кислородсодержащие газы вызывают снижение поверхностной прочности металлов, вследствие чего они оказываются подверженными более интенсивному износу. Причиной этого явления также оказывается удаление цементита из поверхностных слоев металла. Износ топочного оборудования при высоких температурах происходит благодаря его контакту с газом, омывающим трубы при большой скорости. Вместе с газом перемещаются и твердые частицы топлива и шлака, имеющие абразивные свойства. Кроме того, в топочных газах обычно содержится окись углерода, которая при температурах 250–400°С способна реагировать с металлами, образуя летучие продукты (карбонилы), уносящиеся вместе с топочными газами. Этот вид коррозии называется карбонильной коррозией металла. В серусодержaщих высокотемпературных газах на поверхности железа, стали, чугунов и других металлов образуется сульфидная или смешанная окалина, которая обладает свойствами, близкими к свойствам кислородной окалины. Она является препятствием для диффузии реагентов друг к другу и проявляет защитное действие. Некоторые виды окалины, например сульфидная окалина никеля, образуют с никелем легкоплавкие вещества, В этом случае возможен переход химической газовой коррозии в высокотемпературную электрохимическую. Водородная коррозия вызывает изменение механических свойств металлов (повышается хрупкость стали, происходит ее расслоение, «пузырение»). Хрупкое разрушение при водородной коррозии происходит в тех случаях, когда сталь имеет высокие прочностные показатели (высокоуглеродистая сталь). Мягкие пластичные стали могут подвергаться расслоению, пузырению. Причиной водородной коррозии является диффузия водорода в сталь и другие материалы, происходящая при высоких температурах. Это может иметь место, например, в аппаратуре для синтеза аммиака. Проникающий в металл водород в таких случаях взаимодействует с цементом, образуя газообразные соединения, например метан СН4, который в стали не растворяется, а собирается в отдельных пустотах, трещинах, дефектах металла, вызывая внутренние напряжения, из-за которых приходится снижать рабочие нагрузки на детали. В результате в мягких сталях возникают пузыри, и металл расслаивается, а высокопрочные стали при относительно небольших механических нагрузках подвергаются хрупкому разрушению. Медь, а также некоторые ее сплавы могут быть склонны к водородной коррозии в тех случаях, когда недостаточно глубоко проведено их раскисление в процессе металлургического производства, то есть, когда в металле сохранился кислород, например, в виде закиси меди Cu2O. Этот оксид образует отдельную фазу в металле, а проникающий в металл водород, химически взаимодействуя с ним, восстанавливает его. При этом возникает водяной пар, который при высокой температуре может быть причиной возникновения хрупкости меди. Некоторые металлы, например титан, способны поглощать (абсорбировать) большие количества кислорода при высокой температуре. Если такой металл оказывается  затем в контакте с водородом, то также может наблюдаться водородная коррозия, снижающая его прочность. При сжигании топлив, содержащих соединения ванадия, в мазутных топках парогенераторов возникает ванадиевая коррозия. Особенностью ее является то, что она может проходить как электрохимическая благодаря образованию расплава на поверхности металла, возникающего при взаимодействии оксида ванадия с железной окалиной. Галогенидная коррозия представляет собой процесс коррозии металлов в хлористом водороде, хлоре, фторе, броме, йоде с образованием галогенидов. Обычно при низких температурах большинство металлов слабо взаимодействует с этими веществами, но при температуре 200–300°С происходит самоускорение этих реакций и некоторые металлы буквально сгорают в этих условиях с большой скоростью. Чтобы определить, возможно ли окисление металла, т. е. может ли начаться коррозионный процесс, используют несколько методов. Один из них, наиболее простой, следующий. В кислородсодержащих газах сопоставляют давление кислорода в газовой смеси (коррозионной среде) и давление распада (диссоциации) окисла металла. Эту величину находят в справочных таблицах. Например, требуется определить, возможно ли окисление палладия на воздухе и в кислороде при 800°С. Сопоставляя табличную величину давления диссоциации оксида палладия, равную 0,61, с давлением кислорода в воздухе, равным 0,21, можно сделать заключение, что в воздухе окисления палладия быть не может, поскольку давление кислорода меньше табличной величины. Но в чистом кислороде палладий будет окисляться, так как давление кислорода равно 1. Обратимся еще к одному примеру. Попытаемся определить, возможна ли сульфидная коррозия серебра при 200°С в смеси водорода и сероводорода. Поскольку коррозия серебра происходит в результате взаимодействия серебра с сероводородом с образованием водорода, сульфидная коррозия может происходить в том случае, если отношения давлений сероводорода и водорода больше или равны 0,2. Это означает, что при всех других соотношениях давлений этих газов можно защитить металл от сульфидной коррозии, выбрав соответствующий состав газовой смеси. Такой прием используют, применяя так называемые «защитные атмосферы» при нагреве металла в процессе его термической обработки; в печи, используемой для нагрева металла, создают газовую смесь определенного состава, который подбирают так, чтобы исключалось окисление металла. В результате взаимодействия металла и коррозионной среды образуются газообразные, жидкие или твердые продукты. От их свойств и агрегатного состояния зависит, в какой степени образующиеся продукты влияют на скорость взаимодействия металла с коррозионной средой. Так, газообразные продукты удаляются с поверхности, не препятствуя взаимодействию окислителя с металлом. Твердые продукты могут образовать пленку на поверхности металла, и развитие взаимодействия металла с окислителем вследствие этого может быть затруднено. Жидкая пленка продуктов также может затруднять коррозионное взаимодействие, но в меньшей степени, чем твердая. Если жидкая пленка электропроводна, коррозионный процесс из химического может превратиться в электрохимический. Это важно отметить, так как скорость электрохимического процесса при высоких температурах может быть более высокой. Наиболее характерны для высокотемпературной газовой коррозии взаимодействия металлов с окислителями через пленки твердых продуктов коррозии. Если пленка сплошная, то скорость коррозии снижается, и тогда пленку называют защитной. Когда объем продукта коррозии меньше объема металла, из которого эта пленка сформировалась, возникают внутренние напряжения растяжения, которые являются причиной разрывов и трещин в пленках. Через них окислитель свободно проникает к поверхности металла, и процесс коррозии продолжается. Если объем продукта коррозии значительно больше объема металла, из которого он образуется, то в пленке возникают напряжения сжатия, приводящие к вздутию, которое возможно при недостаточном сцеплении пленки с металлом. Отрыв пленки сопровождается сколами, облегчающими подход окислителя к металлу, и скорость коррозии возрастает. В тех случаях, когда пленка хорошо связана с металлом, силы сжатия обеспечивают скол оксидной пленки. Часть продукта «выталкивается» и скорость коррозии также возрастает. При расчете припуска на коррозию пользуются законами окисления[5]. Наиболее простым линейным законом удается воспользоваться в тех случаях, когда продукты коррозии газообразны либо пленки продуктов несплошные. Параболический закон соответствует условиям коррозии, когда скорость ее определяется диффузией частиц окислителя и металла через достаточно  толстую пленку продуктов их взаимодействия. Логарифмический закон характеризует окисление металлов с высокой жаростойкостью, на поверхности которых формируются тонкие пленки продуктов коррозии. Примечания [1] Защита металлов,1980, №4, с.478. [2] Акользин П.А. Предупреждение коррозии металла паровых котлов. М. Энергия, 1975, 259 с. [3] Защита металлов, 1975, т. 11, с.211. [4] Защита металлов, 1980, №4, с.478. [5]Наиболее общими из них являются линейный (M = kt), параболический (M2 (M2 = at) и логарифмический M = blg(gt + 1), где M – количество прореагировавшего металла, k, a, b, g и n – константы в уравнениях, описывающих скорость окисления, t – продолжительность процесса. Продолжение Содержание

20.8: Коррозия — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

 Цели обучения

• Понять процесс коррозии.

Коррозия — это гальванический процесс, при котором металлы разрушаются в результате окисления — обычно, но не всегда, до их оксидов. Например, на воздухе железо ржавеет, серебро тускнеет, а медь и латунь приобретают голубовато-зеленую поверхность, называемую патиной. Из различных металлов, подверженных коррозии, железо является наиболее важным с коммерческой точки зрения. По оценкам, только в Соединенных Штатах ежегодно тратится 100 миллиардов долларов на замену железосодержащих объектов, разрушенных коррозией. Следовательно, разработка методов защиты металлических поверхностей от коррозии представляет собой весьма активное направление промышленных исследований. В этом разделе мы опишем некоторые химические и электрохимические процессы, ответственные за коррозию. Мы также изучаем химическую основу некоторых распространенных методов предотвращения коррозии и обработки корродированных металлов.

Коррозия – это окислительно-восстановительный процесс.

В условиях окружающей среды окисление большинства металлов термодинамически самопроизвольно, за заметным исключением золота и платины. Поэтому на самом деле несколько удивительно, что какие-либо металлы вообще полезны во влажной, богатой кислородом атмосфере Земли. Однако некоторые металлы устойчивы к коррозии по кинетическим причинам. Например, алюминий в банках для безалкогольных напитков и в самолетах защищен тонким слоем оксида металла, который образуется на поверхности металла и действует как непроницаемый барьер, предотвращающий дальнейшее разрушение. Алюминиевые банки также имеют тонкий пластиковый слой для предотвращения реакции оксида с кислотой в безалкогольном напитке. Хром, магний и никель также образуют защитные оксидные пленки. Нержавеющие стали удивительно устойчивы к коррозии, поскольку они обычно содержат значительную долю хрома, никеля или того и другого.

В отличие от этих металлов, железо при коррозии образует красно-коричневый гидратированный оксид металла (\(\ce{Fe2O3 \cdot xh3O}\)), широко известный как ржавчина, который не образует плотной защитной пленки (рис. \(\PageIndex{1}\)). Вместо этого ржавчина постоянно отслаивается, обнажая свежую металлическую поверхность, уязвимую для реакции с кислородом и водой. Поскольку для образования ржавчины необходимы и кислород, и вода, железный гвоздь, погруженный в деоксигенированную воду, не заржавеет даже в течение нескольких недель. Точно так же гвоздь, погруженный в органический растворитель, такой как керосин или минеральное масло, не заржавеет из-за отсутствия воды, даже если растворитель насыщен кислородом.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Ржавчина, результат коррозии металлического железа. Железо окисляется до Fe ^{2 +} (водн.) на анодном участке на поверхности железа, который часто является примесью или дефектом решетки. Кислород восстанавливается до воды в другом месте на поверхности железа, которое действует как катод. Электроны переходят от анода к катоду через электропроводящий металл. Вода является растворителем для Fe ^{2 +} , который производится изначально и действует как солевой мостик. Ржавчина (Fe 9o_{cell}\) для процесса коррозии (уравнение \(\ref{Eq3}\)) указывают на то, что существует сильная движущая сила для окисления железа O ₂ в стандартных условиях (1 M H ⁺ ) . В нейтральных условиях движущая сила несколько меньше, но все же заметна (Е = 1,25 В при рН 7,0). Обычно реакция атмосферного CO ₂ с водой с образованием H ⁺ и HCO ₃ ⁻ обеспечивает достаточно низкий pH для увеличения скорости реакции, как и кислотные дожди. Производители автомобилей тратят много времени и денег на разработку красок, которые плотно прилегают к металлической поверхности автомобиля, чтобы предотвратить контакт насыщенной кислородом воды, кислоты и соли с металлом под ним. К сожалению, даже самая лучшая краска подвержена царапинам или вмятинам, а электрохимическая природа процесса коррозии означает, что две царапины, относительно удаленные друг от друга, могут работать вместе как анод и катод, что приводит к внезапному механическому повреждению (рис. \(\PageIndex{ 2}\)).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Небольшие царапины на защитном лакокрасочном покрытии могут привести к быстрой коррозии железа. Отверстия в защитном покрытии позволяют восстанавливать кислород на поверхности с большим воздействием воздуха (катод), в то время как металлическое железо окисляется до Fe ^{2 +} (водн.) на менее открытом участке (анод). Ржавчина образуется, когда Fe ^{2 +} (водн.) диффундирует в место, где он может реагировать с атмосферным кислородом, часто удаленным от анода. Электрохимическое взаимодействие между катодными и анодными участками может привести к образованию большой ямки под окрашенной поверхностью, что в конечном итоге приведет к внезапному отказу с небольшим видимым предупреждением о возникновении коррозии.

Профилактическая защита

Одним из наиболее распространенных методов предотвращения коррозии железа является нанесение защитного покрытия из другого металла, который труднее окисляется. Например, смесители и некоторые внешние детали автомобилей часто покрывают тонким слоем хрома с помощью электролитического процесса. Однако с увеличением использования полимерных материалов в автомобилях использование хромированной стали в последние годы сократилось. Точно так же «жестяные банки», в которых хранятся супы и другие продукты, на самом деле состоят из стального контейнера, покрытого тонким слоем олова. Хотя ни хром, ни металлы олова по своей природе не устойчивы к коррозии, они оба образуют защитные оксидные покрытия, которые препятствуют доступу кислорода и воды к основной стали (железному сплаву).

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Гальваническая коррозия. Если железо находится в контакте с более устойчивым к коррозии металлом, таким как олово, медь или свинец, другой металл может действовать как большой катод, который значительно увеличивает скорость восстановления кислорода. Поскольку восстановление кислорода связано с окислением железа, это может привести к резкому увеличению скорости окисления железа на аноде. Гальваническая коррозия, вероятно, возникает всякий раз, когда два разнородных металла соединяются напрямую, позволяя электронам передаваться от одного к другому. 9{2+}}\) (E° = -0,14 В) и Fe ^{2 +} (E° = -0,45 В) в таблице P2 показывают, что \(\ce{Fe}\) легче окисляется, чем \(\ce{Sn}\). В результате более устойчивый к коррозии металл (в данном случае олово) ускоряет коррозию железа, действуя как катод и обеспечивая большую площадь поверхности для восстановления кислорода (рис. \(\PageIndex{3}\)) . Этот процесс наблюдается в некоторых старых домах, где медные и железные трубы были напрямую соединены друг с другом. Менее легко окисляемая медь действует как катод, вызывая быстрое растворение железа вблизи соединения, что иногда приводит к катастрофическому отказу водопровода. 9{2+}_{(водн.)} + 2H_2O_{(l)} }_{\text{общий}}\label{Eq7} \]

Более активный металл реагирует с кислородом и в конечном итоге растворяется, «жертвуя» себя, чтобы защитить железный предмет. Катодная защита — это принцип, лежащий в основе оцинкованной стали, которая представляет собой сталь, защищенную тонким слоем цинка. Оцинкованная сталь используется в различных предметах, от гвоздей до мусорных баков.

Кристаллическая поверхность горячеоцинкованной стальной поверхности. Это служило как профилактической защите (защита нижележащей стали от кислорода воздуха), так и катодной защите (после воздействия цинк окисляется раньше, чем нижележащая сталь).

В аналогичной стратегии расходуемые электроды с использованием магния, например, используются для защиты подземных резервуаров или труб (Рисунок \(\PageIndex{4}\)). Замена жертвенных электродов более рентабельна, чем замена железных предметов, которые они защищают.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Использование жертвенного электрода для защиты от коррозии. Присоединение магниевого стержня к подземному стальному трубопроводу защищает трубопровод от коррозии. Поскольку магний (E ° = -2,37 В) окисляется гораздо легче, чем железо (E ° = -0,45 В), стержень Mg действует как анод в гальваническом элементе. Таким образом, трубопровод вынужден действовать как катод, на котором восстанавливается кислород. Почва между анодом и катодом действует как солевой мост, который замыкает электрическую цепь и поддерживает электрическую нейтральность. Поскольку Mg(s) окисляется до Mg ^{2 +} на аноде, анионы в почве, такие как нитраты, диффундируют к аноду, чтобы нейтрализовать положительный заряд. Одновременно катионы в почве, такие как H ⁺ или NH ₄ ⁺ , диффундируют к катоду, где они восполняют протоны, потребляемые при восстановлении кислорода. Аналогичная стратегия использует многие мили несколько менее реактивной цинковой проволоки для защиты нефтепровода на Аляске.

Пример \(\PageIndex{1}\)

Предположим, старый деревянный парусник, скрепленный железными винтами, имеет бронзовый гребной винт (напомним, что бронза — это сплав меди, содержащий около 7–10 % олова). 9\circ_{\textrm{overall}} =\textrm{1,68 В}
\end{align*} \nonumber \]

Со временем железные винты растворятся, и лодка развалится.

2. B Возможные способы предотвращения коррозии, в порядке снижения затрат и неудобств, следующие: разборка лодки и ее сборка с помощью бронзовых винтов; снятие лодки с воды и хранение ее в сухом месте; или прикрепление недорогого куска металлического цинка к гребному валу в качестве жертвенного электрода и замена его один или два раза в год. Поскольку цинк является более активным металлом, чем железо, он будет действовать как расходуемый анод в электрохимической ячейке и растворяться (уравнение \(\ref{Eq7}\)).

Цинковый расходуемый анод (округлый предмет, привинченный к нижней части корпуса), используемый для предотвращения коррозии винта в лодке посредством катодной защиты. Изображение Реми Каупп и используется с разрешения.

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Предположим, что водопроводные трубы, ведущие в ваш дом, сделаны из свинца, а остальная сантехника в вашем доме — из железа. Чтобы исключить возможность отравления свинцом, вы вызываете сантехника для замены свинцовых труб. Он назовет вам очень низкую цену, если он сможет использовать свой существующий запас медных труб для выполнения этой работы.

1. Вы принимаете его предложение?
2. Что еще нужно сделать сантехнику в вашем доме?

Ответить на

Нет, если только вы не планируете продать дом в ближайшее время, потому что соединения труб \(\ce{Cu/Fe}\) приведут к быстрой коррозии.

Ответ б

Любые существующие соединения \(\ce{Pb/Fe}\) должны быть тщательно проверены на наличие коррозии железных труб из-за соединения \(\ce{Pb–Fe}\); менее активный \(\ce{Pb}\) будет служить катодом для восстановления \(\ce{O2}\), способствуя окислению более активного \(\ce{Fe}\) поблизости.

Резюме

Коррозия — это гальванический процесс, который можно предотвратить с помощью катодной защиты. Ухудшение металлов в результате окисления представляет собой гальванический процесс, называемый коррозией. Защитные покрытия состоят из второго металла, который труднее окисляется, чем защищаемый металл. В качестве альтернативы на металлическую поверхность можно нанести более легко окисляющийся металл, что обеспечит катодную защиту поверхности. Тонкий слой цинка защищает оцинкованную сталь. Жертвенные электроды также могут быть прикреплены к объекту для его защиты.

20.8: Коррозия распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 3.0 и была создана, изменена и/или курирована LibreTexts.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   3,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. коррозия
   2. Профилактическая защита
   3. протекторный анод
   4. жертвенный электрод

17.6: Коррозия — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• ОпенСтакс
• ОпенСтакс

Цели обучения

• Дать определение коррозии
• Перечислите некоторые методы, используемые для предотвращения или замедления коррозии

Коррозия обычно определяется как разрушение металлов в результате электрохимического процесса. Образование ржавчины на железе, потускнение серебра и сине-зеленая патина на меди — все это примеры коррозии. Общая стоимость коррозии в Соединенных Штатах значительна и оценивается более чем в полтриллиона долларов в год.

Изменение цвета

Статуя Свободы — достопримечательность, узнаваемая каждым американцем. Статую Свободы легко узнать по высоте, осанке и уникальному сине-зеленому цвету. Когда эта статуя была впервые доставлена ​​из Франции, ее внешний вид не был зеленым. Он был коричневым, цвета его медной «кожи». Так как же Статуя Свободы изменила цвет? Изменение внешнего вида было прямым результатом коррозии. Медь, которая является основным компонентом статуи, медленно окислялась на воздухе. Окислительно-восстановительные реакции металлической меди в окружающей среде протекают в несколько стадий. Металлическая медь окисляется до оксида меди(I) (\(\ce{Cu_2O}\)), который имеет красный цвет, а затем до оксида меди(II), который имеет черный цвет.

\[\ce{2Cu(s)} +\ce{1/2O2(g)} \rightarrow \underset{\text{red}}{\ce{Cu2O(s)}} \nonumber \]

\[\ce{Cu2O(s)} +\ce{1/2O2(g)} \rightarrow \underset{\text{black}}{\ce{2CuO(s)}} \nonumber \]

Уголь, который часто был с высоким содержанием серы, широко сжигался в начале прошлого века. В результате триоксид серы, углекислый газ и вода вступили в реакцию с \(\ce{CuO}\).

\[\ce{2CuO(s)}+\ce{CO2(g)} + \ce{h3O(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_2CO3(OH)2 (s)}} \номер\]

\[\ce{3CuO(s)}+\ce{2CO2(g)}+\ce{h3O(l)} \rightarrow \underset{\text{blue}}{\ce{Cu_2(CO_3)_2 (OH)2(s)}} \nonumber \]

\[\ce{4CuO(s)}+\ce{SO3(g)}+\ce{3h3O(l)} \rightarrow \underset{\text {green}}{\ce{Cu_4SO_4(OH)6(s)}} \nonumber \]

Эти три соединения ответственны за характерную сине-зеленую патину, наблюдаемую сегодня. К счастью, образование патины создало на поверхности защитный слой, предотвращающий дальнейшую коррозию медной оболочки. Формирование защитного слоя — это форма пассивации, которая обсуждается далее в следующей главе.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): (a) Статуя Свободы покрыта медной кожей и изначально была коричневой, как показано на этой картине. (b) Воздействие элементов привело к образованию сине-зеленой патины, наблюдаемой сегодня.

Возможно, самым известным примером коррозии является образование ржавчины на железе. Железо ржавеет под воздействием кислорода и воды. Основные этапы ржавления железа, по-видимому, включают следующее. При контакте с атмосферой железо быстро окисляется. 9+}_{(водный раствор)} \номер\]

Количество молекул воды различно, поэтому оно представлено как x . В отличие от патины на меди, образование ржавчины не создает защитного слоя, поэтому коррозия железа продолжается, поскольку ржавчина отслаивается и подвергает свежее железо воздействию атмосферы.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Как только краска царапается на окрашенной железной поверхности, возникает коррозия и начинает образовываться ржавчина. Скорость спонтанной реакции увеличивается в присутствии электролитов, таких как хлорид натрия, используемый на дорогах для растапливания льда и снега или в соленой воде. показан тонкими фиолетовыми слоями, помеченными “Слой краски” на его верхней и нижней поверхностях. Пробел в верхнем фиолетовом слое в левом верхнем углу диаграммы помечен как «Катодный участок». Синяя капля с надписью “вода” располагается над зазором. Изогнутая стрелка проходит из пространства над каплей на поверхность серой области и в каплю воды. Основание стрелки помечено как “O нижний индекс 2” а кончик стрелки помечен “Н подстрочным индексом 2 О.” Зазор справа и в нижней части серой области показывает, что часть серой области исчезла из области под фиолетовым слоем. Капля воды закрывает этот зазор и выходит в открытое пространство в сером прямоугольнике. Метка “F e верхний индекс 2 положительный” находится в центре капли. Изогнутая стрелка указывает от края серой области внизу к метке. Вторая изогнутая стрелка идет от положительной стрелки F e верхнего индекса 2 к ржаво-коричневому участку на нижней поверхности фиолетового слоя на краю капли воды. Изогнутая стрелка проходит от нижнего индекса O 2 за пределы капли внутрь капли до ржаво-коричневого куска. Серая область в нижней правой части диаграммы помечена как «Анодное место». Стрелка проходит от анодного участка к катодному участку, который помечен как «e верхний индекс отрицательный».

Один из способов уберечь железо от коррозии — красить его. Слой краски предотвращает контакт воды и кислорода, необходимых для образования ржавчины, с железом. Пока краска остается неповрежденной, железо защищено от коррозии.

Другие стратегии включают сплав железа с другими металлами. Например, нержавеющая сталь — это в основном железо с небольшим количеством хрома. Хром имеет тенденцию собираться вблизи поверхности, где он образует оксидный слой, защищающий железо.

Оцинкованное или оцинкованное железо использует другую стратегию. Цинк легче окисляется, чем железо, потому что у цинка более низкий восстановительный потенциал. Поскольку цинк имеет более низкий восстановительный потенциал, он является более активным металлом. Таким образом, даже если цинковое покрытие поцарапается, цинк все равно окислится раньше железа. Это говорит о том, что этот подход должен работать и с другими активными металлами.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Одним из способов защиты подземного резервуара для хранения железа является катодная защита. Использование активного металла, такого как цинк или магний, в качестве анода эффективно превращает резервуар для хранения в катод, предотвращая его коррозию (окисление). На схеме показана система подземных резервуаров для хранения. Под землей в левом конце схемы находится горизонтальный серый резервуар с надписью «Объект, подлежащий охране». Черная линия проходит вверх от центра резервуара над землей. Стрелка указывает вверх на левой стороне сегмента линии. Горизонтальный сегмент черной линии продолжается прямо над землей с пометкой «Источник питания не требуется». Отрезок линии, проходящий вверх и вправо, помечен как «Отводящий провод». Отрезок линии со стрелкой, указывающей вниз, справа от него проходит вниз под землей ко второй металлической конструкции, похожей на резервуар, с надписью «Жертвенный анод», которая ориентирована вертикально. Пять черных стрелок указывают влево под землю к первому резервуару. Эти стрелки вместе обозначены как «Защитный ток».

Еще один важный способ защитить металл — сделать его катодом в гальваническом элементе. Это катодная защита, которую можно использовать не только для железа, но и для других металлов. Например, ржавчину подземных резервуаров и труб для хранения железа можно предотвратить или значительно уменьшить, соединив их с более активным металлом, таким как цинк или магний. Это также используется для защиты металлических частей водонагревателей. Более активные металлы (с более низким восстановительным потенциалом) называются жертвенными анодами, потому что по мере их износа они подвергаются коррозии (окислению) на аноде. Защищаемый металл служит катодом и поэтому не окисляется (корродирует). Когда аноды должным образом контролируются и периодически заменяются, полезный срок службы резервуара для хранения железа может быть значительно увеличен.

Резюме

Коррозия – это разрушение металла, вызванное электрохимическим процессом. Ежегодно тратятся большие суммы денег на устранение последствий коррозии или ее предотвращение. Некоторые металлы, такие как алюминий и медь, образуют защитный слой при коррозии на воздухе. Тонкий слой, образующийся на поверхности металла, предотвращает контакт кислорода с большим количеством атомов металла и, таким образом, «защищает» оставшийся металл от дальнейшей коррозии. Железо корродирует (образует ржавчину) при воздействии воды и кислорода. Ржавчина, образующаяся на железном металле, отслаивается, обнажая свежий металл, который также подвергается коррозии. Одним из способов предотвращения или замедления коррозии является нанесение покрытия на металл. Покрытие предотвращает контакт воды и кислорода с металлом. Краска или другие покрытия замедляют коррозию, но они неэффективны, если их поцарапать. Оцинкованное или гальванизированное железо использует тот факт, что цинк более склонен к окислению, чем железо. Пока покрытие остается, даже если оно поцарапано, цинк окислится раньше железа. Еще одним методом защиты металлов является катодная защита. В этом методе легко окисляемый и недорогой металл, часто цинк или магний (жертвенный анод), электрически соединяется с металлом, который необходимо защитить. Более активный металл является жертвенным анодом и является анодом в гальваническом элементе. «Защищенный» металл является катодом и остается неокисленным. Одним из преимуществ катодной защиты является то, что расходуемый анод можно контролировать и при необходимости заменять.

Глоссарий

катодная защита

метод защиты металла с помощью расходуемого анода и эффективного получения металла, который нуждается в защите катода, таким образом предотвращая его окисление

коррозия

деградация металла посредством электрохимического процесса

оцинкованное железо

способ защиты железа путем покрытия его цинком, который будет окисляться раньше железа; оцинкованное железо

расходуемый анод

более активный, недорогой металл, используемый в качестве анода в катодной защите; часто изготавливается из магния или цинка

Эта страница под названием 17. 6: Corrosion распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Вернуться к началу

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   ОпенСтакс

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.