Коррозия металлов

Коррозия металлов

Поэт В. Шефнер писал: «Коррозия – рыжая крыса, грызёт металлический лом».  А также есть  народную мудрость: «Ржа ест железо».

 Слово коррозия (от лат. сorrosio – разъедание) – это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под влиянием окружающей среды.

Каждый год  из-за коррозии теряется около четверти всего произведённого в мире железа. Порча изделий из металла и потеря металлов обходится очень дорого.    Затраты на ремонт или замену изделий во много раз превышают стоимость того металла, из которого они изготовлены.

Коррозия вызывает и серьёзные экологические последствия. Если происходит разрушение трубопроводов газа или нефти, то это приводит к загрязнению окружающей среды, а это негативно сказывается на здоровье людей.

Коррозию металлов и сплавов вызывают такие компоненты окружающей среды, как вода, кислород, оксиды углерода и серы, содержащиеся в воздухе, водные растворы солей (морская вода, грунтовые воды).

Различают коррозию:

·     химическую

·     электрохимическую

При химической коррозии металл разрушается под действием окислителей – неэлектролитов, например газов (кислорода, хлора и др.) при повышенной или даже обычной температурах:   2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

При электрохимической коррозии разрушение металлов происходит в растворах электролитов. Это значит, что в окружающей  среде, где находится металл, должны быть вода и окислители: кислород, растворённые кислоты, соли. Так, под действием воздуха и содержащихся в нём паров воды на поверхности медных и бронзовых изделий образуется зелёная плёнка, называемая патиной:  2Cu + O₂ + CO₂ + H₂O = (CuOH)₂CO₃

Но чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа. Особенно сильно коррозирует металл во влажном воздухе и при соприкосновении с водой. 

Процесс коррозии железа часто называют ржавлением. Автомобили, сельскохозяйственные машины, стальные балки, кухонная посуда – все эти изделия, будучи новыми, имеют гладкую, блестящую поверхность. Но при хранении во влажной атмосфере и при недостаточном уходе, они покрываются бурыми пятнами ржавчины, состав которой можно выразить обобщённой формулой Fe₂O₃ · nH₂O.

При коррозии металлов и сплавов протекают окислительно-восстановительные реакции, в результате которых атомы металла, взаимодействуя с компонентами окружающей среды, окисляются, а сам окислитель восстанавливается. При этом металл из свободного состояния переходит в химические соединения – оксиды, сульфиды, гидроксиды:  4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃

Химически чистое железо почти не подвержено коррозии, а техническое железо, которое содержит различные примеси, ржавеет. Следовательно, одной из причин коррозии является наличие примесей в металле.

Возле города Дели в Индии находится железная колонна с очень маленькими пятнышками ржавчины, хотя её возраст почти тысячу семьсот лет. Это знаменитая Кутубская колонна высотой около семь м и массой шесть с половиной т. Согласно одной из гипотез, долговечность и коррозионная устойчивость колонны объясняются очень малым количеством различных примесей в железе и относительно невысокой влажностью, характерной для этой местности.

Например, если два различных металла, которые находятся в контакте между собой, опустить в водный раствор электролита (это могут быть грунтовые воды, сконденсированная влага из атмосферы), то металл более активный, расположенный в электрохимическом ряду напряжений левее, будет разрушаться, и тем самым предохранять менее активный металл от коррозии.  Например, при контакте железа с медью в водной среде, железо, как более активный металл, постепенно коррозирует, переходя в воду в виде ионов железа. Таким образом, коррозия металла резко усиливается при соприкосновении его с менее активным металлом.

Образовавшиеся свободные электроны от атомов железа, перейдут к меди и на её поверхности соединяться с ионами водорода, которые образуются из компонентов водной среды (например, серной или других кислот). Этот электрохимический процесс можно представить так:

И наоборот, при контакте железа с более активным цинком, цинк разрушается и защищает железо от коррозии.

Таким образом, коррозия металла замедляется при соприкосновении его с металлом более активным, то есть находящимся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее его.

Для борьбы с коррозией существует много способов:

·        Во-первых, это нанесение защитных покрытий на поверхность металла. Для этого  часто используют масляные краски, эмали, лаки.  Эти неметаллические покрытия дешёвые, но обычно недолговечные, поэтому их нужно обновлять.

Так, например, раз в год  красят Эйфелеву башню в Париже.

В 1617 г. В Англии был выдан патент №4 на изобретение защиты доспехов – кольчуги и лат – от коррозии путём использования специального масла.

Предохраняемый металл можно покрыть и слоем другого металла: золота, серебра, хрома, никеля, олова, цинка. А также используют сплавы: бронзу, латунь и др. Таким образом, металлические изделия хромируют, никелируют, цинкуют и т.д.

Один из самых старых способов – это лужение, или покрытие железного листа слоем олова. Такое железо называют белой жестью, которую в основном используют для изготовления консервной тары.

·        Во-вторых, используют нержавеющие стали, содержащие специальные добавки. Например, так называемая «нержавейка», из которой изготавливают столовые приборы, содержит до 12% хрома и до 10% никеля.

Лёгкие нержавеющие сплавы включают алюминий и титан. Эта нержавеющая сталь довольно стойкая к коррозии из-за того, что на её поверхности образуется оксидная плёнка, которая состоит из оксидов хрома и железа. Так, обелиск «Покровителям космоса», расположенный во Всероссийском выставочном центре, облицован пластинками из титанового сплава.

·        В-третьих, для защиты от коррозии вводят в среду, где находятся металлические изделия, вещества, которые значительно уменьшают агрессивность среды. Такие вещества называют ингибиторами коррозии. Ингибиторами коррозии могут быть фосфаты натрия, соли хромовой кислоты или органические соединения. Для предотвращения коррозии железа в серной кислоте к ней добавляют в качестве ингибитора азотную кислоту.

·        В-четвёртых, создают контакт с более активным металлом – протектором. Например, для защиты стальных корпусов морских судов обычно используют цинк. На суше металлические конструкции, линии электропередачи и трубопроводов соединяют с листом или куском более активного металла. С этой же целью к деталям конструкции мостов приваривают куски цинка.