Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 12. ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

§ 12.7. Коррозия металлов

Под время эксплуатации изделий из металлов и их сплавов приходится сталкиваться с явлением разрушение их под действием окружающей яишнього среды. Разрушение металлов и сплавов вследствие взаимодействия их с окружающей средой называется коррозией.

Коррозия металлов наносит большой экономического вреда. Вследствие коррозии выходят из строя оборудование, машины, механизмы, разрушаются металлические конструкции. Особенно сильно подвергается коррозии оборудования, контактирующего с агрессивной средой, например растворами кислот, солей.

Коррозионное разрушение может охватывать всю поверхность металла - сплошная (общая) коррозия или отдельные участки - местная (локальная) коррозия. В зависимости от механизма процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия - это разрушение металла вследствие окисления его окислителями, содержащимися в коррозионном среде.

Химическая коррозия происходит без возникновения электрического тока в системе. Такой вид коррозии возникает во время контакта металлов с неэлектролитами или в газовой среде при высоких температурах (газовая коррозия).

Газовая коррозия случается довольно часто. С ней мы сталкиваемся при коррозии металлов в печах, выхлопных трубах и т.д. Самыми безопасными для металлов компонентами газовой среды является кислород О₂, пары воды Н₂О, оксид карбона(ИV) СО₂, оксид серы(ИV) SO₂. Коррозионное разрушение железа и его сплавов на воздухе обусловлено окисненням его кислородом:

4Fe + ЗО₂ = 2Fe₂O₃.

С повышением температуры скорость газовой коррозии возрастает.

Наибольший вред наносит электрохимическая коррозия.

Электрохимической коррозией называется разрушение металла при контакте с электролитами с возникновением в системе электрического тока.

В этом случае наряду с химическими процессами (отщепления электронов) происходят и электрические (перенос электронов от одного участка к другому). При этом в результате взаимодействия металла с молекулами воды с коррозионной среды на нем происходят два процессы: окисления металла Me (анодный процесс):

Me - 2е^- = Ме²⁺

и восстановление окислителей - компонентов среды (катодный процесс). Как правило, окислителями выступают ионы водорода Н⁺ (коррозия с водородной деполяризацією) или растворенный в воде кислород O₂ (коррозия с кислородной деполяризацією). В первом случае во время катодного процесса выделяется водород: 2Н⁺ + 2е^- = Н₂,

а во втором - образуются гидроксид-ионы:

O₂ + 2Н₂О + 4е^- = 4OН^-.

Участки поверхности металла, на которых происходят процессы окисления и восстановления, называют соответственно анодными и катодными.

Рассмотрим как пример электрохимической коррозии реакции при электрохимической коррозии железа. Если коррозия происходит в растворе кислоты, то идут следующие реакции:

Коррозия железа в нейтральном или щелочной среде характеризуется следующими реакциями:

Гидроксид железа(II), образовавшийся легко окисляется кислородом воздуха:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃.

Продукт коррозии железа - бурая ржавчина - это смесь гидроксидов железа(II) и железа(III), продуктов их разложения и взаимодействия с углекислым газом и другими веществами из окружающей среды.

Электрохимическая коррозия может быть усиленная, если металл содержит примеси других веществ или неметаллические включения. Например, железо загрязненный примесями меди. При этом возникают гальванические микроэлементы (пары), схема действия которых приведены на рис. 12.5.

Металл с более отрицательным потенциалом разрушается - его ионы переходят в раствор, а электроны переходят к менее активного металла, на котором происходит восстановление ионов водорода (водородная деполяризация) или восстановления растворенного в воде кислорода (кислородная деполяризация). Следовательно, при электрохимической коррозии (как в случае контакта разнородных металлов, так и в случае образования мікрогальванічних элементов на поверхности одного металла) поток электронов направлен от более активного металла к менее активному (проводника), и более активный металл корродирует. Скорость коррозии тем больше, чем дальше расположены друг от друга в ряду стандартных электродных потенциалов те металлы, из которых образовался гальванический элемент (гальваническая пара). На скорость коррозии влияет и характер раствора электролита. Чем выше его кислотность (то есть меньше pH), а также чем больше содержание в нем окислителей, тем быстрее происходит коррозия. Значительно возрастает коррозия при повышении температуры.

Некоторые металлы при контакте с кислородом воздух в агрессивной среде переходят в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия. Например, концентрированная азотная кислота легко делает пассивным железо, и оно практически не реагирует с концентрированной нітратною кислотой. В таких случаях на поверхности металла образуется плотная защитная оксидная пленка, которая препятствует контакту металла со средой.

Защитная пленка всегда есть на поверхности алюминия (см. § 13.11). Подобные пленки в сухом воздухе образуются также на Be, Сr, Zn, Та, Ni, Cu и других металлах¹. Кислород является самым распространенным пассиватора.

Объясняется пассивацией коррозионная стойкость нержавеющих сталей и сплавов.

¹ Переход металла в пассивное состояние чаще объясняется образованием на его поверхности хемосорбованого слоя атомов кислорода. При этом атомы кислорода могут покрывать как всю поверхность металла, так и ее часть. Пассивации способствуют легирования металлом, который легче пассивируется, увеличение концентрации пасиваторів у поверхности металла и другие факторы.

Рис. 12.5. Схема действия гальванической пары