Уравнения коррозии железа на воздухе это
8.2 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ
Причиной электрохимической коррозии * является возникновение на поверхности металла короткозамкнутых гальванических элементов *.
В тонком слое влаги, обычно покрывающем металл, растворяются кислород, углекислый, сернистый и другие газы, присутствующие в атмосферном воздухе. Это создает условия соприкосновения металла с электролитом *. Различные участки поверхности любого металла обладают разными потенциалами. Причинами этого могут быть наличие примесей в металле, различная обработка отдельных его участков, неодинаковые условия (окружающая среда), в которых находятся различные участки поверхности металла. При этом участки поверхности металла с более электроотрицательным потенциалом становятся анодами и растворяются.
Электрохимическая коррозия может развиваться в результате контакта различных металлов. В этом случае будет возникать не микр о- , а макрогальванопара , и коррозия называется контактной (см. детальную классификацию видов коррозии). Сочетания металлов, сильно отличающихся значениями электродных потенциалов *, в технике недопустимы (например, алюминий – медь). В случае коррозии, возникающей при контакте какого-либо металла со сплавом, последний имеет потенциал, соответствующий наиболее активному металлу, входящему в состав сплава. Например, при контакте латуни (сплав цинка и меди) с железом корродировать будет латунь за счет наличия в ней цинка.
Представим схематично работу короткозамкнутого гальванического элемента, возникающего на поверхности металла, подверженного коррозии в электролите * (рисунок 8.1). Анодный участок имеет более электроотрицательный потенциал, поэтому на нем идет процесс окисления металла. Образовавшиеся в процессе окислен ия ио ны переходят в электролит, а часть освободившихся при этом электронов может перемещаться к катодному участку (на рисунке 8.1 показано стрелками). Процесс коррозии будет продолжаться в том случае, если электроны, перешедшие на катодный участок, будут с него удаляться. Иначе произойдет поляризация электродов *, и работа коррозионного гальванического элемента прекратится.
Рисунок 8.1 – Схема электрохимической коррозии. Д – деполяризатор
Процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией. Вещества, при участии которых осуществляется деполяризация, называются деполяризаторами. На практике чаще всего приходится встречаться с двумя типами деполяризации: водородной и кислородной. Тип деполяризации (катодный процесс) зависит от реакции среды раствора электролита.
В кислой среде электрохимическая коррозия протекает с водородной деполяризацией. Рассмотрим коррозию железной пластинки с примесями меди во влажной хлористоводородной атмосфере Имеется в виду атмосфера с примесью газообразного HCl. . В этом случае железо будет анодом ( E ° = –0,44В), а медь – катодом ( E ° =+0,34В). На анодном участке будет происходить процесс окисления железа, а на катодном – процесс деполяризац ии ио нами водорода, которые присутствуют в электролите:
А: Fe – 2e → Fe 2+ – окисление
К: 2 H + + 2e → H2 ↑ – восстановление
Схема возникающего короткозамкнутого гальванического элемента выглядит следующим образом:
A (–) Fe | HCl | Cu (+) К
В нейтральной среде коррозия протекает с кислородной деполяризацией, т.е. роль деполяризатора выполняет кислород, растворенный в воде. Этот вид коррозии наиболее широко распространен в природе: он наблюдается при коррозии металлов в воде, почве и в незагрязненной промышленными газами атмосфере. Если коррозии во влажном воздухе подвергается железо с примесями меди, то электродные процессы можно записать в виде:
(А) Fe – 2e → Fe 2+ – окисление
(К) 2 H2O + O2 + 4e → 4 OH – – восстановление
У поверхности металла в электролите протекают следующие реакции:
Fe 2+ + 2 OH – → Fe( OH)2
Основная масса черных металлов разрушается вследствие процесса ржавления, в основе которого лежат вышеуказанные реакции.
Коррозия металла в результате неравномерного доступа кислорода . Случаи электрохимической коррозии, возникающей вследствие неравномерной аэрации кислородом различных участков металла, очень часто встречаются в промышленности и в подземных сооружениях. Примером может служить коррозия стальной сваи, закопанной в речное дно (рис 8.2).
Рисунок 8.2 – Коррозия в результате неравномерного доступа кислорода. Б – техническое сооружение; А – анодный участок; К – катодный участок.
Часть конструкции, находящаяся в воде, омывается растворенным в ней кислородом и, в случае возникновения условий для электрохимической коррозии, будет выполнять роль катода. Другая же часть конструкции, находящаяся в почве, будет анодом и подвергнется разрушению.
Коррозия железа
Процесс коррозии железа чаще всего сводится к его окислению кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, и превращению его в оксиды. Коррозия металлов (ржавление) вызывается окислительно-восстановительными реакциями, протекающими на границе металла и окружающей среды. В зависимости от механизма возникновения, различают такие виды коррозии железа, как: химическая, электрохимическая и электрическая.
Процесс химической коррозии железа
Окислительно-восстановительные реакции в данном случае проходят через переход электронов на окислитель. В процессе коррозии такого типа кислород воздуха взаимодействует с поверхностью железа. При этом образуется оксидная пленка, которая называется ржавчиной:
В отличие от плотно прилегающих оксидных пленок, которые образуются в процессе коррозии на щелочных металлах, алюминии, цинке, рыхлая оксидная пленка на железе свободно пропускает к поверхности металла кислород воздуха, а также другие газы и пары воды. Это способствует дальнейшей коррозии железа.
Процесс электрохимической коррозии
Этот вид коррозии проходит в среде, которая проводит электрический ток. Металл в грунте подвергается, преимущественно, электрохимической коррозии. Процесс коррозии такого типа – это результат химических реакций с участием компонентов окружающей среды. Также электрохимическая коррозия возникает в случае контакта металлов, находящихся в ряду напряжений на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего возникает гальваническая пара катод-анод.
Атмосферный и грунтовый процесс коррозии выражается схемой:
В результате образуется ржавчина различной расцветки, что обусловлено тем, что образуются различные окислы железа. Какое именно вещество образуется в процессе коррозии железа, зависит от давления кислорода, влажности воздуха, температуры, длительности процесса, состава железного сплава, состояния поверхности изделия и т. д. Скорость разрушения разных металлов различна.
Процесс коррозии металла в растворах электролитов – это результат работы большого количества микроскопических гальванических элементов, у которых в качестве катода выступают примеси в металле, а в качестве анода – сам металл. В результате чего возникают микроскопические гальванические элементы.
Также атомы железа на разных участках имеют различную способность отдавать электроны (окисляться). Участки металла, на котором протекает этот процесс, выступают в роли анода. Остальные участки – катодные, на которых происходят процессы восстановления воды и кислорода:
Результат – из ионов железа (II) и гидроксид-ионов образуется гидроксид железа (II). Далее идет его окисление до гидроксида железа (III) – основного компонента ржавчины:
Для того чтобы гальванический элемент работал, необходимо наличие двух металлов различной химической активности и среды, которая проводит электрический ток, – электролита. При контакте железа и другого металла (например, цинка) коррозия железа замедляется, а более активного металла (цинка) – ускоряется. Это обусловлено тем, что поток электронов идет от более активного металла (анода) к менее активному металлу (катоду). Так, при контакте железа с менее активным металлом, коррозия железа ускоряется.
Процесс электрической коррозии
Такой вид разрушения металлических подземных конструкций, кабелей и сооружений могут вызывать блуждающие токи, исходящие от трамваев, метро, электрических железных дорог и различных электроустановок с постоянным током.
Ток с металлических конструкций выходит в грунт в виде положительных ионов металла – происходит электролиз металла. Участок выхода токов – это анодные зоны. Именно в них и протекают активные процессы электрической коррозии железа. Блуждающие токи могут достигать 300 А и действовать в радиусе нескольких десятков километров.
Блуждающими токами, исходящими от источников переменного тока, вызывается слабая коррозия подземных стальных конструкций, и сильная – конструкций из цветных металлов. Защита металлических конструкций от коррозии является очень важной задачей, так как она причиняет огромные убытки.
Борьба с окисление металла при нагреве
Термин «коррозия» произошёл от латинского «corrodere» – разъедать. Но коррозии подвержены не только металлы. Пластмассы, полимеры, дерево и даже камни также подвержены коррозии.
Коррозия – это результат химического воздействия окружающей среды. В результате коррозии металлы разрушаются самопроизвольно. Конечно, разрушаться металлы могут и под влиянием физического воздействия. Такие процессы называют износом, старением, эрозией.
Несмотря на то, что в промышленности и в быту широко используются полимеры, керамика, стекло, роль металлов в жизнедеятельности человека продолжает оставаться очень важной.
С коррозией металлов мы сталкиваемся очень часто. Ржавое железо – результат коррозии. Нужно сказать, что многие металлы могут подвергаться коррозии. Но ржавеет только железо.
Что же происходит с металлами во время коррозии с точки зрения химии?
Химическая коррозия
Поверхностный слой металла взаимодействует с кислородом воздуха. В результате образуется оксидная плёнка. На поверхностях разных металлов образуются плёнки разной прочности. Так, алюминий и цинк образуют при взаимодействии с кислородом прочную плёнку, которая препятствует дальнейшей коррозии этих металлов. Защитная плёнка алюминия – оксид алюминия Al2O3. Через неё не могут проникать ни кислород, ни вода. Например, в алюминиевом чайнике кипящая вода не действует на металл.
Но некоторые металлы и их соединения образуют рыхлые плёнки. Если отрезать кусочек металлического натрия, то можно увидеть, как на его поверхности появится плёнка, имеющая трещины. Такая плёнка свободно пропустит к поверхности кислород воздуха, пары воды и другие вещества. Коррозия натрия будет продолжаться.
Химическая коррозия – это химическое взаимодействие металла и внешней среды, в результате которой происходит реакция окисления металла и восстановления коррозионной среды.
Но во внешней среде содержатся не только кислород и пары воды. В воздухе встречаются оксиды азота, серы, углерода, а воде могут быть соли и растворённые газы. И процесс коррозии – довольно сложный процесс. Разные металлы корродируют по-разному. Например, бронза покрывается сульфатом меди (CuOH)2SO4, который похож на зелёную паутину.
Коррозия, которая происходит под воздействием электрического тока, не является химической. Её называют электрохимической.
5.2. Коррозия в различных средах
Некоторые коррозионные среды и вызываемые ими разрушения столь характерны, что по названию этих сред классифицируются и протекающие в них коррозионные процессы. Так, выделяют газовую
коррозию, т. е. химическую коррозию под действием горячих газов (при температуре много выше точки росы). Характерны некоторые случаи электрохимической коррозии (преимущественно с катодным восстановлением кислорода) в природных средах:
атмосферная
– в чистом или загрязненном атмосферном воздухе, при влажности, достаточной для образования на поверхности металла пленки электролита (особенно в присутствии агрессивных газов, например или аэрозолей кислот, солей и т. п.);
морская
– под действием морской воды, и
подземная
– в грунтах и почвах.
Коррозия под влиянием дополнительных факторов (воздействий).
Коррозия под напряжением развивается в зоне действия растягивающих или изгибающих механических нагрузок, а также остаточных деформаций или термических напряжений, и как правило ведет к
коррозионному растрескиванию
, которому подвержены например, стальные тросы и пружины в атмосферных условиях, углеродистые и нержавеющие стали в паросиловых установках, высокопрочные титановые сплавы в морской воде и т. д. При знакопеременных нагрузках может проявляться
коррозионная усталость
, выражающаяся в более или менее резком понижении предела усталости металла в присутствии коррозионной среды. Коррозионная эрозия представляет собой ускоренный износ металла при одновременном воздействии взаимно усиливающих друг друга коррозионных и абразивных факторов (трение скольжения, поток абразивных частиц и т. п.).
Электрическая коррозия (электрокоррозия)
является следствием блуждающих токов. Такие токи возникаю в грунте при функционировании заземленных электрических установок, работающих в режиме постоянного тока (в том числе электротранспорт). При работе таких установок часть электрического тока проходит по грунту и через подземные металлические сооружения, причем на последних появляются участки входа и выхода постоянного тока, т. е. катодные и анодные участки. Анодные участки металлического сооружения (рельсы, сваи и т. п.) и подвергаются коррозии. Сходные разрушения, локализуемые вблизи контакта, может вызывать соприкосновение в электролите двух разнородных металлов, образующих гальванический элемент. В таком случае происходит
контактная коррозия
. В узких зазорах между деталями, а также под отставшим покрытием или наростом, куда протекает электролит, но затруднен доступ кислорода, необходимого для пассивации металла, может развиваться
щелевая коррозия
, при которой растворение металла, в основном, происходит в щели, а катодные реакции частично или полностью протекают рядом с ней, на открытой поверхности.
Принято также выделять биологическую
коррозию (биокоррозию), идущую под влиянием продуктов жизнедеятельности бактерий и других микроорганизмов, и
радиационную коррозию
– при воздействии радиоактивного излучения.
Количественная оценка коррозии.
Скорость общей коррозии оценивается по убыли металла с единицы площади (
К
), например в г/м2×ч, или по скорости проникновения коррозии, т. е. по одностороннему уменьшению толщины нетронутого металла (
П
), например в мм/год.
При подборе материалов, стойких к воздействию различных агрессивных сред в конкретных условиях, пользуются справочными таблицами коррозионной и химической стойкости материалов или проводят лабораторные и натуральные (непосредственно на месте и в условиях будущего применения) коррозионные испытания образцов, а также промышленных узлов и аппаратов.
Почему железо ржавеет
Почему же всё-таки железо ржавеет?
В процессе коррозии металл окисляется и превращается в оксид.
Упрощённое уравнение коррозии железа выглядит так:
4Fe + 3O2 + 2H2О = 2Fe2O3·H2О
2Fe2O3·H2О — гидратированный оксид железа, или гидроксид железа. Это и есть ржавчина.
Как видно из уравнения реакции, ржавчина образуется на поверхности железа, если оно взаимодействует с кислородом в воде или во влажном воздухе. В сухом месте железо не ржавеет. Поверхность ржавчины не защищает железо от дальнейшего воздействия среды, поэтому в конце концов железо полностью превратится в ржавчину. Ржавчиной называют коррозию железа и его сплавов.
Химическая коррозия бывает газовая и коррозия в жидкостях-неэлектролитах.
Коррозия (окисление) стали
Окисление —это химический процесс, при котором два вещества обмениваются электронами. Атомы, которые образуют окисляемое вещество, отдают электроны. Эти электроны забирают атомы вещества-окислителя. Обратный процесс называется восстановлением. Вещество восстанавливается, когда получает электроны.
Сталь, из которой изготовлены автомобильные кузова, детали машин, элементы зданий и коммуникаций, должна быть защищена от окисления (коррозии). Поэтому на стальные панели наносят цинковое и лакокрасочное покрытие.
Свойство вещества отдавать или принимать электроны зависит от его химической формулы.
Определенные металлы, например, железо, склонны отдавать электроны. Поэтому железо окисляется. Некоторые металлы, например, медь, менее склонны к отдаче электронов и делают это только при контакте с сильным окислителем. Отдельные металлы, например, золото, могут отдать электроны только при определенных экстремальных условиях.
Если в контакт вступают два вещества с различной склонностью к окислению, возникает поток электронов между ними.
• Вещество, которое окисляется, называется анодом.
• Вещество, которое восстанавливается, называется катодом.
• Сочетание этих веществ называется гальваническим элементом.
Примером гальванического элемента является аккумуляторная батарея, где существует поток электронов от анода к катоду.
Защита от коррозии
Автомобильные кузова изготавливают преимущественно из склонной к окислению листовой стали.
Поэтому в автомобильном производстве применяют средства долговременной защиты кузовов от коррозии. Достигается оптимальный уровень защиты, который гарантирует работоспособность кузова на весь срок службы автомобиля.
Применяются в производстве два основных пути защиты от коррозии:
Цинк является широко распространенным защитным металлом. Цинку присуща еще большая склонность к окислению, чем стали. Сталь начинает окисляться лишь тогда, когда защитный слой цинка полностью окислился.
Оцинкованный стальной лист очень устойчив против окисления.
Сочетание цинкования с окраской дает оптимальную защиту кузова. Такое сочетание называется дуплекс-системой.
Защита от коррозии обеспечивается окислом цинка, который остается на листовой стали. Поэтому окисление идет значительно медленнее, чем в случае необработанной стали,когда окислы железа покидают основной металл, в результате чего все новые и новые слои металла открываются для окисления. Цинк начинает окисляться раньше, чем железо, но весь процесс идет много медленнее.
Виды химических коррозий
Газовой коррозией называют процесс разрушения поверхности металла под воздействием газов при высокой температуре. Больше всего известна коррозия при воздействии кислорода на металл.
Химическая коррозия металлов и их соединений может происходить в жидкостях-неэлектролитах. Жидкости-неэлектролиты — фенол, бензол, спирты, керосин, нефть, бензин, хлороформ, расплавленная сера, жидкий бром, и другие. Такие жидкости не проводят электрический ток. В чистом виде они не содержат примесей и не реагируют с металлами. Но если в них попадают примеси, то металлы в таких жидкостях начинают подвергаться химической коррозии.
Чтобы защитить металлические конструкции от химической коррозии, на поверхность наносят покрытия, которые обеспечат защиту от воздействия коррозионной среды.
Скорость коррозии металла
Скорость коррозии металла — полезная информация Слово «коррозия» уходит корнями в латинское “corrosion”, что переводится, как разрушать, разъедать. Собственно, эти 2 глагола хорошо передают суть того, что происходит с металлом, внутри которого проходят коррозийные процессы.
Интересные цифры: в год из-за коррозии пропадает 1-1,5% от общего количества металла, накопленного человечеством. Только представьте себе эти тысячи тонн преподающего металла!
Что же такое на самом деле коррозия? Без дремучих формул и высоколобой химии объяснить будет непросто, но попробуем все-таки обойтись человеческим языком. Коррозия – это процесс окисления металла. Возникает он в результате контакта железа с кислородом, растворенным в водной среде. Именно поэтому рекомендуют хранить металлические изделия в сухом месте.
Ржавчина – это окисел. Он образуется внутри капли, которая попала на металл. Именно поэтому вначале прозрачная вода на металле становится красноватой. После того, как капля испарится, образовавшиеся окислы осядут на поверхности металла, образуя красноватый слой ржавчины.
Что интересно, для появления ржавчины необходима вода, а вот уже начавшаяся коррозия может развиваться и в сухом воздухе. Так получается из-за того, что ржавчина притягивает и удерживает содержащуюся в воздухе влагу. Именно поэтому от ржавчины проще защититься, чем бороться с уже возникшей.
Скорость коррозии металла зависит от многих сложных факторов. Например, машина, которая большое количество времени прибывает в движении более стойка к коррозии, чем заброшенная в гараже. Итак, узнав врага в лицо, можно задуматься и о способах борьбы с ним.
Самая мощная методика для борьбы с ржавчиной – это химическая. Рассмотрим 2 направления: использование самодельных кислотных растворов и профессиональных нейтральных уничтожителей коррозии.
Самодельное средство против ржавчины можно получить, смешав 3 части ортофосфорной кислоты с 7-ю частями воды. Как показывают тесты, полученный раствор удаляет рыхлые части ржавчины, но не очищает металл до блеска. К тому же, полученное средство является довольно агрессивным и поэтому представляет опасность для некоторых видов металла.
Специализированное нейтральное средство состоит из экологических ингредиентов, таких как танины, ингибиторы коррозии. Они модифицируют оксиды железа в неактивные соединения и скорость коррозии металла снижается практически до нуля. Тесты показывают, что такие средства действуют намного эффективнее и очищают металл от ржавчины и темного налета почти добела. К тому же вещества, преобразованные из ржавчины, обеспечивают хорошую адгезию покрытий.
Компания Докер Кемикал ГмбХ Рус предлагает большой выбор средств для борьбы с коррозией.
NITTRON — Нейтральный преобразователь ржавчины с усиленными ингибиторами
http://notehspb.ru/o_korrozii/korroziia_zheleza
http://math-nttt.ru/stanki/skorost-korrozii-metalla.html