Корозія металів. Електрохімічна корозія

Під дією навколишнього середовища метали руйнуються, перетворюючись в оксиди, гідрати оксидів та інші сполуки, руйнування металів під дією навколишнього середовища називають корозією.

Розрізняють два види корозії: хімічну та електрохімічну. Під хімічною корозією розуміють руйнування металу при взаємодії його сухими газами, або рідинами, які не проводять електричного струму. При нагріванні металів на повітрі більшість з них окислюються. У деяких металів, особливо у заліза та його сплавів (чавун, сталь) оксиди утворюються у вигляді пористого шару, який не захищає поверхні металу від дальшого окислення. Особливо великої шкоди завдає електрохімічна корозія. Вона спостерігається при контакті двох металів різної активності з водою чи іншим електролітом.

Теорію електрохімічної корозії розробили російські вчені В. O. Кістяківський, В. Г. Акимов та інші. Згідно з цією теорією, найлегше руйнуються метали за наявності електролітів та інертних домішок (карбіди, метали з вищими значеннями стандартних потенціалів). У цих випадках створюються умови для виникнення гальванічного елемента.

Внаслідок електрохімічної корозії активніша складова частина руйнується, перетворюючись на оксид, гідроксид або розчинний електроліт, а на поверхні інертної домішки виділяється водень чи кисень.

Метал, або та частина його поверхні де проходить перехід йонів в розчин називається анодом (метал піддається корозії), а метал або поверхня на якому проходить відновлення - катодом.

Наприклад, якщо в розчин HCI опустити цинкову і міцну пластинку та з’єднати їх провідником, то електрони з більш активного металу будуть переходити на менш активний метал. В цьому випадку можливе відновлення йонів водню, по схемі, (рис.13.10)

Рисунок 13.10 – Виникнення і робота мікрогальванічних елементів

 

Електрони будуть переходити, якщо поверхні металів дотикаються, або якщо в структурі одного металу є домішки іншого металу, що відрізняється за хімічною активністю.

Розглянемо корозійну поведінку стальних конструкцій, (сталь має домішки або вуглецю (С), або цементиту Fe₃C) у вологому середовищі (атмосферні опади, підземна корозія, морська корозія тощо) (рис.13.11).

Попадаючи у вологе середовище проходить окиснення заліза по схемі:

Fe⁰ - 2ē → Fe²⁺,

відповідно в області залізної пластини будуть виділятися катіони заліза.

Рисунок 13.11 – Виникнення і робота гальванічної пари за рахунок включення цементиту

 

У воді є йони Гідрогену, здатні до відновлення:

 

2H⁺+ 2ē = H₂

 

Крім того, у воді є також розчинений кисень, який теж здатний до відновлення:

O₂ + 2H₂О + 4ē = 4 ОН^–

 

В області цементиту, маючи високу електропровідність, виділення катіонів не буде, тобто катіони в розчин не переходять.

Йони водню чи молекули кисню підходять до поверхні цементиту і відновлюються згідно вищезазначених рівнянь. Виникає гальванічний елемент, внаслідок чого метал руйнується. Як бачимо, в основі процесу лежать електрохімічні процеси. В даному випадку мирозглянули механізм корозії (тобто виникнення гальванічної пари, за рахунок включення цементиту). В даній парі цементит є катодом, залізо - анодом.

Отже, найважливішими окисниками, що спричинюють електрохімічну корозію, є розчинений кисень та йони Гідрогену.

Оскільки потенціал, що відповідає електродному процесу 2H⁺+ 2ē = H₂ в нейтральному середовищі дорівнює -0,41 В, то йони Гідрогену, що містяться у воді або в нейтральному водному середовищі, можуть окиснювати тільки ті метали, значення потенціалів яких менші за
-0,41 В, тобто метали від початку ряду електрохімічних потенціалів до Кадмію.

Розчинений у воді кисень здатний окиснювати ті метали, потенціал яких менший за 0,8 В, оскільки потенціал, що відповідає електродному процесу O₂ + 2H₂О + 4ē = 4 ОН^– у нейтральному середовищі дорівнює 0,8 В.

Отже, розчинений у воді кисень може окиснювати метали, розміщені від початку ряду електрохімічних потенціалів до Аргентуму.

Чисті метали стійкіші проти зовнішніх впливів, ніж сплави.

Якщо метал містить домішки, то корозія його в розчинах електролітів виникає як результат дії невеликих місцевих (локальних) гальванічних елементів (пар). Анодом гальванічного елемента стає активніший метал, який руйнується.

Подібні процеси проходять при контакті заліза та його сплавів з менш активними металами (рис. 13.12).

При контакті Fe з Cu, які знаходяться у вологому повітрі чи іншому нейтральному електроліті, виникає гальванічний елемент, в якому негативним електродом служить залізо, а позитивним - мідь ( рис. 13.12).

Рисунок 13.12 – Виникнення і робота Fe/Cu гальванічного елементу

В результаті роботи такого гальванічного елемента залізоокислюється, так як воно безпосередньо віддає свої електрони міді. В розчині електроліту йони заліза (ІІ) з’єднуються з йонами OH⁻, утворюючи Fe(OH)₂, який окислюється киснем повітря в гідроксид заліза (ІІІ). Схема процесу:

Fe⁰ – 2 ē → Fe²⁺

O₂ + 2H₂О + 4е = 4 ОН^–,

Fe²⁺ + 2 ОН^- = Fe(OH)₂

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ → 4Fe(OH)₃

В результаті продукти корозії складаються із суміші ферум (ІІ) та ферум (ІІІ) оксидів та їх гідратів: xFe_nO_m ∙ yH₂O

Великої шкоди завдають так звані „,блукаючі струми”. Джерелом їх служить електротранспорт, лінії електропередач тощо. Струм величиною в 1 А протягом року знищує біля 10 кг заліза, 37 кг свинцю.

Розрізняють речовини - пасиватори та активатори корозії. Пасиватори - речовини за допомогою яких утворюються оксидні плівки на металах (конц. HNO₃, сильні окисники K₂Cr₂O₇). Активатори - речовини, які сприяють руйнуванню оксидної плівки (Cl^-) в морській воді, де вміст їх значний.

 

Приклад 18. Наведіть приклади, зарисуйте схеми, запишіть електрохімічні рівняння, що мають місце при захисті металів від корозії.

Відповідь: