5.6. Коррозия металлов. Защита от коррозии

Разрушение металла, превращение его в оксид, гидроксид или соль в окислительно-восстановительных реакциях с соединениями окружающей среды называется коррозией металла. Когда мы говорим о коррозии металлов, то прежде всего имеем в виду коррозию железа и его сплавов. Железо производится и используется в качестве основного конструкционного материала в количествах, превосходящих все другие металлы. Примерно десятая часть производимого в год металла идет на восполнение потерь, связанных с коррозией.

Как только металл выделяется в чистом виде из руды, он немедленно начинает окисляться кислородом воздуха. Исключение составляет золото. Для него реакция окисления кислородом термодинамически запрещена:

4Au(т) + 3O₂(г)  2Au₂O₃(т); △G > 0.

Химическая коррозия металла происходит при непосредственном контакте металла с окислителем. Окислителями выступают многие соединения и в первую очередь кислород.

Металлы, соприкасающиеся с воздухом, особенно при высокой температуре, подвергаются газовой коррозии. Так происходит окисление железа:

4Fe(т) + 3O₂(г)= 2Fe₂O₃(т).

На поверхности железа образуется рыхлая пленка оксида, которая не защищает металл от дальнейшего окисления.

На поверхности таких металлов, как Be, Al, Ti, Cr, Ni, Cu, Zn и др., образуется тонкая и прочная пленка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла.

Электрохимическая коррозия – это разрушение металла в окислительно-восстановительной реакции в микрогальваническом элементе, возникающем на поверхности металла. Капли воды на поверхности металла способствуют возникновению электрохимической коррозии (рис. 54). Ионы железа Fe²⁺ переходят с поверхности металлической кристаллической решетки в водный раствор в зоне, которая соответствует аноду:

анод (окисление железа): 2Fe  2Fe²⁺ + 4е^-.

Избыток электронов, возникший в металле, устремляется к участку поверхности металла, выполняющему функцию катода. Происходит восстановление кислорода, растворенного в воде:

катод (восстановление): О₂ + 2Н₂О(ж) + 4е^-  4ОН^-(р-р).

В капле раствора идет следующая реакция:

2Fe²⁺(р-р) + 4НО^-(р-р)  2Fe(OH)₂(т).

Гидроксид железа (II) окисляется кислородом, растворенным в воде, и превращается в гидроксид железа (III) буро-красного цвета:

4Fe(OH)₂(т)+ O₂ + 2H₂O(ж)  4Fe(OH)₃(т).

Последний разлагается до оксида железа (III):

2Fe(OH)₃(т)  Fe₂O₃H₂O (бурый осадок) + 2Н₂О(ж).

Появление на поверхности металла ржавчины в виде небольших буро-коричневых точек является результатом действия на данном участке микрогальванического элемента.

Ржавление происходит на любом доступном каплям воды участке металлической поверхности. Под каплей постепенно уменьшается толщина стенки металла и образуется лунка. Вероятность попадания влаги в образовавшуюся лунку возрастает, и ржавление продолжается до полного разрушения данного небольшого участка металла.

Защита железа от коррозии осуществляется:

Рис. 54. Электрохимическая коррозия железа

1) покрытием металла красками, грунтовками по ржавчине. В последнем случае к водной поливинилацетатной дисперсии добавляют небольшое количество NaH₂PO₄. Образующееся при взаимодействии NaH₂PO₄ с ржавчиной фосфорнокислое железо Fe(H₂PO₄)₃ не растворяется в воде и выполняет функцию защитного покрытия, предотвращающего дальнейшее ржавление металла.

2) покрытием железа цинком (цинкованная листовая сталь используется в автомобилестроении, а также как кровельный материал), оловом (белая жесть  листовая сталь, покрытая слоем олова, широко используется при изготовлении консервных банок), хромом. Указанные покрытия образуют при взаимодействии с кислородом воздуха прочную тонкую оксидную пленку, которая защищает железо от коррозии.

3) легированием, например получением сплава железа, содержащего 18 мас.% никеля и 8 мас.% хрома (нержавеющая сталь). Предотвращение ржавления стали происходит по тому же принципу, что и при покрытии железа хромом.

4) катодная или электрохимическая защита широко используется для предотвращения коррозии стальных трубопроводов, по которым перекачивается нефть и природный газ (рис. 55).

Рис. 55. Электрохимическая (катодная) защита стального трубопровода

При катодной защите стальной трубопровод подсоединяется к катоду источника постоянного тока и на металле возникает отрицательный заряд. Он затрудняет переход положительно заряженных ионов железа в раствор.