Коррозия металлов

Коррозия – самопроизвольное разрушение металлов, вследствие физико-химического взаимодействия их с окружающей средой.

По характеру разрушения коррозионные процессы можно разделить на сплошную коррозию и локальную (местную) коррозию. В первом случае поверхность металла окисляется с одинаковой скоростью на всех участках поверхности. Во втором случае на поверхности металла появляются участки с большей скоростью коррозии, там появляются пятна, трещины и другие повреждения.

Один из видов локальной коррозии – селективная, или избирательная, она происходит в сплавах, где разрушаются кристаллы наиболее активного металла.

Другой вид локальной коррозии – межкристаллитная коррозия, она происходит по границам кристаллитов.

По механизму действия коррозия бывает химической и электрохимической:

Химическая коррозия возникает, когда металл эксплуатируется в среде_, не проводящей электрический ток: растворы неэлектролитов и сухая атмосфера воздуха (влажность менее 65%, температура менее 100°С или влажность более 65%, температура более 100°С). В сухой атмосфере воздуха происходит взаимодействие металлов с газами, такими как: O₂ и Cl₂:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃

При химической коррозии окисление металла и восстановление газа происходит одновременно, на одном участке поверхности, т. е. они пространственно не разделены.

Электрохимическая коррозия протекает в электропроводных средах: растворах кислот, щелочей, солей, во влажной атмосфере воздуха (влажность более 65%, температура менее 100°С). В этих условиях возможна конденсация паров воды на поверхности металлов. Электрохимическая коррозия проявляется в следующих случаях:

1. Два металла, взятые в виде кусков, пластин, проволоки контактируют друг с другом и раствором электролита, при этом более активный металл будет анодом, он будет окисляться, а менее активный металл будет катодом, на нём будет происходить восстановление частиц электролита.

2. Если поверхность металла окислена, то тоже возможна электрохимическая коррозия, при этом окисленные участки будут катодом, а не окисленные – анодом.

3. Причиной электрохимической коррозии могут быть и примеси других металлов, более или менее активных, чем основной.

4. Коррозионная гальванопара может возникнуть и за счёт разной концентрации растворов, касающихся металлической поверхности на разных участках.

5. Электрохимическая коррозия может протекать и тогда, когда разные части металлического изделия находятся в разных условиях, неодинаково нагреты, освещены и т. д.

Рассмотрим образование коррозионной гальванопары на примере латуни: Zn – Cu

A Zn | HCl | Cu K

анодный процесс: Zn – 2e = Zn²⁺ - окисление

катодный процесс: 2H⁺ + 2e = H₂ - восстановление

Перетекание электронов с анодных участков на катодные называется катодной поляризацией. Снятие электронов с катодных участков ионами водорода называется водородной деполяризацией, а ионы водорода – деполяризаторами. В кислых средах, не содержащих растворённого кислорода, коррозия протекает только с водородной деполяризацией.

Данное уравнение будет выглядеть так:

Zn + 2H⁺ = Zn₂₊ + H₂↑

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

Продукты коррозии: ZnCl₂ и H₂↑. Хлорид цинка - растворимая в воде соль, значит, поверхность металла она не защищает, и растворение цинка идёт до конца.

Вывод: латунные изделия нельзя эксплуатировать в кислой среде.

Рассмотрим коррозию латуни во влажной атмосфере воздуха.

A Zn | Н₂O, O₂ | Cu K

анодный процесс: 2 Zn – 2e = Zn²⁺

катодный процесс: 1 2H₂O + O₂ + 4e = 4OH^–

2Zn + 2H₂O + O₂ = 2Zn²⁺ + 4OH^–

2Zn + 2H₂O + O₂ = 2Zn(OH)₂↓

Вывод: латунные изделия можно эксплуатировать во влажной атмосфере воздуха, так как образуется нерастворимое соединение, защищающее поверхность от дальнейшей коррозии. Процесс идёт с кислородной деполяризацией.

Рассмотрим пример контакта двух металлов Al – Cu:

A Al | Н₂O | Cu K

анодный процесс: 2 Al – 3e = Al³⁺

катодный процесс: 3 2H₂O + 2e = H₂ + 2OH^–

2Al + 6H₂O = 2Al³⁺ + 3H₂ + 6OH^–

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂

Процесс идёт с водородной деполяризацией.

Термодинамическая вероятность электрохимической коррозии.

Основной причиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость металла в данной среде. Т. к. коррозия – процесс самопроизвольный, то ΔG < 0, ΔG = – A_max, A_max = nFΔE, где ΔE = E_K – E_A Þ если ΔE > 0, то E_K > E_A. Т. е., чтобы процесс не шёл самопроизвольно, мы должны выбрать такой металл, для которого E_K < E_A.

Классификация металлов по их термодинамической неустойчивости в наиболее распространённых коррозионных средах.

1. Кислая среда (без кислорода).

Катодный процесс: 2H⁺ + 2e = H₂, E_K = 0, ΔE > 0, E_A < 0, т. е. в кислой среде по ряду напряженияй металлов будут подвергаться коррозии Li – W.

2. Нейтральная среда (без кислорода).

Катодный процесс: H₂O + 2e = H₂ + 2OH^–, = – 0,41 B. Т. е. во влажной атмосфере подвергаются коррозии металлы от Li – Fe по ряду напряжений металлов.

3. Нейтральная среда (с растворённым кислородом).

Катодный процесс: 2H₂O + O₂ + 4e = 4OH^–, = 0,815 B. Т. е. в нейтральной среде будут корродировать металлы: Li – Ag по ряду напряжений металлов.

4. Кислая среда (с растворенным кислородом).

Катодный процесс: 4H⁺ + O₂ + 4e = 2H₂O, = 1,23 B. Металлы, имеющие меньший электродный потенциал Li – Hg будут корродировать в кислой среде в присутствии кислорода.