Хімічныя рэакцыі ў працэсе карозіі
Карозія — адна з хімічных з'яў, найбольш цесна звязаных з паўсядзённым жыццём, аднак яе ўплыў можа быць вельмі значным. Ад іржавых платоў да аслабленых рам аўтамабіляў і працёкаў з прамысловых труб — усё можа пачацца з працэсу карозіі. Проста кажучы, карозію можна разумець як пагаршэнне стану матэрыялаў (асабліва металаў) з-за хімічных або электрахімічных рэакцый з навакольным асяроддзем. Нягледзячы на тое, што часта пад ёй разумеюць проста «іржу», на самой справе яна ўключае ў сябе складаную серыю рэакцый пад уплывам вады, кіслароду, солі, кіслотнасці і рознасці электрычных патэнцыялаў на паверхні металу.
Карозія як электрахімічны працэс
У большасці выпадкаў карозія металу адбываецца праз электрахімічныя механізмы, гэта значыць, працэс уключае паток электронаў у выніку ўтварэння мікраэлектрахімічнай ячэйкі на паверхні металу. Гэтая ячэйка складаецца з дзвюх асноўных частак: аноднай вобласці і катоднай вобласці. Нягледзячы на тое, што метал выглядае аднастайным, яго паверхня часта ўтрымлівае дэфекты, унутраныя напружанні, адрозненні ў мікраскладзе або кантакт з іншымі металамі, з-за чаго частка паверхні выступае ў якасці анода, а іншая частка — у якасці катода.
– На анодзе метал падвяргаецца акісленню (вызваляючы электроны).
– На катодзе адбываецца рэакцыя аднаўлення (прыняцця электронаў), звычайна з удзелам іёнаў кіслароду або вадароду.
Іншымі словамі, карозію можна разглядаць як «невялікую батарэйку», якая бесперапынна працуе на паверхні металу, пакуль ёсць электраліт (напрыклад, вада) у якасці асяроддзя для правядзення іонаў.
Асноўныя рэакцыі карозіі жалеза: крыніцы іржы
Жалеза (Fe) з'яўляецца найбольш распаўсюджаным прыкладам у абмеркаваннях карозіі, таму што яно лёгка іржавее. Іржа — гэта складаная сумесь, у асноўным гідратаваных аксідаў жалеза (напрыклад, Fe₂O₃·nH₂O), але яе ўтварэнне ініцыюецца некалькімі рэакцыйнымі этапамі.
1. Анодная рэакцыя: акісленне жалеза
На анодзе жалеза раствараецца, вызваляючы электроны:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Гэтая рэакцыя прыводзіць да ўтварэння іонаў Fe²⁺, што прыводзіць да страты масы металу ў аноднай кропцы. Гэта пачатак працэсу «карозіі» металу.
2. Катодная рэакцыя: аднаўленне кіслароду
У нейтральным або шчолачным асяроддзі (напрыклад, у звычайнай вадзе) найбольш распаўсюджанай катоднай рэакцыяй з'яўляецца аднаўленне растворанага кіслароду:
O₂(г) + 2H₂O(л) + 4e⁻ → 4OH⁻(водны)
Электроны, якія вызваляюцца з анода, перамяшчаюцца ў вобласць катода і выкарыстоўваюцца для аднаўлення кіслароду. Прысутнасць вады і кіслароду з'яўляюцца двума ключавымі фактарамі.
3. Утварэнне прамежкавага злучэння: Fe(OH)₂
Іоны Fe²⁺, якія ўтвараюцца на анодзе, рэагуюць з іонамі OH⁻, якія ўтвараюцца ў выніку катоднай рэакцыі, з утварэннем асадка:
Fe²⁺(водн.) + 2OH⁻(водн.) → Fe(OH)₂(с.)
Гэтыя адклады яшчэ не з'яўляюцца канчатковай іржой, а з'яўляюцца «раннімі прадуктамі карозіі», якія могуць змяняцца далей.
4. Далейшае акісленне да Fe(OH)₃ і гідратаванага аксіду жалеза
Fe(OH)₂ можа акісляцца кіслародам да Fe(OH)₃:
4Fe(OH)₂(s) + O₂(г) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(s)
Затым Fe(OH)₃ падвяргаецца частковай дэгідратацыі і структурнай перабудове ў гідратаваны аксід жалеза, вядомы як іржа:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (вада)
Іржавыя матэрыялы маюць сітаватасць і не трымаюцца трывала, таму яны не абараняюць ніжнія пласты металу. Такім чынам, карозія жалеза, як правіла, працягваецца і пагаршаецца.
Уплыў электралітаў і іонаў солі
Карозія будзе адбывацца значна хутчэй у прысутнасці добрага электраліта, напрыклад, марской вады або вады, якая змяшчае соль. Іоны хларыду (Cl⁻) з'яўляюцца аднымі з найбольш небяспечных паскаральнікаў карозіі. Соль павялічвае праводнасць раствора, павялічваючы электрахімічны ток на паверхні металу. Акрамя таго, хларыд можа пашкодзіць пасіўны пласт на некаторых металах і выклікаць лакалізаваную карозію, такую як шчылінная карозія і кропкавая карозія.
У жалезе асяроддзе, якое змяшчае Cl⁻, таксама можа спрыяць утварэнню больш нестабільных прадуктаў карозіі і паскараць утварэнне дробных, глыбокіх анодных плям, што прыводзіць да каразійных ям, якія цяжка выявіць звонку.
Карозія ў кіслых асяроддзях: аднаўленне іонаў вадароду
У кіслым асяроддзі катодная рэакцыя можа змяніцца. Калі канцэнтрацыя H⁺ высокая, дамінуючай рэакцыяй аднаўлення з'яўляецца ўтварэнне газападобнага вадароду:
2H⁺(водн.) + 2e⁻ → H₂(г)
У той час як анодная рэакцыя застаецца растварэннем металу:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Гэта спалучэнне паскарае растварэнне жалеза ў кіслаце. У выніку метал можа эродаваць без прысутнасці вялікай колькасці растворанага кіслароду. Вось чаму трубы або рэзервуары, якія падвяргаюцца ўздзеянню кіслых вадкасцей, падвяргаюцца большай рызыцы хуткай карозіі, калі яны не пакрытыя або іх pH не кантралюецца.
Гальванічная карозія: калі сустракаюцца два металы
На карозію ўплываюць не толькі ўмовы навакольнага асяроддзя, але і металы, якія кантактуюць. Калі два розныя металы электрычна злучаюцца ў электраліце, утвараецца гальванічны элемент. Больш актыўны (лягчэй акісляецца) метал выступае ў якасці анода і хутчэй карадзіруе, у той час як больш высакародны метал выступае ў якасці катода і адносна абаронены.
Напрыклад, калі жалеза кантактуе з меддзю ў вільготных умовах, жалеза, як правіла, выступае ў якасці анода і хутчэй іржавее. Гэта звязана з розніцай стандартных патэнцыялаў электродаў паміж двума металамі, якая вызначае кірунак патоку электронаў.
Пасіўныя пласты і карозія іншых металаў
Не ўсе металы падвяргаюцца карозіі так, як жалеза. Напрыклад, алюміній і нержавеючая сталь, як правіла, утвараюць тонкі, шчыльны і шчыльна прылягаючы аксідны пласт, які называецца пасіўным пластом. Гэты пласт перашкаджае дыфузіі кіслароду і вады да паверхні металу, тым самым зніжаючы хуткасць карозіі. На алюмініі пласт Al₂O₃ вельмі стабільны. У нержавеючай сталі пасіўны пласт падтрымліваецца хромам, утвараючы Cr₂O₃.
Аднак пасіўны пласт можа быць пашкоджаны пэўнымі ўмовамі, такімі як высокая канцэнтрацыя хларыдаў, дэфіцыт кіслароду ў вузкіх зазорах або розніца ў аэрацыі (ячэйкі канцэнтрацыі кіслароду). Калі пасіўны пласт парушаецца на невялікіх участках, лакалізаваная карозія можа ўзнікнуць вельмі хутка і небяспечна.
Фактары, якія ўплываюць на каразійныя рэакцыі
Некаторыя з асноўных фактараў, якія вызначаюць хуткасць карозіі, ўключаюць:
1. Наяўнасць вады і кіслароду: вада выступае ў якасці электраліта і рэакцыйнага асяроддзя, а кісларод — акісляльніка ў катоднай рэакцыі.
2. pH навакольнага асяроддзя: Кіслотнае асяроддзе паскарае растварэнне металу. Шчолачнае асяроддзе часам дапамагае ўтварыць ахоўны пласт на некаторых металах.
3. Канцэнтрацыя іонаў (асабліва Cl⁻): павялічвае праводнасць і выклікае лакальную карозію.
4. Тэмпература: Як правіла, хуткасць хімічных рэакцый павялічваецца з тэмпературай, таму карозія, як правіла, адбываецца хутчэй пры высокіх тэмпературах.
5. Хуткасць патоку вадкасці: паток можа разбураць ахоўны пласт і паскараць падачу кіслароду, што прыводзіць да эрозіі і карозіі.
6. Міжметалічны кантакт: выклікае гальванічную карозію пры наяўнасці рознасці патэнцыялаў.
Закрыццё
Карозія — гэта, па сутнасці, серыя акісляльна-аднаўленчых рэакцый, якія адбываюцца спантанна пры ўзаемадзеянні металу з навакольным асяроддзем. У жалезе працэс пачынаецца з акіслення Fe да Fe²⁺ на анодзе і аднаўлення кіслароду (або іонаў вадароду ў кіслых умовах) на катодзе. Канчатковым прадуктам з'яўляецца гідратаваны аксід жалеза, вядомы як іржа. Прысутнасць вады, кіслароду, солі і ўмоў pH істотна вызначаюць хуткасць гэтай рэакцыі, як і такія фактары матэрыялу, як спалучэнне металаў і здольнасць утвараць пасіўны пласт. Разумеючы хімічныя рэакцыі, якія ўдзельнічаюць у працэсе карозіі, мы можам распрацаваць адпаведныя стратэгіі прафілактыкі — ад пакрыццяў, выкарыстання інгібітараў, катоднай абароны да выбару матэрыялаў — каб значна знізіць страты ад карозіі.
