Химични реакции в процеса на корозия
Корозията е едно от химичните явления, най-тясно свързани с ежедневието, но нейното въздействие може да бъде дълбоко. От ръждясващи огради до отслабени рамки на превозни средства и течащи промишлени тръби – всичко може да започне с процеса на корозия. Казано по-просто, корозията може да се разбира като влошаване на състоянието на материалите (особено металите) поради химични или електрохимични реакции с околната среда. Въпреки че често се смята просто за „ръжда“, корозията всъщност включва сложна поредица от реакции, повлияни от вода, кислород, сол, киселинност и разлики в електрическия потенциал по металната повърхност.
Корозията като електрохимичен процес
В повечето случаи корозията на метала протича чрез електрохимични механизми, което означава, че процесът включва поток от електрони, произтичащи от образуването на микроелектрохимична клетка върху металната повърхност. Тази клетка се състои от две основни части: анодната област и катодната област. Въпреки че металът изглежда хомогенен, повърхността му често съдържа несъвършенства, вътрешни напрежения, разлики в микросъстава или контакт с други метали, които карат част от повърхността да действа като анод, а друга част като катод.
– На анода металът претърпява окисление (освобождаване на електрони).
– На катода протича редукционна реакция (приемане на електрони), обикновено с участието на кислородни или водородни йони.
С други думи, корозията може да се разглежда като „малка батерия“, която работи непрекъснато върху металната повърхност, стига да има електролит (например вода) като среда за провеждане на йони.
Основни реакции на корозия на желязото: Източници на ръжда
Желязото (Fe) е най-често срещаният пример в дискусиите за корозия, защото ръждясва лесно. Ръждата е сложна смес, предимно хидратирани железни оксиди (напр. Fe₂O₃·nH₂O), но образуването ѝ се инициира от няколко реакционни етапа.
1. Анодна реакция: Окисление на желязо
На анода желязото се разтваря чрез освобождаване на електрони:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Тази реакция води до образуването на Fe²⁺ йони, което води до загуба на маса от метала в анодната точка. Това е началото на процеса на „корозия“ в метала.
2. Катодна реакция: Редукция на кислород
В неутрална или алкална среда (като например обикновена вода), най-често срещаната катодна реакция е редукцията на разтворения кислород:
O₂(g) + 2H2O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)
Електроните, освободени от анода, се насочват към катодната област и се използват за редукция на кислорода. Наличието на вода и кислород са два ключови фактора.
3. Образуване на междинно съединение: Fe(OH)₂
Fe²⁺ йоните, образувани на анода, ще реагират с OH⁻ йоните от катодната реакция, за да образуват утайка:
Fe²⁺(воден) + 2OH⁻(воден) → Fe(OH)₂(воден)
Тези отлагания все още не са окончателна ръжда, а са „ранни продукти на корозия“, които могат да се променят допълнително.
4. По-нататъшно окисление до Fe(OH)₃ и хидратиран железен оксид
Fe(OH)₂ може да се окисли от кислород до Fe(OH)₃:
4Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)3(s)
След това Fe(OH)₃ претърпява частична дехидратация и структурна реорганизация в хидратирания железен оксид, който познаваме като ръжда:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (вода)
Продуктите от ръжда са порести и не се прилепват здраво, така че не защитават подлежащите метални слоеве. Следователно, корозията на желязото има тенденция да продължава и да се влошава.
Ефектът на електролитите и солевите йони
Корозията ще бъде много по-бърза в присъствието на добър електролит, като например морска вода или вода, съдържаща сол. Хлоридните йони (Cl⁻) са едни от най-опасните ускорители на корозията. Солта увеличава проводимостта на разтвора, увеличавайки електрохимичния ток на металната повърхност. Освен това, хлоридът може да повреди пасивния слой върху определени метали и да предизвика локализирана корозия, като например цепнатина и точкова корозия.
В желязото, среда, съдържаща Cl⁻, може също да насърчи образуването на по-нестабилни корозионни продукти и да ускори образуването на малки, дълбоки анодни петна, което води до корозионни ями, които са трудни за откриване отвън.
Корозия в киселинни среди: Редукция на водородни йони
В киселинна среда катодната реакция може да се промени. Ако концентрацията на H⁺ е висока, доминиращата редукционна реакция е образуването на водороден газ:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Докато анодната реакция си остава разтваряне на метала:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Тази комбинация ускорява скоростта на разтваряне на желязото в киселина. В резултат на това металът може да ерозира без наличието на големи количества разтворен кислород. Ето защо тръбите или резервоарите, изложени на киселинни течности, са изложени на по-голям риск от бърза корозия, ако не са покрити или pH-то им не е контролирано.
Галванична корозия: Когато два метала се срещнат
Корозията се влияе не само от околната среда, но и от металите, които са в контакт. Когато два различни метала са електрически свързани в електролит, се образува галванична клетка. По-активният (по-лесно окисляем) метал действа като анод и корозира по-бързо, докато по-благородният метал действа като катод и е относително защитен.
Например, ако желязото влезе в контакт с мед във влажни условия, желязото е склонно да действа като анод и да ръждясва по-бързо. Това се дължи на разликата в стандартния електроден потенциал между двата метала, която определя посоката на електронния поток.
Пасивни слоеве и корозия върху други метали
Не всички метали корозират като желязото. Алуминият и неръждаемата стомана, например, са склонни да образуват тънък, плътен и плътно прилепнал оксиден слой, наречен пасивен слой. Този слой инхибира дифузията на кислород и вода към металната повърхност, като по този начин намалява скоростта на корозия. Върху алуминия слоят Al₂O₃ е много стабилен. При неръждаемата стомана пасивният слой се поддържа от хром, образувайки Cr₂O₃.
Пасивният слой обаче може да бъде повреден от определени условия, като например високи концентрации на хлориди, условия на недостиг на кислород в тесни пролуки или разлики в аерацията (клетки с кислородна концентрация). Когато пасивният слой е нарушен в малки области, локализираната корозия може да възникне много бързо и да бъде опасна.
Фактори, влияещи върху корозионните реакции
Някои от основните фактори, които определят скоростта на корозия, включват:
1. Наличност на вода и кислород: Водата действа като електролит и реакционна среда, докато кислородът действа като окислител в катодната реакция.
2. pH на околната среда: Киселинните среди ускоряват разтварянето на металите. Алкалните среди понякога спомагат за образуването на защитен слой върху определени метали.
3. Концентрация на йони (особено Cl⁻): Увеличава проводимостта и предизвиква локална корозия.
4. Температура: Обикновено скоростта на химичните реакции се увеличава с температурата, така че корозията е по-бърза при високи температури.
5. Скорост на потока на флуида: Потокът може да ерозира защитния слой и да ускори подаването на кислород, причинявайки ерозия-корозия.
6. Междуметален контакт: Задейства галванична корозия, ако има потенциална разлика.
Затваряне
Корозията е по същество поредица от окислително-редукционни реакции, които протичат спонтанно, когато металът взаимодейства с околната среда. При желязото процесът започва с окисление на Fe до Fe²⁺ на анода и редукция на кислород (или водородни йони в киселинни условия) на катода. Крайният продукт е хидратиран железен оксид, известен като ръжда. Наличието на вода, кислород, сол и pH условия значително определят скоростта на тази реакция, както и материални фактори като метално сдвояване и способността за образуване на пасивен слой. Чрез разбирането на химичните реакции, участващи в процеса на корозия, можем да разработим подходящи стратегии за предотвратяване – от покрития, използване на инхибитори, катодна защита до избор на материали – така че загубите, дължащи се на корозия, да бъдат значително намалени.
