Hemijske reakcije u procesu korozije
Korozija je jedan od hemijskih fenomena koji je najviše povezan sa svakodnevnim životom, ali njen uticaj može biti dubok. Od hrđanja ograda do oslabljenih okvira vozila i propuštanja industrijskih cijevi - sve može početi procesom korozije. Jednostavno rečeno, korozija se može shvatiti kao propadanje materijala (posebno metala) zbog hemijskih ili elektrohemijskih reakcija s okolinom. Iako se često smatra jednostavno "rđom", korozija zapravo uključuje složen niz reakcija pod utjecajem vode, kisika, soli, kiselosti i razlika električnih potencijala na metalnoj površini.
Korozija kao elektrohemijski proces
U većini slučajeva, korozija metala se javlja putem elektrohemijskih mehanizama, što znači da proces uključuje protok elektrona koji nastaje formiranjem mikroelektrohemijske ćelije na površini metala. Ova ćelija se sastoji od dva glavna dijela: anodnog područja i katodnog područja. Iako metal izgleda homogeno, njegova površina često sadrži nesavršenosti, unutrašnja naprezanja, razlike u mikrosastavu ili kontakt s drugim metalima koji uzrokuju da dio površine djeluje kao anoda, a drugi dio kao katoda.
– Na anodi, metal se oksidira (oslobađa elektrone).
– Na katodi se odvija redukcijska reakcija (primanje elektrona), obično uz učešće iona kisika ili vodika.
Drugim riječima, korozija se može posmatrati kao „mala baterija“ koja neprekidno radi na metalnoj površini, sve dok postoji elektrolit (npr. voda) kao medij za provođenje iona.
Osnovne reakcije korozije željeza: Izvori hrđe
Željezo (Fe) je najčešći primjer u raspravama o koroziji jer lako hrđa. Hrđa je složena smjesa, prvenstveno hidratiziranih željeznih oksida (npr. Fe₂O₃·nH₂O), ali njeno formiranje započinje nekoliko reakcijskih koraka.
1. Anodna reakcija: Oksidacija željeza
Na anodi se željezo rastvara oslobađajući elektrone:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Ova reakcija uzrokuje stvaranje Fe²⁺ iona, što uzrokuje gubitak mase metala na anodnoj tački. Ovo je početak procesa "korozije" u metalu.
2. Katodna reakcija: Redukcija kisika
U neutralnim ili alkalnim okruženjima (kao što je obična voda), najčešća katodna reakcija je redukcija rastvorenog kiseonika:
O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)
Elektroni oslobođeni sa anode teku prema katodi i koriste se za redukciju kisika. Prisustvo vode i kisika su dva ključna faktora.
3. Formiranje međuprodukta: Fe(OH)₂
Fe²⁺ ioni formirani na anodi reagovaće sa OH⁻ ionima iz katodne reakcije i formirati talog:
Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)
Ovi depoziti još nisu konačna hrđa, već su "rani proizvodi korozije" koji se mogu dalje mijenjati.
4. Dalja oksidacija do Fe(OH)₃ i hidratiziranog željeznog oksida
Fe(OH)₂ se može oksidirati kisikom do Fe(OH)₃:
4Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(s)
Zatim Fe(OH)₃ prolazi kroz djelomičnu dehidraciju i strukturnu reorganizaciju u hidratizirani željezni oksid koji poznajemo kao hrđu:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (voda)
Proizvodi od hrđe su porozni i ne prianjaju čvrsto, tako da ne štite temeljne metalne slojeve. Stoga korozija željeza ima tendenciju da se nastavi i pogorša.
Učinak elektrolita i iona soli
Korozija će biti mnogo brža u prisustvu dobrog elektrolita, kao što je morska voda ili voda koja sadrži sol. Hloridni ioni (Cl⁻) su jedni od najopasnijih akceleratora korozije. Sol povećava provodljivost rastvora, povećavajući elektrohemijsku struju na površini metala. Nadalje, hlorid može oštetiti pasivni sloj na određenim metalima i izazvati lokaliziranu koroziju kao što su korozija u pukotinama i korozija u obliku tačkastih tačaka.
U željezu, okruženje koje sadrži Cl⁻ može također potaknuti stvaranje nestabilnijih produkata korozije i ubrzati stvaranje malih, dubokih anodnih mrlja, što rezultira korozijskim jama koje je teško otkriti izvana.
Korozija u kiselim sredinama: Redukcija vodikovih iona
U kiseloj sredini, katodna reakcija se može promijeniti. Ako je koncentracija H⁺ visoka, dominantna reakcija redukcije je stvaranje plinovitog vodika:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Dok anodna reakcija ostaje rastvaranje metala:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Ova kombinacija ubrzava rastvaranje željeza u kiselini. Kao rezultat toga, metal može erodirati bez prisustva velikih količina rastvorenog kisika. Zbog toga su cijevi ili rezervoari izloženi kiselim tekućinama izloženi većem riziku od brze korozije ako nisu premazani ili im se pH ne kontrolira.
Galvanska korozija: Kada se dva metala susretnu
Na koroziju ne utiče samo okolina, već i metali koji su u kontaktu. Kada su dva različita metala električno povezana u elektrolitu, formira se galvanska ćelija. Aktivniji (lakše oksidirajući) metal djeluje kao anoda i brže korodira, dok plemenitiji metal djeluje kao katoda i relativno je zaštićen.
Na primjer, ako željezo dođe u kontakt s bakrom u vlažnim uvjetima, željezo ima tendenciju da djeluje kao anoda i brže hrđa. To je zbog razlike u standardnom elektrodnom potencijalu između dva metala, što određuje smjer protoka elektrona.
Pasivni slojevi i korozija na drugim metalima
Ne korodiraju svi metali kao željezo. Aluminij i nehrđajući čelik, na primjer, imaju tendenciju formiranja tankog, gustog i čvrsto prianjajućeg oksidnog sloja koji se naziva pasivni sloj. Ovaj sloj inhibira difuziju kisika i vode na površinu metala, čime se smanjuje brzina korozije. Na aluminijumu je sloj Al₂O₃ vrlo stabilan. Kod nehrđajućeg čelika, pasivni sloj je podržan hromom, formirajući Cr₂O₃.
Međutim, pasivni sloj može biti oštećen određenim uslovima, kao što su visoke koncentracije hlorida, uslovi nedostatka kiseonika u uskim prazninama ili razlike u aeraciji (ćelije koncentracije kiseonika). Kada se pasivni sloj naruši na malim površinama, lokalizovana korozija može se pojaviti vrlo brzo i biti opasna.
Faktori koji utiču na korozijske reakcije
Neki od glavnih faktora koji određuju brzinu korozije uključuju:
1. Dostupnost vode i kisika: Voda djeluje kao elektrolit i reakcijski medij, dok kisik djeluje kao oksidacijsko sredstvo u katodnoj reakciji.
2. pH vrijednost okoline: Kisele sredine ubrzavaju rastvaranje metala. Alkalne sredine ponekad pomažu u formiranju zaštitnog sloja na određenim metalima.
3. Koncentracija iona (posebno Cl⁻): Povećava provodljivost i izaziva lokalnu koroziju.
4. Temperatura: Općenito, brzina hemijskih reakcija raste s temperaturom, tako da korozija obično bude brža na visokim temperaturama.
5. Brzina protoka fluida: Protok može nagristi zaštitni sloj i ubrzati dovod kisika, uzrokujući eroziju-koroziju.
6. Intermetalni kontakt: Izaziva galvansku koroziju ako postoji razlika potencijala.
Zatvaranje
Korozija je u suštini niz oksidacijsko-redukcijskih reakcija koje se spontano javljaju kada metal interaguje sa svojom okolinom. Kod željeza, proces počinje oksidacijom Fe u Fe²⁺ na anodi i redukcijom kisika (ili vodikovih iona u kiselim uslovima) na katodi. Krajnji proizvod je hidratizirani željezni oksid, poznat kao hrđa. Prisustvo vode, kisika, soli i pH uslova značajno određuju brzinu ove reakcije , kao i faktori materijala kao što su sparivanje metala i sposobnost formiranja pasivnog sloja. Razumijevanjem hemijskih reakcija uključenih u proces korozije, možemo dizajnirati odgovarajuće strategije prevencije - od premaza, upotrebe inhibitora, katodne zaštite do odabira materijala - tako da se gubici usljed korozije mogu značajno smanjiti.
