Chemické reakce v procesu koroze
Koroze je jedním z chemických jevů, které nejvíce souvisejí s každodenním životem, přesto může být její dopad hluboký. Od rezavění plotů přes oslabené rámy vozidel až po netěsné průmyslové potrubí – to vše může začínat procesem koroze. Jednoduše řečeno, korozi lze chápat jako zhoršování stavu materiálů (zejména kovů) v důsledku chemických nebo elektrochemických reakcí s prostředím. Ačkoli se koroze často chápe jednoduše jako „rez“, ve skutečnosti zahrnuje složitou řadu reakcí ovlivněných vodou, kyslíkem, solí, kyselostí a rozdíly elektrických potenciálů na povrchu kovu.
Koroze jako elektrochemický proces
Ve většině případů dochází ke korozi kovů elektrochemickými mechanismy, což znamená, že proces zahrnuje tok elektronů v důsledku tvorby mikroelektrochemického článku na povrchu kovu. Tento článek se skládá ze dvou hlavních částí: anodové oblasti a katody. Ačkoli se kov jeví jako homogenní, jeho povrch často obsahuje nedokonalosti, vnitřní pnutí, rozdíly v mikrosložení nebo kontakt s jinými kovy, které způsobují, že část povrchu funguje jako anoda a jiná část jako katoda.
– Na anodě dochází k oxidaci kovu (uvolňování elektronů).
– Na katodě probíhá redukční reakce (přijímání elektronů), obvykle za účasti kyslíkových nebo vodíkových iontů.
Jinými slovy, korozi lze vnímat jako „malou baterii“, která pracuje nepřetržitě na povrchu kovu, dokud je přítomen elektrolyt (např. voda) jako médium pro vedení iontů.
Základní reakce koroze železa: Zdroje rzi
Železo (Fe) je nejčastějším příkladem v diskusích o korozi, protože snadno rezaví. Rez je složitá směs, primárně hydratovaných oxidů železa (např. Fe₂O₃·nH₂O), ale její tvorba je iniciována několika reakčními kroky.
1. Anodická reakce: Oxidace železa
Na anodě se železo rozpouští uvolněním elektronů:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Tato reakce způsobuje tvorbu iontů Fe²⁺, což způsobuje ztrátu hmotnosti kovu v anodickém bodě. To je začátek procesu „koroze“ kovu.
2. Katodická reakce: Redukce kyslíku
V neutrálním nebo alkalickém prostředí (jako je čistá voda) je nejběžnější katodickou reakcí redukce rozpuštěného kyslíku:
02(g) + 2H20(1) + 4e⁻ → 4OH⁻(vod.)
Elektrony uvolněné z anody proudí do oblasti katody a jsou využívány k redukci kyslíku. Přítomnost vody a kyslíku jsou dva klíčové faktory.
3. Vznik meziproduktu: Fe(OH)₂
Ionty Fe²⁺ vytvořené na anodě reagují s ionty OH⁻ z katodové reakce za vzniku sraženiny:
Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)
Tyto usazeniny ještě nejsou konečnou rzí, ale „produkty rané koroze“, které se mohou dále měnit.
4. Další oxidace na Fe(OH)₃ a hydratovaný oxid železa
Fe(OH)₂ může být kyslíkem oxidováno na Fe(OH)₃:
4Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2H20(l) → 4Fe(OH)3(s)
Poté Fe(OH)₃ podléhá částečné dehydrataci a strukturální reorganizaci na hydratovaný oxid železa, známý jako rez:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (voda)
Produkty z rzi jsou porézní a nepřilnou pevně, takže nechrání podkladové kovové vrstvy. Koroze železa proto má tendenci pokračovat a zhoršovat se.
Vliv elektrolytů a solných iontů
Koroze bude mnohem rychlejší v přítomnosti dobrého elektrolytu, jako je mořská voda nebo voda obsahující sůl. Chloridové ionty (Cl⁻) jsou jedním z nejnebezpečnějších urychlovačů koroze. Sůl zvyšuje vodivost roztoku, čímž zvyšuje elektrochemický proud na povrchu kovu. Chlorid může navíc poškodit pasivní vrstvu na některých kovech a vyvolat lokální korozi, jako je štěrbinová koroze a bodová koroze.
V železe může prostředí obsahující Cl⁻ také podporovat tvorbu nestabilnějších korozních produktů a urychlovat tvorbu malých, hlubokých anodových skvrn, což vede ke korozním důlkům, které je zvenčí obtížné detekovat.
Koroze v kyselém prostředí: Redukce vodíkových iontů
V kyselém prostředí se může katodická reakce změnit. Pokud je koncentrace H⁺ vysoká, dominantní redukční reakcí je tvorba plynného vodíku:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Zatímco anodická reakce zůstává rozpouštěním kovu:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Tato kombinace urychluje rozpouštění železa v kyselině. V důsledku toho může kov erodovat bez přítomnosti velkého množství rozpuštěného kyslíku. Proto jsou potrubí nebo nádrže vystavené kyselým kapalinám vystaveny většímu riziku rychlé koroze, pokud nejsou potaženy nebo pokud není kontrolováno jejich pH.
Galvanická koroze: Když se setkají dva kovy
Korozi ovlivňuje nejen prostředí, ale také kovy, které jsou v kontaktu. Když jsou dva odlišné kovy elektricky propojeny v elektrolytu, vznikne galvanický článek. Aktivnější (snáze oxidovatelný) kov funguje jako anoda a koroduje rychleji, zatímco ušlechtilejší kov funguje jako katoda a je relativně chráněn.
Například pokud železo přijde do kontaktu s mědí ve vlhkém prostředí, železo má tendenci fungovat jako anoda a rychleji rezavět. To je způsobeno rozdílem ve standardním elektrodovém potenciálu mezi těmito dvěma kovy, který určuje směr toku elektronů.
Pasivní vrstvy a koroze na jiných kovech
Ne všechny kovy korodují jako železo. Například hliník a nerezová ocel mají tendenci tvořit tenkou, hustou a pevně přilnavou oxidovou vrstvu zvanou pasivní vrstva. Tato vrstva brání difúzi kyslíku a vody k povrchu kovu, čímž snižuje rychlost koroze. Na hliníku je vrstva Al₂O₃ velmi stabilní. V nerezové oceli je pasivní vrstva podepřena chromem, čímž vzniká Cr₂O₃.
Pasivní vrstva však může být poškozena určitými podmínkami, jako jsou vysoké koncentrace chloridů, podmínky s nedostatkem kyslíku v úzkých mezerách nebo rozdíly v provzdušňování (buňky s koncentrací kyslíku). Pokud je pasivní vrstva narušena v malých oblastech, může velmi rychle a nebezpečně dojít k lokalizované korozi.
Faktory ovlivňující korozní reakce
Mezi hlavní faktory, které ovlivňují rychlost koroze, patří:
1. Dostupnost vody a kyslíku: Voda působí jako elektrolyt a reakční médium, zatímco kyslík působí jako oxidační činidlo v katodové reakci.
2. pH prostředí: Kyselé prostředí urychluje rozpouštění kovů. Alkalické prostředí někdy pomáhá vytvářet ochrannou vrstvu na některých kovech.
3. Koncentrace iontů (zejména Cl⁻): Zvyšuje vodivost a spouští lokální korozi.
4. Teplota: Rychlost chemických reakcí se obecně zvyšuje s teplotou, takže koroze bývá při vysokých teplotách rychlejší.
5. Rychlost proudění kapaliny: Proudění může narušit ochrannou vrstvu a urychlit přísun kyslíku, což způsobuje erozi a korozi.
6. Intermetalický kontakt: Spouští galvanickou korozi, pokud existuje rozdíl potenciálů.
Zavírání
Koroze je v podstatě série oxidačně-redukčních reakcí, které probíhají spontánně, když kov reaguje s okolím. V železe proces začíná oxidací Fe na Fe²⁺ na anodě a redukcí kyslíku (nebo vodíkových iontů v kyselém prostředí) na katodě. Konečným produktem je hydratovaný oxid železa, známý jako rez. Přítomnost vody, kyslíku, soli a pH významně určují rychlost této reakce, stejně jako materiálové faktory, jako je párování kovů a schopnost tvořit pasivní vrstvu. Pochopením chemických reakcí zapojených do procesu koroze můžeme navrhnout vhodné preventivní strategie – od povlaků, použití inhibitorů, katodické ochrany až po výběr materiálu – aby se ztráty v důsledku koroze výrazně snížily.
