Քիմիական ռեակցիաներ կոռոզիայի գործընթացում

Քիմիական ռեակցիաներ կոռոզիայի գործընթացում

Կոռոզիան քիմիական երևույթներից մեկն է, որն առավել սերտորեն կապված է առօրյա կյանքի հետ, սակայն դրա ազդեցությունը կարող է խորը լինել: Ցանկապատերի ժանգոտումից մինչև տրանսպորտային միջոցների թուլացած շրջանակներ և արդյունաբերական խողովակների արտահոսք՝ այս ամենը կարող է սկսվել կոռոզիայի գործընթացից: Պարզ ասած, կոռոզիան կարելի է հասկանալ որպես նյութերի (հատկապես մետաղների) վատթարացում՝ շրջակա միջավայրի հետ քիմիական կամ էլեկտրաքիմիական ռեակցիաների պատճառով: Չնայած հաճախ այն պարզապես «ժանգ» է համարվում, կոռոզիան իրականում ներառում է բարդ ռեակցիաների շարք, որոնք ազդվում են ջրի, թթվածնի, աղի, թթվայնության և մետաղի մակերեսի էլեկտրական պոտենցիալների տարբերությունների վրա:

Կոռոզիան որպես էլեկտրաքիմիական գործընթաց

Մեծ մասամբ մետաղի կոռոզիան տեղի է ունենում էլեկտրաքիմիական մեխանիզմների միջոցով, այսինքն՝ գործընթացը ներառում է էլեկտրոնների հոսք, որը առաջանում է մետաղի մակերեսին միկրոէլեկտրաքիմիական բջջի առաջացման հետևանքով: Այս բջջը բաղկացած է երկու հիմնական մասից՝ անոդային շրջան և կաթոդային շրջան: Չնայած մետաղը թվում է համասեռ, դրա մակերեսը հաճախ պարունակում է թերություններ, ներքին լարվածություններ, միկրոբաղադրության տարբերություններ կամ այլ մետաղների հետ շփում, որոնք ստիպում են մակերեսի մի մասին գործել որպես անոդ, իսկ մյուս մասին՝ որպես կաթոդ:

– Անոդում մետաղը ենթարկվում է օքսիդացման (էլեկտրոններ անջատելով):
– Կաթոդում տեղի է ունենում վերականգնման ռեակցիա (էլեկտրոնների ընդունում), որը սովորաբար ներառում է թթվածնի կամ ջրածնի իոններ։

Այլ կերպ ասած, կոռոզիան կարելի է դիտարկել որպես «փոքր մարտկոց», որը անընդհատ աշխատում է մետաղի մակերեսի վրա, քանի դեռ կա էլեկտրոլիտ (օրինակ՝ ջուր) որպես իոնների հաղորդիչ միջավայր։

Երկաթի կոռոզիայի հիմնական ռեակցիաները. ժանգի աղբյուրները

Երկաթը (Fe) կոռոզիայի վերաբերյալ քննարկումներում ամենատարածված օրինակն է, քանի որ այն հեշտությամբ ժանգոտվում է: Ժանգը բարդ խառնուրդ է, որը հիմնականում բաղկացած է հիդրատացված երկաթի օքսիդներից (օրինակ՝ Fe₂O₃·nH₂O), բայց դրա առաջացումը սկսվում է մի քանի ռեակցիայի փուլերով:

1. Անոդային ռեակցիա. Երկաթի օքսիդացում

Անոդում երկաթը լուծվում է՝ էլեկտրոններ անջատելով։

Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻

Այս ռեակցիան առաջացնում է Fe²⁺ իոնների առաջացում, ինչի հետևանքով մետաղը կորցնում է զանգված անոդային կետում։ Սա մետաղում «կոռոզիայի» գործընթացի սկիզբն է։

2. Կաթոդային ռեակցիա. թթվածնի վերականգնում

Չեզոք կամ ալկալային միջավայրերում (օրինակ՝ պարզ ջուր) ամենատարածված կաթոդային ռեակցիան լուծված թթվածնի վերականգնումն է.

O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH-(aq)

Անոդից արտանետվող էլեկտրոնները հոսում են կաթոդային շրջան և օգտագործվում են թթվածնի վերականգնման համար: Ջրի և թթվածնի առկայությունը երկու հիմնական գործոններ են:

3. Fe(OH)₂ միջանկյալ միացության առաջացում

Անոդում առաջացած Fe²⁺ իոնները կփոխազդեն կաթոդային ռեակցիայի OH⁻ իոնների հետ՝ առաջացնելով նստվածք։

Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)

Այս նստվածքները դեռևս վերջնական ժանգ չեն, այլ «վաղ կոռոզիայի արգասիքներ» են, որոնք կարող են հետագայում փոխվել։

4. Հետագա օքսիդացում Fe(OH)₃-ի և հիդրատացված երկաթի օքսիդի

Fe(OH)₂-ը կարող է օքսիդացվել թթվածնով մինչև Fe(OH)₃:

4Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2H2O(l) → 4Fe(OH)3(ներ)

Այնուհետև Fe(OH)₃-ը ենթարկվում է մասնակի ջրազրկման և կառուցվածքային վերակազմակերպման՝ վերածվելով հիդրատացված երկաթի օքսիդի, որը մենք գիտենք որպես ժանգ։

Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (ջուր)

Ժանգի առաջացնող նյութերը ծակոտկեն են և ամուր չեն կպչում, ուստի չեն պաշտպանում մետաղի տակ գտնվող շերտերը։ Հետևաբար, երկաթի կոռոզիան հակված է շարունակվելու և վատթարանալու։

Էլեկտրոլիտների և աղի իոնների ազդեցությունը

Կոռոզիան շատ ավելի արագ կընթանա լավ էլեկտրոլիտի առկայության դեպքում, ինչպիսիք են ծովի ջուրը կամ աղ պարունակող ջուրը: Քլորիդային իոնները (Cl⁻) կոռոզիայի ամենավտանգավոր արագացուցիչներից մեկն են: Աղը մեծացնում է լուծույթի հաղորդունակությունը՝ մեծացնելով մետաղի մակերեսին էլեկտրաքիմիական հոսանքը: Ավելին, քլորիդը կարող է վնասել որոշակի մետաղների վրա պասիվ շերտը և առաջացնել տեղայնացված կոռոզիա, ինչպիսիք են ճեղքային կոռոզիան և փոսային կոռոզիան:

Երկաթի դեպքում Cl⁻ պարունակող միջավայրը կարող է նաև խթանել ավելի անկայուն կոռոզիայի արգասիքների առաջացումը և արագացնել փոքր, խորը անոդային բծերի առաջացումը, ինչը հանգեցնում է կոռոզիայի փոսերի, որոնք դժվար է հայտնաբերել դրսից։

Կոռոզիա թթվային միջավայրերում. ջրածնի իոնների վերականգնում

Թթվային միջավայրում կաթոդային ռեակցիան կարող է փոխվել։ Եթե H⁺ կոնցենտրացիան բարձր է, գերիշխող վերականգնման ռեակցիան ջրածնի գազ առաջացումն է։

2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)

Մինչդեռ անոդային ռեակցիան մնում է մետաղի լուծարումը.

Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻

Այս համադրությունը արագացնում է երկաթի լուծարման արագությունը թթվում։ Արդյունքում, մետաղը կարող է քայքայվել առանց լուծված թթվածնի մեծ քանակության առկայության։ Ահա թե ինչու թթվային հեղուկների ազդեցությանը ենթարկված խողովակները կամ բաքերը ավելի մեծ ռիսկի են ենթարկվում արագ կոռոզիայի, եթե դրանք չեն ծածկվում կամ դրանց pH-ը չի վերահսկվում։

Գալվանական կոռոզիա. Երբ երկու մետաղ հանդիպում են

Կոռոզիայի վրա ազդում են ոչ միայն շրջակա միջավայրը, այլև շփման մեջ գտնվող մետաղները: Երբ երկու տարբեր մետաղներ էլեկտրականորեն միացված են էլեկտրոլիտի մեջ, առաջանում է գալվանական բջիջ: Ավելի ակտիվ (ավելի հեշտ օքսիդացվող) մետաղը հանդես է գալիս որպես անոդ և ավելի արագ է կոռոզիայի ենթարկվում, մինչդեռ ավելի ազնիվ մետաղը հանդես է գալիս որպես կաթոդ և համեմատաբար պաշտպանված է:

Օրինակ, եթե երկաթը խոնավ պայմաններում շփվում է պղնձի հետ, այն հակված է անոդի դեր խաղալու և ավելի արագ ժանգոտվելու։ Սա պայմանավորված է երկու մետաղների միջև ստանդարտ էլեկտրոդային պոտենցիալի տարբերությամբ, որը որոշում է էլեկտրոնների հոսքի ուղղությունը։

Պասիվ շերտեր և կոռոզիա այլ մետաղների վրա

Ոչ բոլոր մետաղներն են կոռոզիայի ենթարկվում ինչպես երկաթը: Օրինակ՝ ալյումինը և չժանգոտվող պողպատը հակված են առաջացնելու բարակ, խիտ և ամուր կպչուն օքսիդային շերտ, որը կոչվում է պասիվ շերտ: Այս շերտը կանխում է թթվածնի և ջրի դիֆուզիան մետաղի մակերեսին, դրանով իսկ նվազեցնելով կոռոզիայի արագությունը: Ալյումինի վրա Al₂O₃ շերտը շատ կայուն է: Չժանգոտվող պողպատում պասիվ շերտը պահվում է քրոմի վրա՝ առաջացնելով Cr₂O₃:

Սակայն, պասիվ շերտը կարող է վնասվել որոշակի պայմաններում, ինչպիսիք են քլորիդի բարձր կոնցենտրացիաները, նեղ ճեղքերում թթվածնի անբավարարության պայմանները կամ օդափոխության տարբերությունները (թթվածնի կոնցենտրացիայի բջիջներ): Երբ պասիվ շերտը կոտրվում է փոքր տարածքներում, տեղայնացված կոռոզիան կարող է շատ արագ և վտանգավոր կերպով առաջանալ:

Կոռոզիայի ռեակցիաների վրա ազդող գործոններ

Կոռոզիայի արագությունը որոշող հիմնական գործոններից մի քանիսը ներառում են.

1. Ջրի և թթվածնի առկայությունը. Կաթոդային ռեակցիայում ջուրը հանդես է գալիս որպես էլեկտրոլիտ և ռեակցիայի միջավայր, մինչդեռ թթվածինը հանդես է գալիս որպես օքսիդացնող նյութ։
2. Միջավայրի pH. Թթվային միջավայրերը արագացնում են մետաղների լուծարումը: Ալկալային միջավայրերը երբեմն նպաստում են որոշակի մետաղների վրա պաշտպանիչ շերտի առաջացմանը:
3. Իոնների կոնցենտրացիան (հատկապես Cl⁻). Մեծացնում է հաղորդականությունը և առաջացնում տեղային կոռոզիա։
4. Ջերմաստիճան. Ընդհանուր առմամբ, քիմիական ռեակցիաների արագությունը մեծանում է ջերմաստիճանի հետ, ուստի կոռոզիան հակված է ավելի արագ լինել բարձր ջերմաստիճաններում:
5. Հեղուկի հոսքի արագություն. Հոսքը կարող է քայքայել պաշտպանիչ շերտը և արագացնել թթվածնի մատակարարումը՝ առաջացնելով էրոզիա-կոռոզիա:
6. Մետաղների միջև շփում. Առաջացնում է գալվանական կոռոզիա, եթե կա պոտենցիալների տարբերություն։

Penutup

Կոռոզիան, ըստ էության, օքսիդացման-վերականգնման ռեակցիաների շարք է, որոնք տեղի են ունենում ինքնաբուխ, երբ մետաղը փոխազդում է իր միջավայրի հետ: Երկաթի դեպքում գործընթացը սկսվում է Fe-ի օքսիդացումից Fe²⁺-ի անոդում և թթվածնի (կամ ջրածնի իոնների թթվային պայմաններում) վերականգնումից կաթոդում: Վերջնական արդյունքը հիդրատացված երկաթի օքսիդն է, որը հայտնի է որպես ժանգ: Ջրի, թթվածնի, աղի և pH պայմանների առկայությունը զգալիորեն որոշում են այս ռեակցիայի արագությունը, ինչպես նաև նյութական գործոնները, ինչպիսիք են մետաղների զույգավորումը և պասիվ շերտ ձևավորելու ունակությունը: Կոռոզիայի գործընթացում ներգրավված քիմիական ռեակցիաները հասկանալով՝ մենք կարող ենք մշակել համապատասխան կանխարգելիչ ռազմավարություններ՝ սկսած ծածկույթներից, արգելակիչների օգտագործումից, կաթոդային պաշտպանությունից մինչև նյութի ընտրություն, որպեսզի կոռոզիայի պատճառով կորուստները զգալիորեն նվազեցվեն: