ქიმიური რეაქციები კოროზიის პროცესში
კოროზია ერთ-ერთი ქიმიური მოვლენაა, რომელიც ყველაზე მჭიდროდ არის დაკავშირებული ყოველდღიურ ცხოვრებასთან, თუმცა მისი გავლენა შეიძლება იყოს ღრმა. ჟანგიანი ღობეებიდან დაწყებული, ავტომობილის ჩარჩოების დასუსტებითა და სამრეწველო მილების გაჟონვით დამთავრებული - ყველაფერი შეიძლება კოროზიის პროცესით დაიწყოს. მარტივად რომ ვთქვათ, კოროზია შეიძლება გავიგოთ, როგორც მასალების (განსაკუთრებით ლითონების) დაზიანება გარემოსთან ქიმიური ან ელექტროქიმიური რეაქციების გამო. მიუხედავად იმისა, რომ ხშირად მას უბრალოდ „ჟანგად“ მოიხსენიებენ, კოროზია სინამდვილეში გულისხმობს რეაქციების რთულ სერიას, რომელზეც გავლენას ახდენს წყალი, ჟანგბადი, მარილი, მჟავიანობა და ელექტრული პოტენციალის სხვაობა ლითონის ზედაპირზე.
კოროზია, როგორც ელექტროქიმიური პროცესი
უმეტეს შემთხვევაში, ლითონის კოროზია ელექტროქიმიური მექანიზმებით ხდება, რაც იმას ნიშნავს, რომ პროცესი გულისხმობს ელექტრონების ნაკადს, რაც ლითონის ზედაპირზე მიკროელექტროქიმიური უჯრედის ფორმირების შედეგად წარმოიქმნება. ეს უჯრედი ორი ძირითადი ნაწილისგან შედგება: ანოდური რეგიონი და კათოდური რეგიონი. მიუხედავად იმისა, რომ ლითონი ერთგვაროვანი ჩანს, მის ზედაპირზე ხშირად არის ნაკლოვანებები, შინაგანი დაძაბულობა, მიკროშემადგენლობის განსხვავებები ან სხვა ლითონებთან კონტაქტი, რაც იწვევს ზედაპირის ნაწილის ანოდად, ხოლო მეორე ნაწილის კათოდის ფუნქციას.
– ანოდზე ლითონი განიცდის დაჟანგვას (ელექტრონების გამოთავისუფლებას).
– კათოდზე ხდება აღდგენის რეაქცია (ელექტრონების მიღება), რომელიც ჩვეულებრივ მოიცავს ჟანგბადის ან წყალბადის იონებს.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კოროზია შეიძლება განვიხილოთ, როგორც „პატარა ბატარეა“, რომელიც განუწყვეტლივ მუშაობს ლითონის ზედაპირზე, სანამ იონების გამტარ საშუალებად ელექტროლიტი (მაგ., წყალი) არსებობს.
რკინის კოროზიის ძირითადი რეაქციები: ჟანგის წყაროები
კოროზიის განხილვისას რკინა (Fe) ყველაზე გავრცელებული მაგალითია, რადგან ის ადვილად იჟანგება. ჟანგა რთული ნარევია, ძირითადად ჰიდრატირებული რკინის ოქსიდებისგან (მაგ., Fe₂O₃·nH₂O), მაგრამ მისი წარმოქმნა იწყება რამდენიმე რეაქციის ეტაპით.
1. ანოდური რეაქცია: რკინის დაჟანგვა
ანოდზე რკინა იხსნება ელექტრონების გამოყოფით:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
ეს რეაქცია იწვევს Fe²⁺ იონების წარმოქმნას, რაც იწვევს ლითონის მასის დაკარგვას ანოდურ წერტილში. ეს არის ლითონში „კოროზიის“ პროცესის დასაწყისი.
2. კათოდური რეაქცია: ჟანგბადის აღდგენა
ნეიტრალურ ან ტუტე გარემოში (მაგალითად, უბრალო წყალში), ყველაზე გავრცელებული კათოდური რეაქცია გახსნილი ჟანგბადის აღდგენაა:
O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH-(aq)
ანოდიდან გამოთავისუფლებული ელექტრონები კათოდის არეში მიედინება და ჟანგბადის აღსადგენად გამოიყენება. წყლისა და ჟანგბადის არსებობა ორი ძირითადი ფაქტორია.
3. შუალედური ნაერთის წარმოქმნა: Fe(OH)₂
ანოდში წარმოქმნილი Fe²⁺ იონები რეაგირებენ კათოდური რეაქციიდან მიღებულ OH⁻ იონებთან და წარმოქმნიან ნალექს:
Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)
ეს დეპოზიტები ჯერ კიდევ არ არის საბოლოო ჟანგი, არამედ წარმოადგენს „ადრეული კოროზიის პროდუქტებს“, რომლებიც შეიძლება კიდევ უფრო შეიცვალოს.
4. შემდგომი დაჟანგვა Fe(OH)₃-მდე და ჰიდრატირებული რკინის ოქსიდამდე
Fe(OH)₂ შეიძლება დაიჟანგოს ჟანგბადით Fe(OH)₃-მდე:
4Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2H2O(l) → 4Fe(OH)3(s)
შემდეგ Fe(OH)₃ განიცდის ნაწილობრივ დეჰიდრატაციას და სტრუქტურულ რეორგანიზაციას ჰიდრატირებული რკინის ოქსიდად, რომელსაც ჟანგის სახელით ვიცნობთ:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (წყალი)
ჟანგის პროდუქტები ფოროვანია და მყარად არ ეკვრის, ამიტომ ისინი არ იცავენ ლითონის ქვეშ არსებულ ფენებს. შესაბამისად, რკინის კოროზია, როგორც წესი, გრძელდება და უარესდება.
ელექტროლიტებისა და მარილის იონების ეფექტი
კოროზია გაცილებით სწრაფი იქნება კარგი ელექტროლიტის, მაგალითად, ზღვის წყლის ან მარილის შემცველი წყლის თანაარსებობისას. ქლორიდის იონები (Cl⁻) ერთ-ერთი ყველაზე საშიში კოროზიის ამაჩქარებელია. მარილი ზრდის ხსნარის გამტარობას, რაც ზრდის ელექტროქიმიურ დენს ლითონის ზედაპირზე. გარდა ამისა, ქლორიდს შეუძლია დააზიანოს გარკვეული ლითონების პასიური ფენა და გამოიწვიოს ლოკალიზებული კოროზია, როგორიცაა ნაპრალისებრი და ორმოებიანი კოროზია.
რკინაში, Cl⁻-ის შემცველმა გარემომ ასევე შეიძლება ხელი შეუწყოს უფრო არასტაბილური კოროზიის პროდუქტების წარმოქმნას და დააჩქაროს მცირე, ღრმა ანოდური ლაქების წარმოქმნა, რაც იწვევს კოროზიის ორმოებს, რომელთა გარედან აღმოჩენა რთულია.
კოროზია მჟავე გარემოში: წყალბადის იონების აღდგენა
მჟავე გარემოში კათოდური რეაქცია შეიძლება შეიცვალოს. თუ H⁺ კონცენტრაცია მაღალია, დომინანტური აღდგენის რეაქცია წყალბადის აირის წარმოქმნაა:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
მიუხედავად იმისა, რომ ანოდური რეაქცია ლითონის დაშლას წარმოადგენს:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
ეს კომბინაცია აჩქარებს რკინის დაშლის სიჩქარეს მჟავაში. შედეგად, ლითონს შეუძლია ეროზია განიცადო გახსნილი ჟანგბადის დიდი რაოდენობით არსებობის გარეშე. სწორედ ამიტომ, მჟავე სითხეებთან შეხებაში მყოფი მილები ან ავზები სწრაფი კოროზიის უფრო მაღალი რისკის ქვეშ არიან, თუ ისინი არ არის დაფარული საფარით ან მათი pH არ არის კონტროლირებადი.
გალვანური კოროზია: როდესაც ორი ლითონი ხვდება ერთმანეთს
კოროზიაზე გავლენას ახდენს არა მხოლოდ გარემო, არამედ შეხებაში მყოფი ლითონებიც. როდესაც ორი განსხვავებული ლითონი ელექტროლიტში ელექტრულად არის დაკავშირებული, წარმოიქმნება გალვანური ელემენტი. უფრო აქტიური (უფრო ადვილად დაჟანგვადი) ლითონი ანოდის როლს ასრულებს და უფრო სწრაფად კოროდირდება, ხოლო უფრო კეთილშობილი ლითონი კათოდის როლს ასრულებს და შედარებით დაცულია.
მაგალითად, თუ რკინა ნესტიან პირობებში სპილენძს შეეხება, რკინა ანოდის როლს შეასრულებს და უფრო სწრაფად იჟანგება. ეს განპირობებულია ორ ლითონს შორის სტანდარტული ელექტროდის პოტენციალის განსხვავებით, რაც განსაზღვრავს ელექტრონების ნაკადის მიმართულებას.
პასიური ფენები და კოროზია სხვა ლითონებზე
ყველა ლითონი არ კოროდირდება ისე, როგორც რკინა. მაგალითად, ალუმინი და უჟანგავი ფოლადი წარმოქმნიან თხელ, მკვრივ და მჭიდროდ მიმაგრებულ ოქსიდის ფენას, რომელსაც პასიური ფენა ეწოდება. ეს ფენა აფერხებს ჟანგბადის და წყლის დიფუზიას ლითონის ზედაპირზე, რითაც ამცირებს კოროზიის სიჩქარეს. ალუმინზე Al₂O₃ ფენა ძალიან სტაბილურია. უჟანგავ ფოლადში პასიური ფენა შენარჩუნებულია ქრომით, რაც წარმოქმნის Cr₂O₃-ს.
თუმცა, პასიური ფენა შეიძლება დაზიანდეს გარკვეული პირობებით, როგორიცაა ქლორიდის მაღალი კონცენტრაცია, ჟანგბადის დეფიციტის პირობები ვიწრო ნაპრალებში ან აერაციის განსხვავებები (ჟანგბადის კონცენტრაციის უჯრედები). როდესაც პასიური ფენა მცირე ფართობებზე იშლება, ლოკალიზებული კოროზია შეიძლება ძალიან სწრაფად მოხდეს და საშიში იყოს.
კოროზიის რეაქციებზე მოქმედი ფაქტორები
კოროზიის სიჩქარის განმსაზღვრელი ძირითადი ფაქტორებია:
1. წყლისა და ჟანგბადის ხელმისაწვდომობა: კათოდურ რეაქციაში წყალი ელექტროლიტისა და რეაქციის გარემოს როლს ასრულებს, ხოლო ჟანგბადი დამჟანგველი აგენტის როლს ასრულებს.
2. გარემოს pH: მჟავე გარემო აჩქარებს ლითონის დაშლას. ტუტე გარემო ზოგჯერ ხელს უწყობს გარკვეულ ლითონებზე დამცავი ფენის წარმოქმნას.
3. იონების კონცენტრაცია (განსაკუთრებით Cl⁻): ზრდის გამტარობას და იწვევს ლოკალურ კოროზიას.
4. ტემპერატურა: ზოგადად, ქიმიური რეაქციების სიჩქარე იზრდება ტემპერატურასთან ერთად, ამიტომ კოროზია, როგორც წესი, უფრო სწრაფია მაღალ ტემპერატურაზე.
5. სითხის ნაკადის სიჩქარე: ნაკადმა შეიძლება დააზიანოს დამცავი ფენა და დააჩქაროს ჟანგბადის მიწოდება, რაც იწვევს ეროზია-კოროზიას.
6. მეტალთაშორისი კონტაქტი: პოტენციური სხვაობის არსებობის შემთხვევაში, გალვანური კოროზია იწყება.
დახურვა
კოროზია არსებითად ჟანგვა-აღდგენის რეაქციების სერიაა, რომელიც სპონტანურად ხდება, როდესაც ლითონი ურთიერთქმედებს გარემოსთან. რკინაში პროცესი იწყება Fe-ს დაჟანგვით Fe²⁺-მდე ანოდზე და ჟანგბადის (ან წყალბადის იონების მჟავე პირობებში) აღდგენით კათოდზე. საბოლოო პროდუქტი არის ჰიდრატირებული რკინის ოქსიდი, რომელიც ცნობილია როგორც ჟანგი. წყლის, ჟანგბადის, მარილის და pH პირობების არსებობა მნიშვნელოვნად განსაზღვრავს ამ რეაქციის სიჩქარეს , ისევე როგორც მატერიალური ფაქტორები, როგორიცაა ლითონების შეწყვილება და პასიური ფენის ფორმირების უნარი. კოროზიის პროცესში ჩართული ქიმიური რეაქციების გაგებით, ჩვენ შეგვიძლია შევიმუშაოთ შესაბამისი პრევენციული სტრატეგიები - საფარიდან, ინჰიბიტორის გამოყენებიდან, კათოდური დაცვიდან დაწყებული მასალის შერჩევით დამთავრებული - ისე, რომ კოროზიით გამოწვეული დანაკარგები მნიშვნელოვნად შემცირდეს.
