Коррозия процесіндегі химиялық реакциялар
Коррозия - күнделікті өмірмен тығыз байланысты химиялық құбылыстардың бірі, бірақ оның әсері өте терең болуы мүмкін. Тот басқан қоршаулардан бастап, әлсіреген көлік рамаларына және өнеркәсіптік құбырлардың ағып кетуіне дейін - бәрі коррозия процесінен басталуы мүмкін. Қарапайым тілмен айтқанда, коррозияны қоршаған ортамен химиялық немесе электрохимиялық реакцияларға байланысты материалдардың (әсіресе металдардың) тозуы деп түсінуге болады. Көбінесе жай ғана «тот» деп ойлағанымен, коррозия шын мәнінде металл бетіндегі су, оттегі, тұз, қышқылдық және электрлік потенциалдар айырмашылықтарының әсерінен болатын күрделі реакциялар тізбегін қамтиды.
Коррозия электрохимиялық процесс ретінде
Көп жағдайда металл коррозиясы электрохимиялық механизмдер арқылы жүреді, яғни бұл процесс металл бетінде микроэлектрохимиялық ұяшықтың пайда болуынан пайда болатын электрондар ағынын қамтиды. Бұл ұяшық екі негізгі бөліктен тұрады: анод аймағы және катод аймағы. Металл біртекті болып көрінгенімен, оның бетінде көбінесе кемшіліктер, ішкі кернеулер, микроқұрамдағы айырмашылықтар немесе беттің бір бөлігі анод, ал екінші бөлігі катод ретінде әрекет ететін басқа металдармен жанасу болады.
– Анодта металл тотығуға ұшырайды (электрондарды бөліп шығарады).
– Катодта тотықсыздану реакциясы (электрондарды қабылдау) жүреді, әдетте оттегі немесе сутегі иондары қатысады.
Басқаша айтқанда, коррозияны металл бетінде үздіксіз жұмыс істейтін «кішкентай батарея» ретінде қарастыруға болады, егер иондарды өткізу үшін орта ретінде электролит (мысалы, су) болса.
Темір коррозиясының негізгі реакциялары: тот басудың көздері
Темір (Fe) коррозияны талқылауда ең көп таралған мысал болып табылады, себебі ол оңай тот басады. Тот - күрделі қоспа, негізінен гидратталған темір оксидтерінен (мысалы, Fe₂O₃·nH₂O) тұрады, бірақ оның түзілуі бірнеше реакция сатысынан басталады.
1. Анодтық реакция: темірдің тотығуы
Анодта темір электрондарды босату арқылы ериді:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Бұл реакция Fe²⁺ иондарының түзілуіне әкеледі, бұл металдың анодтық нүктеде массасын жоғалтуына әкеледі. Бұл металдағы «коррозия» процесінің бастамасы.
2. Катодтық реакция: оттегінің тотықсыздануы
Бейтарап немесе сілтілі ортада (мысалы, қарапайым суда) ең көп таралған катодтық реакция еріген оттегінің тотықсыздануы болып табылады:
O₂(г) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(ақ)
Анодтан бөлініп шыққан электрондар катод аймағына ағып, оттегіні тотықсыздандыру үшін қолданылады. Су мен оттегінің болуы екі негізгі фактор болып табылады.
3. Аралық қосылыстың түзілуі: Fe(OH)₂
Анодта түзілген Fe²⁺ иондары катодтық реакциядан OH⁻ иондарымен әрекеттесіп, тұнба түзеді:
Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)
Бұл шөгінділер әлі соңғы тот емес, бірақ одан әрі өзгеруі мүмкін «ерте коррозия өнімдері».
4. Fe(OH)₃ және гидратталған темір оксидіне дейін одан әрі тотығу
Fe(OH)₂ оттегімен Fe(OH)₃ дейін тотығуға болады:
4Fe(OH)₂(лар) + O₂(г) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(лар)
Содан кейін Fe(OH)₃ ішінара дегидратациядан және тот деп аталатын гидратталған темір оксидіне құрылымдық қайта құрылудан өтеді:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (су)
Тот басқан өнімдер кеуекті және мықтап жабыспайды, сондықтан олар астыңғы металл қабаттарын қорғамайды. Сондықтан, темірдің коррозиясы жалғасып, нашарлайды.
Электролиттер мен тұз иондарының әсері
Коррозия теңіз суы немесе тұзы бар су сияқты жақсы электролит болған кезде әлдеқайда жылдам жүреді. Хлорид иондары (Cl⁻) ең қауіпті коррозия үдеткіштерінің бірі болып табылады. Тұз ерітіндінің өткізгіштігін арттырады, металл бетіндегі электрохимиялық токты арттырады. Сонымен қатар, хлорид белгілі бір металдардағы пассивті қабатты зақымдауы және саңылау коррозиясы және шұңқыр коррозиясы сияқты жергілікті коррозияны тудыруы мүмкін.
Темірде Cl⁻ бар орта тұрақсыз коррозия өнімдерінің пайда болуын ынталандырып, кішігірім, терең анод дақтарының пайда болуын жеделдетеді, нәтижесінде сырттан анықтау қиын коррозия шұңқырлары пайда болады.
Қышқыл ортадағы коррозия: сутегі иондарының тотықсыздануы
Қышқыл ортада катодтық реакция өзгеруі мүмкін. Егер H⁺ концентрациясы жоғары болса, басым тотықсыздану реакциясы сутегі газының түзілуі болып табылады:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Анодтық реакция металдың еруі болып қала береді:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Бұл комбинация темірдің қышқылда еру жылдамдығын арттырады. Нәтижесінде, металл көп мөлшерде еріген оттегінің қатысуынсыз эрозияға ұшырауы мүмкін. Сондықтан қышқыл сұйықтықтарға ұшыраған құбырлар немесе резервуарлар қапталмаған немесе рН бақыланбаған жағдайда тез коррозияға ұшырау қаупі жоғары.
Гальваникалық коррозия: екі металл кездескенде
Коррозияға тек қоршаған орта ғана емес, сонымен қатар жанасатын металдар да әсер етеді. Электролитте екі түрлі металл электрлік байланысқан кезде гальваникалық элемент пайда болады. Белсенділігі жоғары (оңай тотығатын) металл анод қызметін атқарады және тезірек коррозияға ұшырайды, ал асыл металл катод қызметін атқарады және салыстырмалы түрде қорғалған.
Мысалы, егер темір ылғалды жағдайда мыспен жанасса, темір анод ретінде әрекет етеді және тезірек тот басады. Бұл электрон ағынының бағытын анықтайтын екі металдың стандартты электродтық потенциалының айырмашылығына байланысты.
Пассивті қабаттар және басқа металдардағы коррозия
Барлық металдар темір сияқты коррозияға ұшырамайды. Мысалы, алюминий мен тот баспайтын болат пассивті қабат деп аталатын жұқа, тығыз және тығыз жабысатын оксид қабатын түзуге бейім. Бұл қабат оттегі мен судың металл бетіне диффузиясын тежейді, осылайша коррозия жылдамдығын төмендетеді. Алюминийде Al₂O₃ қабаты өте тұрақты. Тот баспайтын болатта пассивті қабат хроммен бекітіліп, Cr₂O₃ түзеді.
Дегенмен, пассивті қабат белгілі бір жағдайларда, мысалы, хлоридтің жоғары концентрациясы, тар саңылаулардағы оттегінің жетіспеушілігі немесе аэрациядағы айырмашылықтар (оттегі концентрациясы жасушалары) сияқты жағдайларда зақымдалуы мүмкін. Пассивті қабат шағын жерлерде бұзылған кезде, жергілікті коррозия өте тез пайда болуы және қауіпті болуы мүмкін.
Коррозия реакцияларына әсер ететін факторлар
Коррозия жылдамдығын анықтайтын негізгі факторлардың кейбіріне мыналар жатады:
1. Су мен оттегінің болуы: Су электролит және реакция ортасы ретінде, ал оттегі катодтық реакцияда тотықтырғыш ретінде әрекет етеді.
2. Қоршаған ортаның рН мәні: Қышқыл орта металдардың еруін тездетеді. Сілтілік орта кейде белгілі бір металдарда қорғаныш қабатының түзілуіне көмектеседі.
3. Ион концентрациясы (әсіресе Cl⁻): өткізгіштікті арттырады және жергілікті коррозияны тудырады.
4. Температура: Әдетте, химиялық реакциялардың жылдамдығы температурамен бірге артады, сондықтан коррозия жоғары температурада жылдамырақ жүреді.
5. Сұйықтық ағынының жылдамдығы: Ағын қорғаныш қабатын эрозияға ұшыратып, оттегінің берілуін жеделдетіп, эрозия-коррозияны тудыруы мүмкін.
6. Металларалық байланыс: Потенциалдар айырмашылығы болған жағдайда гальваникалық коррозияны іске қосады.
Жабу
Коррозия - бұл металл қоршаған ортамен әрекеттескенде өздігінен жүретін тотығу-тотықсыздану реакцияларының сериясы. Темірде процесс анодта Fe-нің Fe²⁺-ға дейін тотығуынан және катодта оттегінің (немесе қышқылдық жағдайда сутегі иондарының) тотықсыздануынан басталады. Соңғы өнім - тот деп аталатын гидратталған темір оксиді. Судың, оттегінің, тұздың және рН жағдайларының болуы бұл реакцияның жылдамдығын айтарлықтай анықтайды, сондай-ақ металл жұптасуы және пассивті қабат түзу қабілеті сияқты материалдық факторлар да маңызды рөл атқарады. Коррозия процесіне қатысатын химиялық реакцияларды түсіну арқылы біз коррозиядан болатын шығындарды айтарлықтай азайту үшін жабындардан, ингибиторларды қолданудан, катодтық қорғаныстан бастап материалды таңдауға дейін тиісті алдын алу стратегияларын жасай аламыз.
