Хемијске реакције у процесу корозије
Корозија је једна од хемијских појава које су најближе повезане са свакодневним животом, али њен утицај може бити дубок. Од рђања ограда до ослабљених оквира возила и цурења индустријских цеви – све може почети процесом корозије. Једноставно речено, корозија се може схватити као пропадање материјала (посебно метала) услед хемијских или електрохемијских реакција са околином. Иако се често сматра једноставно „рђом“, корозија заправо укључује сложен низ реакција под утицајем воде, кисеоника, соли, киселости и разлика у електричном потенцијалу на површини метала.
Корозија као електрохемијски процес
У већини случајева, корозија метала се јавља путем електрохемијских механизама, што значи да процес укључује проток електрона који настаје услед формирања микроелектрохемијске ћелије на површини метала. Ова ћелија се састоји од два главна дела: анодне области и катодне области. Иако метал делује хомогено, његова површина често садржи несавршености, унутрашња напрезања, разлике у микросаставу или контакт са другим металима због којих део површине делује као анода, а други део као катода.
– На аноди, метал се оксидује (ослобађа електроне).
– На катоди се одвија реакција редукције (прихватање електрона), обично уз учешће јона кисеоника или водоника.
Другим речима, корозија се може посматрати као „мала батерија“ која непрекидно ради на површини метала, све док постоји електролит (нпр. вода) као медијум за провођење јона.
Основне реакције корозије гвожђа: Извори рђе
Гвожђе (Fe) је најчешћи пример у дискусијама о корозији јер лако рђа. Рђа је сложена смеша, првенствено хидратисаних оксида гвожђа (нпр. Fe₂O₃·nH₂O), али њено формирање се покреће кроз неколико реакционих корака.
1. Анодна реакција: Оксидација гвожђа
На аноди се гвожђе раствара ослобађањем електрона:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Ова реакција узрокује стварање Fe²⁺ јона, што доводи до губитка масе метала на анодној тачки. Ово је почетак процеса „корозије“ у металу.
2. Катодна реакција: Редукција кисеоника
У неутралним или алкалним срединама (као што је обична вода), најчешћа катодна реакција је редукција раствореног кисеоника:
О₂(г) + 2Х2О(л) + 4е⁻ → 4ОХ⁻(ак)
Електрони ослобођени са аноде теку ка катодном подручју и користе се за редукцију кисеоника. Присуство воде и кисеоника су два кључна фактора.
3. Формирање интермедијерних једињења: Fe(OH)₂
Fe²⁺ јони формирани на аноди реаговаће са OH⁻ јонима из катодне реакције и формираће талог:
Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)
Ови наслаге још увек нису коначна рђа, већ су „рани производи корозије“ који се могу даље мењати.
4. Даља оксидација до Fe(OH)₃ и хидратисаног гвожђе оксида
Fe(OH)₂ може се оксидовати кисеоником до Fe(OH)₃:
4Фе(ОХ)₂(с) + О₂(г) + 2Х₂О(л) → 4Фе(ОХ)₃(с)
Затим Fe(OH)₃ подлеже делимичној дехидрацији и структурној реорганизацији у хидратисани гвожђе оксид који познајемо као рђа:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (вода)
Производи од рђе су порозни и не пријањају чврсто, тако да не штите доње металне слојеве. Због тога, корозија гвожђа има тенденцију да се настави и погорша.
Утицај електролита и јона соли
Корозија ће бити много бржа у присуству доброг електролита, као што је морска вода или вода која садржи со. Хлоридни јони (Cl⁻) су један од најопаснијих акцелератора корозије. Со повећава проводљивост раствора, повећавајући електрохемијску струју на површини метала. Штавише, хлорид може оштетити пасивни слој на одређеним металима и изазвати локализовану корозију као што су пукотинска корозија и тачкаста корозија.
У гвожђу, окружење које садржи Cl⁻ такође може подстаћи стварање нестабилнијих продуката корозије и убрзати формирање малих, дубоких анодних тачака, што резултира корозионим јамама које је тешко открити споља.
Корозија у киселим срединама: Редукција водоничних јона
У киселој средини, катодна реакција се може променити. Ако је концентрација H⁺ висока, доминантна реакција редукције је стварање водоника:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Док анодна реакција остаје растварање метала:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Ова комбинација убрзава брзину растварања гвожђа у киселини. Као резултат тога, метал може еродирати без присуства великих количина раствореног кисеоника. Због тога су цеви или резервоари изложени киселим течностима изложени већем ризику од брзе корозије ако нису премазани или им се pH вредност не контролише.
Галванска корозија: Када се два метала сретну
На корозију не утиче само околина већ и метали који су у контакту. Када се два различита метала електрично повежу у електролиту, формира се галванска ћелија. Активнији (лакше оксидирајући) метал делује као анода и брже кородира, док племенитији метал делује као катода и релативно је заштићен.
На пример, ако гвожђе дође у контакт са бакром у влажним условима, гвожђе има тенденцију да делује као анода и брже рђа. То је због разлике у стандардном потенцијалу електрода између два метала, што одређује смер тока електрона.
Пасивни слојеви и корозија на другим металима
Не кородирају сви метали као гвожђе. Алуминијум и нерђајући челик, на пример, имају тенденцију да формирају танак, густ и чврсто пријањајући оксидни слој који се назива пасивни слој. Овај слој инхибира дифузију кисеоника и воде до површине метала, чиме се смањује брзина корозије. На алуминијуму, слој Al₂O₃ је веома стабилан. Код нерђајућег челика, пасивни слој је подржан хромом, формирајући Cr₂O₃.
Међутим, пасивни слој може бити оштећен одређеним условима, као што су високе концентрације хлорида, услови са недостатком кисеоника у уским процепима или разлике у аерацији (ћелије концентрације кисеоника). Када је пасивни слој оштећен на малим површинама, локализована корозија може настати веома брзо и опасно.
Фактори који утичу на реакције корозије
Неки од главних фактора који одређују брзину корозије укључују:
1. Доступност воде и кисеоника: Вода делује као електролит и реакциони медијум, док кисеоник делује као оксидационо средство у катодној реакцији.
2. pH вредност околине: Киселе средине убрзавају растварање метала. Алкалне средине понекад помажу у стварању заштитног слоја на одређеним металима.
3. Концентрација јона (посебно Cl⁻): Повећава проводљивост и изазива локалну корозију.
4. Температура: Генерално, брзина хемијских реакција расте са температуром, тако да корозија има тенденцију да буде бржа на високим температурама.
5. Брзина протока флуида: Проток може еродирати заштитни слој и убрзати снабдевање кисеоником, узрокујући ерозију-корозију.
6. Интерметални контакт: Покреће галванску корозију ако постоји потенцијална разлика.
Пенутуп
Корозија је у суштини низ оксидационо-редукционих реакција које се спонтано јављају када метал интерагује са својом околином. Код гвожђа, процес почиње оксидацијом Fe до Fe²⁺ на аноди и редукцијом кисеоника (или јона водоника у киселим условима) на катоди. Крајњи производ је хидратисани оксид гвожђа, познат као рђа. Присуство воде, кисеоника, соли и pH услова значајно одређују брзину ове реакције, као и фактори материјала као што су упаривање метала и способност формирања пасивног слоја. Разумевањем хемијских реакција укључених у процес корозије, можемо осмислити одговарајуће стратегије превенције - од премаза, употребе инхибитора, катодне заштите, до избора материјала - тако да се губици услед корозије могу значајно смањити.
