Acasă › Inchiriere apartament › Proprietățile chimice ale metalelor, coroziunea metalelor. „Proprietăți generale ale metalelor. Metalele. semiconductori. dielectrice. teoria benzilor

Proprietățile chimice ale metalelor, coroziunea metalelor. „Proprietăți generale ale metalelor. Metalele. semiconductori. dielectrice. teoria benzilor

Proprietățile chimice includ capacitatea metalelor de a rezista la oxidare sau de a intra în compuși cu diverse substanțe: oxigen atmosferic, umiditate (metale, atunci când sunt combinate cu oxigen și apă, formează baze (alcalii)), dioxid de carbon etc. Cu cât un metal se combină mai bine cu alte elemente, cu atât se descompune mai ușor. Se numește distrugerea chimică a metalelor sub influența mediului la temperaturi obișnuite coroziunea metalelor .

Proprietățile chimice ale metalelor includ capacitatea de a forma calcar atunci când sunt încălzite într-o atmosferă oxidantă, precum și de a se dizolva în diferite lichide chimic active: acizi, alcali etc. Metalele care sunt rezistente la oxidare atunci când sunt expuse la căldură mare sunt numite rezistent la căldură (rezistent la scară).

Se numește capacitatea metalelor de a-și menține structura la temperaturi ridicate și de a nu se înmoaie sau deforma sub sarcină rezistenta la caldura.

Rezistența metalelor la coroziune, formarea calcarului și dizolvare este determinată de modificarea greutății probelor de testat pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp.

Coroziunea metalelor . Cuvântul „coroziune” (în latină, „coroziune”) este de obicei folosit pentru a desemna fenomene binecunoscute constând în ruginirea fierului, acoperirea cuprului cu un strat verde de oxid și modificări similare ale metalelor.

Ca urmare a coroziunii, metalele sunt parțial sau complet distruse, calitatea produselor se deteriorează și pot deveni nepotrivite pentru utilizare.

Majoritatea metalelor se găsesc în natură sub formă de compuși cu alte elemente, de exemplu, fier - sub formă de Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, FeCO 3, cupru - sub formă de CuFeS 2, Cu 2 S, aluminiu - sub formă de Al 2 O 3 etc. Ca urmare a proceselor metalurgice, conexiunea stabilă a metalelor cu substanțele, care a existat în stare naturală, este perturbată, dar este restabilită în condiții de combinare a metalelor cu oxigenul și alte elemente. Aceasta este cauza coroziunii.

Dezvoltarea teoriei coroziunii este meritul oamenilor de știință ruși V.A.Kistyakovsky, G.V.Akimov, N.A.Izgaryshev și alții. Potrivit cercetătorilor fenomenelor de coroziune, există două tipuri de coroziune: coroziunea electrochimică și coroziunea chimică.

Coroziunea electrochimică (Fig. 13.) este procesul de distrugere a metalelor în contact cu lichide care conduc curentul electric (electroliții), adică. cu acizi, alcaline, soluții de săruri în apă, apă cu aer dizolvat în ea. Fenomenele care apar aici sunt similare cu cele care pot fi observate într-o celulă galvanică. În oțel, de exemplu, elementul galvanic formează carbură de fier și ferită. În electroliți, carbura rămâne neschimbată, dar ferita se dizolvă și produce rugina cu substanța electrolitică - un produs de coroziune.

Comportarea diferitelor metale în electroliți poate fi judecată după locul lor în seria de tensiuni: potasiu, calciu, magneziu, aluminiu, mangan, zinc, crom, fier, cadmiu, cobalt, nichel, staniu, plumb, hidrogen, antimoniu, bismut, cupru, mercur, argint, aur.

În seria dată, metalele sunt aranjate în funcție de valoarea potențialului electric normal (adică, obținut prin scufundarea metalului într-o soluție normală de sare) în raport cu hidrogenul. Fiecare metal din acest rând, împerecheat cu altul în electroliți, formează o celulă galvanică, iar metalul care se află în stânga în rând va fi distrus. Astfel, într-o pereche cupru-zinc, zincul este distrus. Seria de tensiuni are o importanță practică foarte mare: indică pericolul punerii în contact direct a unor metale diferite, deoarece aceasta creează condiții pentru formarea unui element galvanic și distrugerea unuia dintre metalele situate la stânga în seria de tensiuni.

Fig. 13. Diagrama care ilustrează procesul de coroziune electrochimică. La un pol, metalul de bază se dizolvă (se corodează), iar la celălalt, se eliberează hidrogen. Coroziunea chimică

se numește distrugerea metalelor și aliajelor în gaze uscate la temperaturi ridicate și în lichide care nu au proprietățile electroliților, de exemplu, ulei, benzină, săruri topite etc. În timpul coroziunii chimice sub influența oxigenului atmosferic, metalele sunt acoperite cu un strat subțire de oxizi. Cu coroziunea chimică, metalul nu este întotdeauna supus doar distrugerii de suprafață, dar coroziunea pătrunde și în adâncurile metalului, formând buzunare sau situate de-a lungul limitelor de cereale. (exemplu: articolele de argint se întunecă în timp, deoarece aerul conține compuși gazoși de sulf care reacționează chimic cu argintul. Sulfura de argint rezultată rămâne pe suprafața articolelor sub forma unei pelicule maronii sau negre.)

Măsuri de combatere a coroziunii metalelor. – Aceasta este aplicarea unui strat subțire de alt metal pe metal care are o mare rezistență la coroziune. Acoperirile metalice sunt aplicate în următoarele moduri: fierbinte, galvanică, difuzie, metalizare etc.

Cu metoda la cald produsul este scufundat într-o baie de metal topit: zinc (zincare), staniu (cositor), plumb (placare cu plumb).

Metoda galvanică constă în faptul că pe suprafața produsului se aplică un strat subțire (de la 0,005 la 0,03 mm) de metal prin electroliza unei soluții de săruri de zinc, staniu, nichel, crom etc.

Metoda de difuzie consta in absorbtia de catre suprafata metalului a unui metal protector care patrunde in acesta la temperaturi ridicate.

Metalizarea(pulverizare) - aplicarea unui strat subțire de metal topit pe un produs cu un pistol special - un metalizator electric.

placare - acoperirea foilor metalice în timpul procesului de laminare cu un strat subțire de alt metal care este mai rezistent la coroziune.

Acoperiri chimice(oxidare sau fosfatare) constau în crearea artificială a unor pelicule dense de oxid pe suprafața metalului, foarte rezistente la coroziune, urmate de acoperirea cu uleiuri sau vopsele.

Colorare(acoperirea cu vopsele, lacuri și emailuri) este cea mai simplă și mai comună modalitate de a proteja produsele împotriva coroziunii.

Lubrifiere protejează produsele metalice de coroziune. Ungerea cu ulei este utilizată pe scară largă pentru a proteja părțile rotative și mobile ale mașinilor-unelte și mașinilor împotriva coroziunii.

Protecție electrochimică(Fig. 14.) (protecție catodică). Protecția împotriva coroziunii unui metal folosind un anod-protector „sacrificial” din alt metal (pe baza poziției metalului în seria de tensiune electrochimică a metalelor).

Fig. 14. Metode de protecție catodică împotriva coroziunii: cu un anod „sacrificial” - protector (a); cu un anod auxiliar și o sursă de curent externă (b).

Când metalele interacționează cu substanțele din mediu, pe suprafața lor se formează compuși care au proprietăți complet diferite decât metalele în sine. În viața de zi cu zi, repetăm adesea cuvintele „rugină››,„ruginește”, văzând o acoperire galben-maronie pe produsele din fier și aliajele acestuia.

Rugina este un caz special de coroziune.

Coroziunea este procesul de distrugere spontană a metalelor sub influența mediului extern.

Cu toate acestea, aproape toate metalele sunt supuse distrugerii, în urma căreia multe dintre proprietățile lor se deteriorează (sau se pierd complet): rezistența, ductilitatea, strălucirea scade, conductivitatea electrică scade și frecarea dintre piesele mobile ale mașinii crește, dimensiunile pieselor. schimbare, etc.

Prin natura sa chimică, coroziunea este un proces de oxidare-reducere. În funcție de mediul în care se produce, se disting două tipuri de coroziune.

Tipuri de coroziune

1. Coroziunea chimică – este distrugerea metalului ca urmare a interacțiunii chimice cu mediul. Este tipic pentru mediile care nu conduc curentul electric. În funcție de condițiile procesului de coroziune, se disting următoarele:

O)coroziunea gazelor – interacțiunea metalului la temperaturi ridicate cu mediile gazoase active O 2, H 2 S, SO 2, halogeni etc.;

3Fe + 2O 2 Fe3O4
4Al + 3O 2 2Al 2 O 3

Majoritatea metalelor sunt oxidate de oxigenul atmosferic, formând pelicule de oxid la suprafață. Dacă acest film este puternic, dens și bine legat de metal, atunci protejează metalul de distrugerea ulterioară. Astfel de filme de protecție apar în Zn, AI, Cr, Ni, Sn, Pb, Nb, Ta etc. În fier, este liber, poros, ușor de separat de suprafață și, prin urmare, nu este capabil să protejeze metalul de distrugerea ulterioară.

b) coroziunea în neelectroliți – lichide organice agresive, cum ar fi uleiul, produsele petroliere etc. Coroziunea chimică este relativ rară, iar viteza acesteia este redusă.

2. Coroziunea electrochimică

- Aceasta este distrugerea metalului sub influența mediului ca urmare a formării cuplurilor galvanice. O varietate de cupluri microgalvanice apar atunci când diferite metale intră în contact în mediul oricărui electrolit, când există impurități în metal, când metalul intră în contact cu o soluție de electrolit cu concentrații diferite în diferite puncte ale soluției sau când metalul are solicitări mecanice neuniforme.

În coroziunea electrochimică, procesul de interacțiune a unui metal cu un oxidant de mediu include două procese interdependente:

a) oxidarea anodică a unui metal mai activ:

Me 0 – n e - Me n +

b) reducerea catodica a oxidantului de mediu:

Într-un mediu acid, ionii H+ se vor reduce pe suprafața catodului și se va elibera hidrogen:

2Н + + 2 e - Н 2

În medii neutre și alcaline, oxigenul molecular va fi redus pe suprafața catodului pentru a forma ioni de hidroxid:

O 2 + 2H 2 O + 4 e - 4OH -

Pe lângă reacțiile anodice și catodice, în timpul coroziunii electrochimice există o mișcare a electronilor în metal din zonele anodice în zonele catodice și mișcarea ionilor în electrolit. Electroliții pot fi soluții de săruri, acizi și baze, apă de mare, apă din sol, apă atmosferică care conține CO 2 , SO 2 , O 2 și alte gaze.

Pentru a proteja metalele împotriva coroziunii sunt utilizate diferite metode:

1) acoperiri de protecție (metalice și nemetalice);

2) protectie electrochimica;

3) alierea metalelor;

4) modificarea proprietăților mediului corosiv.

Pentru a proteja fierul de coroziune, se folosesc tot felul de acoperiri: vopsea, un strat de metal (staniu, zinc). În același timp, vopseaua și tabla protejează împotriva coroziunii atâta timp cât stratul protector este intact. Apariția fisurilor și zgârieturilor în acesta permite pătrunderea umezelii și a aerului la suprafața fierului, iar procesul de coroziune se reia, iar în cazul unei acoperiri cu staniu chiar accelerează, deoarece staniul servește ca catod în procesul electrochimic.

Fierul galvanizat se comportă diferit. Deoarece zincul acționează ca un anod, funcția sa de protecție este menținută chiar dacă stratul de zinc este deteriorat. Protecția catodică este utilizată pe scară largă pentru a reduce coroziunea conductelor subterane și submarine și a suporturilor de oțel ale liniilor de transport de înaltă tensiune, platformelor petroliere și digurilor.

Navigare

Rezolvarea problemelor combinate pe baza caracteristicilor cantitative ale unei substanțe
Rezolvarea problemelor. Legea constanței compoziției substanțelor. Calcule folosind conceptele de „masă molară” și „cantitate chimică” a unei substanțe

Coroziunea chimică este un proces care constă în distrugerea metalului atunci când interacționează cu un mediu extern agresiv. Tipul chimic al proceselor de coroziune nu are nicio legătură cu efectele curentului electric. Cu acest tip de coroziune are loc o reacție oxidativă, în care materialul distrus este în același timp un reducător de elemente de mediu.

Clasificarea tipurilor de medii agresive include două tipuri de distrugere a metalelor:

coroziunea chimică în lichide neelectrolitice;
coroziunea gazelor chimice.

Coroziunea gazelor

Cel mai comun tip de coroziune chimică, coroziunea gazoasă, este un proces de coroziune care are loc în gaze la temperaturi ridicate.

Particularitățile stării metalelor la temperaturi ridicate sunt determinate de două dintre proprietățile lor - rezistența la căldură și rezistența la căldură. Rezistența la căldură este gradul de stabilitate a proprietăților mecanice ale unui metal la temperaturi ultra-înalte. Stabilitatea proprietăților mecanice se referă la menținerea rezistenței pe o perioadă lungă de timp și la rezistența la fluaj. Rezistenta la caldura este rezistenta unui metal la activitatea coroziva a gazelor la temperaturi ridicate.

Rata de dezvoltare a coroziunii gazului este determinată de o serie de indicatori, printre care:

temperatura atmosferică;
componente incluse într-un metal sau aliaj;
parametrii mediului în care se află gazele;
durata contactului cu mediul gazos;
proprietățile produselor corozive.

Procesul de coroziune este influențat mai mult de proprietățile și parametrii peliculei de oxid care apare pe suprafața metalului. Formarea oxidului poate fi împărțită cronologic în două etape:

adsorbția moleculelor de oxigen pe o suprafață metalică care interacționează cu atmosfera;
contactul unei suprafețe metalice cu un gaz, rezultând un compus chimic.

Prima etapă se caracterizează prin apariția unei legături ionice, ca o consecință a interacțiunii dintre oxigen și atomii de suprafață, când atomul de oxigen preia o pereche de electroni din metal. Legătura rezultată este excepțional de puternică - este mai mare decât legătura oxigenului cu metalul din oxid.

Explicația acestei conexiuni constă în acțiunea câmpului atomic asupra oxigenului. De îndată ce suprafața metalică este umplută cu un agent oxidant (și acest lucru se întâmplă foarte repede), la temperaturi scăzute, datorită forței van der Waals, începe adsorbția moleculelor oxidante. Rezultatul reacției este apariția unei pelicule monomoleculare subțiri, care devine mai groasă în timp, complicând accesul oxigenului.

În a doua etapă, are loc o reacție chimică, în timpul căreia elementul oxidant al mediului preia electroni de valență din metal. Coroziunea chimică este rezultatul final al unei reacții.

Caracteristicile peliculei de oxid

Clasificarea filmelor de oxid include trei tipuri:

subțire (invizibil fără dispozitive speciale);
mediu (culori pătate);
gros (vizibil cu ochiul liber).

Filmul de oxid rezultat are capacități de protecție - încetinește sau chiar inhibă complet dezvoltarea coroziunii chimice. De asemenea, prezența unei pelicule de oxid crește rezistența la căldură a metalului.

Cu toate acestea, un film cu adevărat eficient trebuie să îndeplinească o serie de caracteristici:

să fie neporoasă;
au o structură continuă;
au proprietăți adezive bune;
diferă în inerție chimică în raport cu atmosfera;
fi dur și rezistent la uzură.

Una dintre condițiile de mai sus - o structură continuă - este deosebit de importantă. Condiția de continuitate este excesul de volum al moleculelor de film de oxid peste volumul atomilor de metal. Continuitatea este capacitatea oxidului de a acoperi întreaga suprafață metalică cu un strat continuu. Dacă această condiție nu este îndeplinită, filmul nu poate fi considerat protector. Cu toate acestea, există excepții de la această regulă: pentru unele metale, de exemplu, magneziu și elemente alcalino-pământoase (cu excepția beriliului), continuitatea nu este un indicator critic.

Se folosesc mai multe tehnici pentru a determina grosimea filmului de oxid. Calitățile protectoare ale peliculei pot fi determinate în momentul formării sale. Pentru a face acest lucru, se studiază viteza de oxidare a metalului și parametrii ratei se modifică în timp.

Pentru oxidul deja format se folosește o altă metodă, care constă în studierea grosimii și a caracteristicilor de protecție ale peliculei. Pentru a face acest lucru, se aplică un reactiv pe suprafață. În continuare, experții înregistrează timpul necesar pentru ca reactivul să pătrundă și, pe baza datelor obținute, trag o concluzie despre grosimea filmului.

Fiţi atenți! Chiar și filmul de oxid complet format continuă să interacționeze cu mediul oxidant și cu metalul.

Viteza de dezvoltare a coroziunii

Intensitatea cu care se dezvoltă coroziunea chimică depinde de regimul de temperatură. La temperaturi ridicate, procesele oxidative se dezvoltă mai rapid. Mai mult, reducerea rolului factorului termodinamic în reacție nu afectează procesul.

Răcirea și încălzirea variabilă sunt de o importanță considerabilă. Din cauza stresului termic, în pelicula de oxid apar fisuri. Prin orificii, elementul oxidant ajunge la suprafata. Ca urmare, se formează un nou strat de peliculă de oxid, iar cel vechi se desprinde.

Un rol important joacă și componentele mediului gazos. Acest factor este individual pentru diferite tipuri de metale și este în concordanță cu fluctuațiile de temperatură. De exemplu, cuprul se corodează rapid dacă intră în contact cu oxigenul, dar este rezistent la acest proces într-un mediu cu oxid de sulf. Pentru nichel, dimpotrivă, oxidul de sulf este distructiv, iar stabilitatea se observă în oxigen, dioxid de carbon și mediu apos. Dar cromul este rezistent la toate mediile de mai sus.

Fiţi atenți! Dacă nivelul presiunii de disociere a oxidului depășește presiunea elementului oxidant, procesul de oxidare se oprește și metalul capătă stabilitate termodinamică.

Viteza reacției de oxidare este, de asemenea, afectată de componentele aliajului. De exemplu, manganul, sulful, nichelul și fosforul nu contribuie în niciun fel la oxidarea fierului. Dar aluminiul, siliciul și cromul fac procesul mai lent. Cobaltul, cuprul, beriliul și titanul încetinesc și mai mult oxidarea fierului. Adăugările de vanadiu, wolfram și molibden vor contribui la intensificarea procesului, ceea ce se explică prin fuzibilitatea și volatilitatea acestor metale. Reacțiile de oxidare apar cel mai lent cu o structură austenitică, deoarece este cel mai adaptată la temperaturi ridicate.

Un alt factor de care depinde viteza de coroziune este caracteristicile suprafeței tratate. O suprafață netedă se oxidează mai lent, iar o suprafață neuniformă se oxidează mai repede.

Coroziunea în lichide neelectrolitice

Mediile lichide neconductoare (adică lichide neelectrolitice) includ substanțe organice precum:

benzen;
cloroform;
alcooli;
tetraclorură de carbon;
fenol;
ulei;
benzină;
kerosen, etc.

În plus, o cantitate mică de lichide anorganice, cum ar fi bromul lichid și sulful topit, sunt considerate lichide non-electrolitice.

Trebuie remarcat faptul că solvenții organici înșiși nu reacționează cu metalele, totuși, în prezența unui volum mic de impurități, are loc un proces intens de interacțiune.

Elementele care conțin sulf din ulei cresc viteza de coroziune. De asemenea, temperaturile ridicate și prezența oxigenului în lichid intensifică procesele de coroziune. Umiditatea intensifică dezvoltarea coroziunii în conformitate cu principiul electromecanic.

Un alt factor în dezvoltarea rapidă a coroziunii este bromul lichid. La temperaturi normale, este deosebit de distructiv pentru oțelurile cu conținut ridicat de carbon, aluminiu și titan. Efectul bromului asupra fierului și nichelului este mai puțin semnificativ. Plumbul, argintul, tantalul și platina prezintă cea mai mare rezistență la bromul lichid.

Sulful topit reacționează agresiv cu aproape toate metalele, în primul rând cu plumbul, staniul și cuprul. Sulful are un efect mai mic asupra oțelurilor carbon și a titanului și distruge aproape complet aluminiul.

Măsurile de protecție pentru structurile metalice situate în medii lichide neconductoare electric se realizează prin adăugarea de metale rezistente la un anumit mediu (de exemplu, oțeluri cu conținut ridicat de crom).

De asemenea, se folosesc acoperiri speciale de protecție (de exemplu, în mediile în care există mult sulf, se folosesc acoperiri de aluminiu).

Metode de protecție împotriva coroziunii

Metodele de control al coroziunii includ:

Alegerea unui anumit material depinde de potențiala eficiență (inclusiv tehnologică și financiară) a utilizării acestuia.

Principiile moderne de protecție a metalelor se bazează pe următoarele tehnici:
Îmbunătățirea rezistenței chimice a materialelor. Materialele rezistente chimic (materiale plastice cu conținut ridicat de polimeri, sticlă, ceramică) s-au dovedit cu succes.
Izolarea materialului de mediul agresiv.
Reducerea agresivității mediului tehnologic. Exemple de astfel de acțiuni includ neutralizarea și îndepărtarea acidității în medii corozive, precum și utilizarea diverșilor inhibitori.

Protecție electrochimică (aplicație de curent extern).

Metodele de mai sus sunt împărțite în două grupuri:
Îmbunătățirea rezistenței chimice și izolarea sunt aplicate înainte ca structura de oțel să fie pusă în funcțiune.

Reducerea agresivității mediului și protecția electrochimică sunt utilizate deja în procesul de utilizare a produselor metalice. Utilizarea acestor două tehnici face posibilă introducerea unor noi metode de protecție, în urma cărora protecția este asigurată prin schimbarea condițiilor de funcționare.

Una dintre cele mai utilizate metode de protecție a metalelor - acoperirea galvanică anticoroziune - nu este rentabilă din punct de vedere economic pentru suprafețe mari.

Motivul este costurile ridicate ale procesului pregătitor.
Locul de frunte între metodele de protecție este ocupat de acoperirea metalelor cu vopsele și lacuri. Popularitatea acestei metode de combatere a coroziunii se datorează unei combinații a mai multor factori:
proprietăți de protecție ridicate (hidrofobicitate, respingere a lichidelor, permeabilitate scăzută la gaz și vapori);
fabricabilitatea;
oportunități ample pentru soluții decorative;

mentenabilitatea;

justificare economică.
În același timp, utilizarea materialelor disponibile pe scară largă nu este lipsită de dezavantaje:
umezirea incompletă a suprafeței metalice;

Și totuși, suprafața vopsită protejează metalul de procesele corozive chiar și cu deteriorarea fragmentară a filmului, în timp ce acoperirile galvanice imperfecte pot chiar accelera coroziunea.

Acoperiri organosilicate

Coroziunea chimică practic nu se aplică materialelor organosilicate. Motivele pentru aceasta constă în stabilitatea chimică crescută a unor astfel de compoziții, rezistența lor la lumină, proprietățile hidrofobe și absorbția scăzută a apei. Organosilicații sunt, de asemenea, rezistenți la temperaturi scăzute, au proprietăți adezive bune și rezistență la uzură.

Problemele distrugerii metalelor din cauza coroziunii nu dispar, în ciuda dezvoltării tehnologiilor de combatere a acestora. Motivul este creșterea constantă a volumelor de producție de metal și condițiile de funcționare din ce în ce mai dificile pentru produsele realizate din acestea. Este imposibil să rezolvi complet problema în această etapă, așa că eforturile oamenilor de știință sunt concentrate pe găsirea unor modalități de a încetini procesele de coroziune.

Coroziunea se numește de obicei distrugerea spontană a metalelor ca urmare a interacțiunii lor chimice și electrochimice cu mediul extern și a transformării lor în compuși stabili (oxizi, hidroxizi, săruri).

Strict vorbind, coroziunea este un set de procese redox care apar atunci când metalele intră în contact cu un mediu agresiv, ceea ce duce la distrugerea produselor metalice. Prin mediu agresiv înțelegem o atmosferă de oxid (prezența oxigenului în atmosfera Pământului o face oxid), în special în prezența apei sau a soluțiilor de electroliți.

Pe baza mecanismului procesului, se face o distincție între coroziunea chimică și electrochimică a metalelor. Coroziunea chimică este o reacție chimică comună între atomii de metal și diferiți agenți oxidanți. Exemple de coroziune chimică sunt oxidarea la temperatură înaltă a metalelor cu oxigen, oxidarea suprafeței aluminiului în aer, interacțiunea metalelor cu clorul, sulful, hidrogenul sulfurat. H2S etc.

Coroziunea electrochimică apare în soluții, adică în principal atunci când metalele intră în contact cu soluțiile de electroliți, mai ales în cazurile în care metalele sunt în contact cu metale mai puțin active. Viteza de coroziune depinde în mod semnificativ de activitatea metalelor, precum și de concentrația și natura impurităților din apă. În apa pură, metalele aproape că nu se corodează, iar în contact cu metale mai active, chiar și în soluții de electroliți, nu se corodează.

Cauza coroziunii metalelor

Multe metale, inclusiv fierul, se găsesc în scoarța terestră sub formă de oxizi. Trecerea de la metal la oxid este un proces favorabil energetic, cu alte cuvinte, oxizii sunt compuși mai stabili decât metalele. Pentru a inversa procesul și a extrage metalul din minereu, este necesar să cheltuiți multă energie, astfel încât fierul tinde să se transforme înapoi în oxid - după cum se spune, fierul ruginește. Ruginirea este termenul pentru coroziune, care este procesul de oxidare a metalelor sub influența mediului.

Ciclul metalelor din natură poate fi descris folosind următoarea diagramă:

Produsele metalice ruginesc deoarece oțelul din care sunt fabricate reacționează cu oxigenul și apa conținute în atmosferă. În timpul coroziunii fierului sau oțelului, se formează forme hidratate de ferum(III) oxid de diferite compoziții(Fe 2 O 3 ∙ xH20). Oxidul este permeabil la aer și apă și nu formează un strat protector pe suprafața metalului. Prin urmare, coroziunea metalului continuă sub stratul de rugină care s-a format.

Când metalele intră în contact cu aerul umed, ele sunt întotdeauna supuse coroziunii, dar mulți factori influențează rata de ruginire. Printre acestea se numără următoarele: prezența impurităților în metal; prezența acizilor sau a altor electroliți în soluțiile care vin în contact cu suprafața fierului; oxigenul continut in aceste solutii.

Mecanismul coroziunii electrochimice a unei suprafețe metalice

În cele mai multe cazuri, coroziunea este un proces electrochimic. Pe suprafața metalului se formează celule electrochimice, în care diferite zone acționează ca zone de oxidare și zone de reducere.

Mai jos sunt două reacții ale procesului de ruginire redox:

Ecuația generală pentru reacția de coroziune a fierului poate fi scrisă după cum urmează:

Schematic, procesele care au loc pe suprafața fierului sau a oțelului la contactul cu apa pot fi reprezentate după cum urmează:

Concentrația de oxigen dizolvat într-o picătură de apă determină care zone de pe suprafața metalului sunt locul reducerii și care sunt locul oxidării.

La marginile picăturii, unde concentrația de oxigen dizolvat este mai mare, oxigenul este redus la ioni de hidroxid.

Electronii necesari pentru a reduce oxigenul se deplasează din centrul picăturii, unde sunt eliberați în timpul oxidării fierului și unde concentrația de oxigen dizolvat este scăzută. Ionii de fier intră în soluție. Electronii eliberați se deplasează de-a lungul suprafeței metalice până la marginile picăturii.

Cele de mai sus explică de ce coroziunea este cea mai gravă în centrul unei picături de apă sau sub un strat de vopsea: acestea sunt zone în care aportul de oxigen este limitat. Aici se formează așa-numitele „cochilii”, în care fierul intră în soluție.

Rugina ca atare apare ca urmare a unei secvențe de procese secundare într-o soluție în care ionii de fier și ionii de hidroxid difuzează de pe suprafața metalului. La suprafață nu se formează un strat protector.

Activitatea reacției de reducere a oxigenului depinde de aciditatea mediului, astfel încât coroziunea se accelerează într-un mediu acid. Orice impurități de sare, cum ar fi clorura de sodiu din pulverizarea apei de mare, contribuie la formarea ruginii deoarece cresc conductivitatea electrică a apei.

Problema coroziunii s-ar putea să nu fie niciodată complet rezolvată, iar cel mai bun lucru la care se poate spera este să o încetinești, nu să o oprești.

Metode de protecție împotriva coroziunii

Astăzi există mai multe modalități de a preveni coroziunea.

Separarea metalului dintr-un mediu agresiv - vopsire, lubrifiere cu uleiuri, acoperire cu metale inactive sau email (I), Aducerea suprafeței metalelor în contact cu metale mai active (II). Utilizarea inhibitorilor de coroziune (inhibitori de coroziune) și aliajelor rezistente la coroziune (III).

I. Cel mai simplu mod de a proteja oțelul de coroziune este izolarea metalului de aerul atmosferic. Acest lucru se poate face folosind ulei, grăsime sau aplicarea unui strat protector de vopsea.

Acoperirile de protecție realizate din polimeri organici sunt acum utilizate pe scară largă. Acoperirea poate fi realizată în diferite culori și este o soluție destul de flexibilă la problema coroziunii. Chiar și o privire rapidă asupra lucrurilor care ne înconjoară în viața de zi cu zi oferă o mulțime de exemple ale unei astfel de soluții: un frigider, un uscător de vase, o tavă, o bicicletă etc.

II. Uneori, fierul este acoperit cu un strat subțire de alt metal. Unii producători fac caroserii auto din oțel zincat galvanizat. Cu acest tratament, se formează un strat de oxid de zinc ferm lipit de bază, iar dacă stratul galvanic nu este deteriorat, protejează bine de serviceberry.

Chiar dacă o astfel de acoperire are defecte, corpul de oțel al mașinii este încă protejat de distrugerea rapidă, deoarece în acest sistem zincul corodează de preferință mai degrabă decât fierul, deoarece zincul este un metal mai reactiv decât fierul. În acest caz, zincul este sacrificat. Una dintre cele mai timpurii propuneri de utilizare a metalelor de sacrificiu („sacrificiale”) a fost făcută în 1824 pentru a proteja placarea metalică a carenelor bărcilor maritime de coroziune.

Astăzi, blocurile de zinc sunt folosite pentru a proteja platformele petroliere offshore de coroziune: coroziunea de la structurile scumpe și complexe din oțel este transferată în bucăți de metal care sunt ușor de înlocuit. Care este principiul unei astfel de protecție? Să o ilustrăm folosind o diagramă.

La anumite intervale de-a lungul întregului suport care se află în mare, sunt atașate blocuri de zinc. Deoarece zincul este mai activ decât fierul (situat la stânga în seria tensiunii electrochimice), zincul este predominant oxidat, iar suprafața fierului rămâne predominant neatinsă. În principiu, orice metal situat în stânga fierului din seria de tensiune electrochimică poate fi folosit pentru a proteja produsele din oțel.

Un principiu similar este folosit pentru a proteja structurile din beton armat ale clădirilor rezidențiale, în care toate tijele de fier sunt legate între ele și conectate la o bucată de magneziu îngropată în pământ.

III. O soluție foarte comună la problema protecției împotriva coroziunii este utilizarea aliajelor rezistente la coroziune. Multe produse din oțel folosite în viața de zi cu zi, în special cele care sunt în contact permanent cu apa: ustensile de bucătărie, linguri, furculițe, cuțite, cuve de mașină de spălat, etc. - din otel inoxidabil, care nu necesita protectie suplimentara.

Oțelul dur a fost inventat în 1913 de chimistul Sheffield Harry Brearley. A investigat uzura rapidă a țintei țevilor de arme și a decis să încerce oțel cu un conținut ridicat de crom pentru a vedea dacă este posibil să prelungească durata de viață a armei în acest fel.

De obicei, la analiza oțelului, proba a fost dizolvată în acid. Brearley, efectuând o astfel de analiză, a întâmpinat dificultăți neașteptate. Oțelul său, cu conținutul său ridicat de crom, nu s-a dizolvat. De asemenea, a observat că mostrele rămase în laborator și-au păstrat strălucirea inițială. Brearley și-a dat seama imediat că a inventat un oțel care era rezistent la coroziune.

Invenția lui Harry Briarley a întâmpinat unele prejudecăți. Unul dintre cei mai importanți producători de ustensile metalice din Sheffield a considerat ideea lui Briarley ca fiind „contrară naturii”, în timp ce altul a spus că „rezistența la coroziune nu este un avantaj atât de mare al cuțitelor, care, pentru scopul lor, necesită curățare după fiecare utilizare”. Astăzi considerăm de la sine înțeles că vasele de gătit își păstrează strălucirea și nu sunt afectate de acizii din alimente.

Inoxidabil oțelul nu se corodează deoarece pe suprafața sa se formează o peliculă de oxid de crom (III). Spre deosebire de rugina, acest oxid nu este afectat de apă și aderă strâns la suprafața metalică. Cu o grosime de doar câțiva nanometri, pelicula de oxid este invizibilă cu ochiul liber și nu ascunde strălucirea naturală a metalului. În același timp, este impenetrabil la aer și apă și protejează metalul. În plus, dacă răzuiești pelicula de suprafață, aceasta se va recupera rapid.

Din păcate, oțelul inoxidabil este scump și trebuie să ținem cont de acest lucru atunci când alegem ce oțel să folosim. În tehnologia modernă, oțelul foarte rezistent este cel mai des folosit cu următoarea compoziție: 74% fier, 18% crom, 8% nichel.

Deoarece utilizarea oțelului inoxidabil nu este întotdeauna justificată din punct de vedere economic, la fel ca și utilizarea straturilor protectoare de lubrifianți și vopsele, astăzi destul de des folosesc un strat subțire de zinc (fier galvanizat) sau cositor (fier cositor) pentru a acoperi produsele din fier. Acesta din urmă este foarte des folosit la fabricarea conservelor.

Metoda de protejare a conservelor prin acoperirea suprafeței interioare de metal cu cositor a fost propusă de englezul Peter Durand. Cu o astfel de protecție, conservele rămân comestibile mult timp. Din păcate, industria conservelor și a băuturilor nu este lipsită de provocări. Produse diferite creează medii diferite în interiorul cutiei, care au efecte diferite asupra metalului și pot provoca coroziune.

La începutul secolului al XX-lea a început să se producă bere conservată. Cu toate acestea, noul produs nu a avut un succes imediat, iar motivul pentru aceasta a fost că băncile erau distruse din interior. Stratul subțire de tablă care a fost folosit pentru a acoperi borcanele ieșea foarte rar solid. Cel mai adesea avea defecte minore. Într-o soluție apoasă, fierul se oxidează mai repede decât staniul (datorită activității sale mai mari). Ioni de fier Fe 2+ dizolvat în bere (care este în general un bun remediu pentru anemie) și a dat băuturii un gust metalic și, în plus, i-a redus transparența. Acest lucru a redus popularitatea berii conservate. Cu toate acestea, producătorii au reușit să depășească această problemă după ce au început să acopere interiorul cutiilor cu un lac organic special inert.

Fructele conservate conțin acizi organici, cum ar fi acidul citric. În soluție, acești acizi promovează legarea ionilor de staniu Sn 2+ și astfel crește viteza de dizolvare a stratului de staniu, astfel încât în conservele de fructe (piersici, etc.) staniul se corodează în principal. Ionii de staniu care intră în alimente în acest fel sunt netoxici. Nu schimbă în mod semnificativ gustul fructelor conservate, cu excepția faptului că le oferă un postgust insular. Cu toate acestea, dacă un astfel de borcan este păstrat prea mult timp, pot apărea probleme. Stratul subțire de staniu, care este oxidat, se va prăbuși în cele din urmă sub influența acizilor organici și va începe să corodeze stratul de fier destul de repede.

DEFINIŢIE

În contact cu mediul înconjurător, multe metale, precum și aliajele pe bază de metale, pot fi supuse distrugerii din cauza interacțiunii chimice (ORR cu substanțele din mediu). Acest proces se numește coroziune.

Se face o distincție între coroziunea în gaze (coroziunea gazoasă), care apare la temperaturi ridicate în absența umidității pe suprafețele metalice, și coroziunea electrochimică (coroziunea în soluții de electroliți, precum și coroziunea în atmosferă umedă). Ca urmare a coroziunii gazelor, pe suprafața metalelor se formează oxid, sulfură etc. filme. Fitingurile pentru cuptor, piesele motoarelor cu ardere internă etc. sunt supuse acestui tip de coroziune.

Ca urmare a coroziunii electrochimice, oxidarea metalului poate duce atât la formarea de produse insolubile, cât și la trecerea metalului în soluție sub formă de ioni. Acest tip de coroziune afectează conductele situate în sol, părțile subacvatice ale navelor etc.

Orice soluție de electrolit este o soluție apoasă, iar apa conține oxigen și hidrogen care sunt capabile să reducă:

O 2 + 4H + +4e = 2H 2 O (1)

2H + +2e=H 2 (2)

Aceste elemente sunt agenți oxidanți care provoacă coroziune electrochimică.

Când scrieți despre procesele care au loc în timpul coroziunii electrochimice, este important să luați în considerare potențialul standard al electrodului (EP). Astfel, într-un mediu neutru, EC al procesului 1 este de 0,8B, prin urmare, metalele a căror EC este mai mică de 0,8B (metale situate în seria de activitate de la începutul său până la argint) sunt supuse oxidării de către oxigen.

EP al procesului 2 este de -0,41V, ceea ce înseamnă că doar acele metale al căror potenţial este mai mic de -0,41V (metale situate în seria de activitate de la începutul său până la cadmiu) sunt supuse oxidării cu hidrogen.

Viteza de coroziune este foarte influențată de impuritățile pe care le poate conține un anumit metal. Astfel, dacă un metal conține impurități nemetalice, iar EC lor este mai mare decât EC a metalului, atunci viteza de coroziune crește semnificativ.

Tipuri de coroziune

Există mai multe tipuri de coroziune: atmosferică (coroziune în aer umed la altitudine joasă), coroziune în sol, coroziune cu aerare neuniformă (accesul cu oxigen la diferite părți ale unui produs metalic în soluție nu este același), coroziune de contact (contact cu 2 metale cu EP diferit într-un mediu în care este prezentă umiditatea).

În timpul coroziunii, pe electrozi (anod și catod) au loc reacții electrochimice, care pot fi scrise prin ecuațiile corespunzătoare. Astfel, într-un mediu acid, coroziunea electrochimică are loc cu depolarizarea hidrogenului, adică. Hidrogenul este eliberat la catod (1). Într-un mediu neutru, coroziunea electrochimică are loc cu depolarizarea oxigenului - apa este redusă la catod (2).

K (catod) (+): 2H + +2e=H 2 - reducere (1)

A (anod) (-): Me – ne →Me n + – oxidare

K (catod) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH - - reducerea (2)

În cazul coroziunii atmosferice, pe electrozi au loc următoarele reacții electrochimice (și la catod, în funcție de mediu, pot apărea diverse procese):

A (anod) (-): Me→Me n + +ne

K (catod) (+): O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH - (în medii alcaline și neutre)

K (catod) (+): O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (în mediu acid)

Protecție împotriva coroziunii

Pentru protejarea împotriva coroziunii sunt utilizate următoarele metode: utilizarea aliajelor rezistente chimic; protecția suprafeței metalelor cu acoperiri, care folosesc cel mai adesea metale care sunt acoperite în aer cu pelicule de oxid care sunt rezistente la efectele mediului extern; tratarea mediilor corozive; metode electrochimice (protectie catodica, metoda protector).

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2

Exercita

Piesa constă dintr-un aliaj de fier și nichel. Ce metal se va coroda mai repede? Notați ecuațiile proceselor anodice și catodice din timpul coroziunii atmosferice. Valorile potențialelor standard ale electrodului sunt E(Fe 2+ /Fe) = - 0,444V, E(Ni 2+ /Ni) = -0,250V.

Soluţie

În primul rând, metalele active (cele cu cele mai negative valori ale potențialelor standard ale electrodului) sunt supuse coroziunii în acest caz, este fierul.

Popular în categoria: