Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

17.6: Корозія

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    22482

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Визначте корозію
    • Перерахуйте деякі методи, що застосовуються для запобігання або уповільнення корозії

    Корозія зазвичай визначається як деградація металів внаслідок електрохімічного процесу. Освіта іржі на залізі, тьмяність на сріблі та синьо-зелена патина, яка розвивається на міді - все це приклади корозії. Загальна вартість корозії в США значна, з оцінками понад півтрильйона доларів на рік.

    Зміна кольорів

    Статуя Свободи - визначна пам'ятка, яку визнає кожен американець. Статую Свободи легко ідентифікувати за висотою, стійкою і унікальним синьо-зеленим кольором. Коли ця статуя була вперше доставлена з Франції, її зовнішній вигляд не був зеленим. Він був коричневим, колір його мідної «шкіри». Так як же Статуя Свободи змінила кольори? Зміна зовнішнього вигляду стало прямим результатом корозії. Мідь, яка є основним компонентом статуї, повільно піддавалася окисленню з повітря. Окислювально-відновні реакції металу міді в навколишньому середовищі відбуваються в кілька етапів. Метал міді окислюється до оксиду міді (I) (\(\ce{Cu_2O}\)), який є червоним, а потім до оксиду міді (II), який є чорним.

    \[\ce{2Cu(s)} +\ce{1/2O2(g)} \rightarrow \underset{\text{red}}{\ce{Cu2O(s)}} \nonumber \]

    \[\ce{Cu2O(s)} +\ce{1/2O2(g)} \rightarrow \underset{\text{black}}{\ce{2CuO(s)}} \nonumber \]

    Вугілля, в якому часто було багато сірки, інтенсивно спалювалося на початку минулого століття. В результаті триоксид сірки, вуглекислий газ і вода все вступили в реакцію з\(\ce{CuO}\).

    \[\ce{2CuO(s)}+\ce{CO2(g)} + \ce{H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_2CO3(OH)2(s)}} \nonumber \]

    \[\ce{3CuO(s)}+\ce{2CO2(g)}+\ce{H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{blue}}{\ce{Cu_2(CO_3)_2(OH)2(s)}} \nonumber \]

    \[\ce{4CuO(s)}+\ce{SO3(g)}+\ce{3H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_4SO_4(OH)6(s)}} \nonumber \]

    Ці три сполуки відповідають за характерну синьо-зелену патину, яку ми бачимо сьогодні. На щастя, утворення патини створило захисний шар на поверхні, запобігаючи подальшу корозію мідної обшивки. Освіта захисного шару - це форма пасивації, про яку йдеться далі в наступному розділі.

    Ця цифра містить дві фотографії Статуї Свободи. Фотографія a видається антикварною фотографією, яка показує оригінальний коричневий колір мідної покритої статуї. Фото б показує синьо-зелений вигляд статуї сьогодні. На обох фотографіях статуя зображена на вершині будівлі, з водоймою на задньому плані».
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Статуя Свободи покрита мідною шкірою, і спочатку була коричневою, як показано на цій картині. (б) Вплив елементів призвів до утворення синьо-зеленої патини, що спостерігається сьогодні.

    Мабуть, найбільш звичним прикладом корозії є утворення іржі на залізі. Залізо буде іржавіти, коли воно піддається впливу кисню і води. Основні етапи іржавіння заліза, як видається, передбачають наступне. Потрапивши в атмосферу, залізо швидко окислюється.

    \[\textrm{anode: }\ce{Fe}_{(s)} \rightarrow \ce{Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{2e^-}\;\;\; E^\circ_{\ce{Fe^{2+}/Fe}}=\mathrm{−0.44\: V} \nonumber \]

    Електрони зменшують кисень у повітрі в кислих розчинами.

    \[\textrm{cathode: }\ce{O}_{2(g)}+\ce{4H^+}_{(aq)}+\ce{4e^-} \rightarrow \ce{2H_2O}_{(l)}\;\; E^\circ_{\ce{O_2/O_2}}=\mathrm{+1.23\; V} \nonumber \]

    \[\textrm{overall: }\ce{2Fe}_{(s)}+\ce{O}_{2(g)}+\ce{4H^+}_{(aq)} \rightarrow \ce{2Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{2H_2O}_{(l)} \;\;\;E^\circ_\ce{cell}=\mathrm{+1.67\; V} \nonumber \]

    Те, що ми називаємо іржею, - це гідратований оксид заліза (III), який утворюється, коли іони заліза (II) далі реагують з киснем.

    \[\ce{4Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{O}_{2(g)}+(4+2x)\ce{H_2O}_{(l)} \rightarrow \ce{2Fe_2O_3} \cdot x\ce{H_2O}_{(s)}+\ce{8H^+}_{(aq)} \nonumber \]

    Кількість молекул води є змінним, тому воно представлено x. На відміну від патини на міді, утворення іржі не створює захисного шару і тому корозія заліза триває, оскільки іржа відшаровується і піддає свіже залізо атмосфері.

    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Як тільки фарба подряпається на пофарбовану залізну поверхню, виникає корозія і починає утворюватися іржа. Швидкість спонтанної реакції збільшується в присутності електролітів, таких як хлорид натрію, який використовується на дорогах для танення льоду і снігу або в солоній воді.
    Сірий прямокутник, позначений «залізо», зображений тонкими фіолетовими шарами з написом «Шар фарби» на його верхній і нижній поверхнях. Проміжок у верхньому фіолетовому шарі в лівому верхньому куті діаграми має позначку «Катодний сайт». » Синя крапелька з написом «вода» розташована зверху щілини. Вигнута стрілка простягається від простору над крапелькою до поверхні сірої області і в крапельку води. Підстава стрілки позначено «O indexpt 2», а кінчик стрілки позначений як «H indexpt 2 O.» Проміжок праворуч і на нижній стороні сірої області показує, що частина сірої області пішла від області під фіолетовим шаром. Крапелька води закриває цю щілину і простягається у відкритий простір сірим прямокутником. Мітка «F e верхній індекс 2 позитивний» знаходиться в центрі крапельки. Вигнута стрілка вказує від краю сірої області внизу до мітки. Друга вигнута стрілка простягається від позитивної стрілки F e верхнього індексу 2 до коричневого шматка іржі на нижній поверхні фіолетового шару біля краю крапельки води. Вигнута стрілка простягається від нижнього індексу O 2 поза крапелькою в крапельку до коричневого шматка іржі. Сіра область в нижній правій частині діаграми позначена як «Анодний сайт». » Стрілка простягається від анодного сайту до катодного сайту, який позначений як «e верхній індекс негативний. »

    Один із способів уберегти залізо від корозії - тримати його пофарбованим. Шар фарби запобігає потраплянню води та кисню, необхідного для утворення іржі, з праскою. Поки фарба залишається цілою, праска захищена від корозії.

    Інші стратегії включають легування заліза іншими металами. Наприклад, нержавіюча сталь - це переважно залізо з невеликою кількістю хрому. Хром має тенденцію збиратися біля поверхні, де утворює оксидний шар, який захищає залізо.

    Оцинковане або оцинковане залізо використовує іншу стратегію. Цинк легше окислюється, ніж залізо, оскільки цинк має менший потенціал відновлення. Оскільки цинк має менший потенціал відновлення, він є більш активним металом. Таким чином, навіть якщо цинкове покриття подряпається, цинк все одно буде окислюватися перед праскою. Це говорить про те, що такий підхід повинен працювати з іншими активними металами.

    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Один із способів захисту підземного резервуара для зберігання заліза - це катодний захист. Використання активного металу, такого як цинк або магній, для анода ефективно робить резервуар для зберігання катодом, запобігаючи його корозії (окисленню).
    Наведена схема підземної накопичувальної системи резервуарів. Під землею, ліворуч від діаграми розташований горизонтальний сірий резервуар, який позначений як «Об'єкт, що підлягає захисту». Чорна лінія тягнеться вгору від центру резервуара над землею. Стрілка спрямована вгору на лівій стороні відрізка лінії. Горизонтальний відрізок чорної лінії триває прямо над землею, на якому написано «Джерело живлення не потрібно». Вгору і вправо тягнеться відрізок лінії, який позначений як «Провідний дріт». Відрізок лінії з спрямованою вниз стрілкою вправо простягається вниз під землею до другої металевої танк-подібної конструкції, позначеної «жертовним анодом», яка вертикально орієнтована. П'ять чорних стрілок вказують ліворуч під землею в бік першого танка. Ці стрілки в сукупності мають маркування «Захисний струм».

    Ще один важливий спосіб захисту металу - зробити його катодом в гальванічному елементі. Це катодний захист і може використовуватися для металів, відмінних від просто заліза. Наприклад, іржавіння підземних резервуарів та труб для зберігання заліза можна запобігти або значно зменшити, з'єднавши їх з більш активним металом, таким як цинк або магній. Це також використовується для захисту металевих деталей у водонагрівачах. Більш активні метали (менший потенціал відновлення) називаються жертовними анодами, оскільки вони звикають, коли вони роз'їдають (окислюються) на аноді. Захищається метал служить катодом, і тому не окислюється (не піддається корозії). Коли аноди належним чином контролюються та періодично замінюються, корисний термін служби резервуара для зберігання заліза може бути значно продовжений.

    Резюме

    Корозія - це деградація металу, викликана електрохімічним процесом. Щорічно витрачаються великі суми грошей на ремонт наслідків або запобігання корозії. Деякі метали, такі як алюміній і мідь, утворюють захисний шар при корозії на повітрі. Тонкий шар, який утворюється на поверхні металу, перешкоджає контакту кисню з більшою кількістю атомів металу і тим самим «захищає» залишився метал від подальшої корозії. Залізо роз'їдає (утворює іржу) при впливі води і кисню. Іржа, яка утворюється на металі заліза, відшаровується, оголюючи свіжий метал, який також роз'їдає. Одним із способів запобігання або уповільнення корозії є покриття металу. Покриття запобігає контакту води і кисню з металом. Фарба або інші покриття сповільнять корозію, але вони не ефективні після подряпин. Оцинковане або оцинковане залізо експлуатує той факт, що цинк швидше окислюється, ніж залізо. Поки покриття залишається, навіть якщо подряпати, цинк буде окислюватися перед праскою. Ще одним методом захисту металів є катодний захист. При цьому методі легко окислюється і недорогий метал, часто цинк або магній (жертовний анод), електрично з'єднаний з металом, який необхідно захистити. Більш активним металом є жертовний анод, і є анодом в гальванічному елементі. «Захищений» метал є катодом, і залишається неокисленим. Однією з переваг катодного захисту є те, що жертовний анод можна контролювати і замінювати при необхідності.

    Глосарій

    катодний захист
    спосіб захисту металу за допомогою жертовного анода і ефективного виготовлення металу, який потребує захисту катода, запобігаючи тим самим його окислення
    корозії
    деградація металу за допомогою електрохімічного процесу
    оцинковане залізо
    метод захисту заліза шляхом покриття його цинком, який буде окислюватися перед залізом; оцинковане залізо
    жертовний анод
    більш активний, недорогий метал використовується в якості анода в катодному захисті; часто виготовляється з магнію або цинку