Коррозия металлов и защита от неё

Железный забор ржавеет, медная крыша зеленеет, серебро темнеет. Металлы, которые люди с таким трудом восстанавливают из руд (тема 4.3), стремятся вернуться в окисленное состояние. Ежегодно коррозия уничтожает огромное количество стали, поэтому защита от неё — важная инженерная задача.

Коррозия металлов

Коррозия металлов — это самопроизвольное разрушение металлов под действием окружающей среды. Если металл реагирует с сухими газами при высокой температуре, например покрывается окалиной в печи, коррозию называют химической. Чаще металл разрушается во влажной среде, в растворах электролитов, и такую коррозию называют электрохимической.

Ржавчина

Продукт коррозии железа — ржавчина, рыхлая бурая масса, состоящая в основном из гидратированного оксида железа(III). Упрощённо её образование описывают так:

\[ \ce{4Fe + 3O2 + 6H2O -> 4Fe(OH)3} \]

Для ржавления нужны сразу и вода, и кислород. В классическом опыте три железных гвоздя помещают в разные пробирки: в сухой воздух над осушителем, в прокипячённую воду под слоем масла, где нет кислорода, и в воду, открытую воздуху. Ржавеет только третий гвоздь. Соль ускоряет ржавление, поэтому морская вода и зимние дороги, посыпанные солью, так разрушительны для металла. Ржавчина рыхлая и не защищает железо, поэтому коррозия идёт вглубь, пока не разрушит всю деталь.

Электрохимическая коррозия

Особенно быстро коррозия идёт, когда два разных металла соприкасаются в растворе электролита, например во влажном воздухе или в морской воде. Возникает гальваническая пара, как в батарейке (тема 5.3): более активный металл отдаёт электроны и разрушается, а менее активный остаётся целым. Это электрохимическая коррозия. Стальная деталь, скреплённая медными заклёпками, ржавеет возле них особенно быстро. Если поцарапать луженое железо (жесть, покрытую оловом), железо как более активный металл начнёт ржаветь быстрее, чем без покрытия. А на оцинкованном железе в месте царапины разрушается цинк, а железо остаётся защищённым.

Способы защиты от коррозии

Способов защиты много, и все они либо изолируют металл от среды, либо меняют сам металл или среду.

• Защитные покрытия изолируют металл от воды и кислорода: краски, лаки, эмали, смазки, полимерные плёнки, а также слой другого металла — цинка, олова, хрома, никеля.
• Протекторная защита: к стальной конструкции (корпусу корабля, трубопроводу) присоединяют пластины более активного металла, цинка или магния. Протектор разрушается вместо стали, и его периодически меняют.
• Легирование — введение в сталь добавок, повышающих её стойкость. Нержавеющая сталь содержит не меньше 12 % хрома, который образует на поверхности прочную оксидную плёнку.
• Ингибиторы коррозии — вещества, которые добавляют в среду, чтобы замедлить коррозию: в охлаждающие жидкости автомобилей, в воду котлов, в кислоты при очистке металлов от окалины.