Чому іржавіє цвях?

Алюмінієва руда - боксит - складається з гідроксидів алюмінію, оксидів заліза і кремнію. Зовні вона зовсім не схожа на алюміній

Фото Наталії Домріной.

Корозія в поєднанні з помилками в конструкції привели до руйнування моста через річку Міссісіпі в штаті Міннесота (США) в серпні 2007 року.

Навіть до такого простого справі, як миття раковини, треба підходити з розумом. Велика виразкова і виразкова корозія кухонної мийки з нержавіючої сталі викликана неправильним підбором засобів для чищення, які містять сполуки хлору.

Корозійне розтріскування нижній частині корпусу стало причиною аварії літака «Боїнг-737» компанії «ЕЛОУ Ейрлайн» в квітні 1988 року.

<

>

Давайте згадаємо, звідки береться залізо або, наприклад, алюміній. Правильно, їх виплавляють з руди - залізної, марганцевої, магнієвої, алюмінієвої та ін. Метали в рудах містяться в основному у вигляді оксидів, гідроксидів, карбонатів, сульфідів, тобто у вигляді хімічних сполук з киснем, водою, сірою економікою та ін.

У природі в металевому, або вільному, стані в основному можна зустріти лише золото, платину, іноді срібло. Ці метали стійкі, тобто не прагнуть (або слабо прагнуть) утворювати хімічні сполуки. Напевно, з цієї причини вони отримали назву шляхетних.

Що ж до переважної більшості металів, то, щоб вони знаходилися у вільному стані, їх треба відновити з природних рудних з'єднань, тобто виплавити. Виходить, виплавляючи метал, ми переводимо його зі стійкого стану в нестійке. Ось він і прагне повернутися в початковий стан - окислюватися. Це і є корозія - природний для металів процес руйнування при взаємодії з навколишнім середовищем. Окремий випадок корозії - іржавіння - освіту на залозі гідроксиду заліза Fe (ОН) 3. Цей процес може протікати тільки в присутності вологи (води або водяної пари).

Але чому ж тоді не руйнуються відразу мости, не розсипаються миттєво літаки і автомобілі? Та й каструльки зі сковорідками не перетворювати на наших очах в рудий, чорний або сірий порошок. На щастя, реакції окислення металів протікають не так стрімко. Як і будь-який процес, вони йдуть з певною швидкістю, часом дуже невеликий. Більш того, є багато способів уповільнити корозію.

плече друга

Ви помічали, що на нержавіючої сталі не буває іржі, хоча її основу становить те ж саме залізо, яке при окисленні (в присутності води або водяної пари) перетворюється в рудий волохатий гідроксид. Тут є одна хитрість: нержавіюча сталь - це сплав заліза з іншими металами. Введення в металеві сплави елементів для додання їм тих чи інших властивостей називається легуванням.

Основний легуючий елемент, який додають до звичайної (вуглецевої) стали, щоб отримати нержавіючу, - хром. Цей метал теж прагне окислюватися, що він з успіхом і робить набагато охочіше і швидше, ніж саме залізо. При цьому на поверхні нержавіючої сталі швидко утворюється плівка з оксиду хрому. На відміну від пухкої іржі компактний темний оксид хрому не дає агресивним іонів навколишнього середовища проникати до поверхні металу, тобто оксид просто прикриває собою метал, і процес корозії припиняється. Такі оксидні плівки називаються захисними. У нержавіючих сталях хрому має бути строго певну кількість, але не менше 13%. Крім хрому в нержавіючі стали часто додають нікель, молібден, ніобій і титан.

Завдяки захисним плівкам багато метали непогано витримують вплив різних середовищ. Візьмемо, наприклад, алюмінієву каструльку, в якій кип'ятять молоко або варять манну кашу. Зазвичай така каструлька НЕ ​​блищить, подібно хрому або нержавіючої сталі, і має злегка білястий колір. Справа в тому, що на алюмінії, як і на інших металах, на повітрі завжди утворюється біляста оксидная плівка (оксид алюмінію), яка відмінно захищає метал від корозії. Такі плівки називаються пасивними, а метали, на яких вони мимовільно утворюються, - фізична хімія. Якщо ж алюмінієву каструльку почистити металевою щіткою, наліт зникне і з'явиться металевий блиск. Але дуже швидко поверхню знову покриється плівкою оксиду алюмінію і стане білястої.

Приборкання активних

Перекласти метал в пасивний стан можна примусовим чином. Наприклад, залізо крім незащитную гідроксиду заліза або ж нижчих оксидів (закису і закису-окису) при певних умовах утворює вищий оксид - окис заліза (Fe2О3). Цей оксид непогано захищає метал і його сплави при високих температурах на повітрі, він же (одна з його форм) «відповідальний», як вважають фахівці, за пасивний стан залізних сплавів в багатьох водних середовищах.

Стійкість нержавіючої сталі в міцної сірчаної кислоти пов'язана саме з пассивированием стали в цій вельми агресивному середовищі. Якщо ж помістити нержавійку в слабкий розчин сірчаної кислоти, сталь почне корродировать. Парадокс пояснюється просто: міцна сірчана кислота має сильні окислювальні властивості, завдяки чому на поверхні нержавіючої сталі утворюється Пасивуючий плівка, а в слабкій кислоті не утворюється.

У випадках, коли агресивне середовище недостатньо «окислювальна», використовують спеціальні хімічні добавки, які допомагають утворенню на поверхні металу пасивної плівки. Такі добавки називають інгібіторами або сповільнювачами корозії.

Не всі метали здатні утворювати пасивні плівки, навіть примусово. В цьому випадку додавання в агресивне середовище інгібітору, навпаки, утримує метал в «відновлювальних» умовах, в яких його окислення пригнічується (воно енергетично невигідно).

жертвоприношення

Штучно підтримувати метал в «відновлювальних» умовах можна і іншим способом, адже не завжди є можливість додати інгібітор. Візьмемо, приміром, звичайне оцинковане відро. Воно зроблене з вуглецевої сталі, а зверху покрито шаром цинку. Цинк - більш активний метал, ніж залізо, значить, він більш охоче вступає в хімічні реакції. Тому цинк не просто механічно ізолює сталеве відро від навколишнього середовища, а й «приймає вогонь на себе», тобто кородує замість заліза.

Схожим способом нерідко захищають днища кораблів. Тільки їх не покривають суцільним шаром цинку, марганцю або алюмінію - це було б дуже дорого та й складно, а прикріплюють до днища солідний шматок більш активного металу (протектора). В результаті протектор руйнується, а днище корабля залишається цілим і неушкодженим.

Для підземних комунікацій «відновлювальні» умови створюють за допомогою електрохімічного захисту: накладають на захищається метал негативний (катодний) потенціал від зовнішнього джерела струму, так що на металі припиняється процес окислення.

Однак навіщо потрібно стільки різних складних способів захисту металів? Хіба не можна просто пофарбувати метал або нанести на нього емаль?

По-перше, все пофарбувати неможливо. А по-друге ... Візьмемо для прикладу емальовану каструлю або автомобіль. Якщо каструля, вирвавшись з рук, з гуркотом впаде на підлогу і отшібёт собі емальований бочок, то під відкололася емаллю зяятиме «чорний очей», краї якого поступово забарвляться в зрадницький рудий колір - скол покриється іржею. Не краща доля чекає і автомобіль, якщо раптом в його лаковом боці (а частіше на стику з днищем) утворюється невелика дірочка в шарі лаку. Цей канал надходження до корпусу агресивних агентів - води, кисню повітря, сірчистих сполук, солі - негайно запрацює, і корпус почне іржавіти. Ось і доводиться власникам автомобілів робити додаткову антикорозійну обробку.

невидимий злодій

Так, може, проблема корозії металів вирішена? На жаль, не все так просто. Будь-які коррозиестойкие сплави стійкі тільки в певних середовищах і умовах, для яких вони розроблені. Наприклад, більшість нержавіючих сталей відмінно витримують кислоти, луги і дуже «не люблять» хлориди, в яких вони часто піддаються місцевим видам корозії - виразкової, точкової і міжкристалітної. Це дуже підступні корозійні руйнування. Конструкція з красивого, блискучого металу без натяку на іржавіння може одного разу впасти або розсипатися. Вся справа в найдрібніших точкових, але дуже глибоких ураженнях. Або ж в мікротріщинах, не видимих ​​оком на поверхні, але пронизують буквально всю товщу металу. Не менш небезпечно для багатьох сплавів, не схильних до загальної корозії, так зване корозійне розтріскування, коли раптово конструкцію пронизує величезна тріщина. Таке трапляється з металами, котрі відчувають тривалі механічні навантаження - в літаках і вертольотах, в різних механізмах і будівельних конструкціях.

Крах поїздів, падіння літаків, руйнування мостів, викиди газу і розливи нафти з трубопроводів - причиною подібних катастроф нерідко стає корозія. Щоб її приборкати, належить ще багато дізнатися про найскладніші природних процесах, що відбуваються навколо нас.