Учебник для 9 класса

ХИМИЯ

§ 13. Коррозия металлов

«Ржа ест железо» — гласит русская народная поговорка. Ржавчина, которая появляется на поверхности стальных и чугунных изделий, — это яркий пример коррозии.

У поэта В. Шефнера есть очень образные строчки:

Коррозия — рыжая крыса,
Грызёт металлический лом.

Ежегодно из-за коррозии теряется около четверти всего произведённого в мире железа. Однако не только потеря металлов, но и порча изготовленных из них изделий обходится очень дорого. Затраты на ремонт или на замену деталей судов, автомобилей, аппаратуры химических производств, приборов и коммуникаций во много раз превышают стоимость металла, из которого они изготовлены.

Коррозия вызывает серьёзные экологические последствия. Утечка газа, нефти и других опасных химических продуктов из разрушенных коррозией трубопроводов приводит к загрязнению окружающей среды, что отрицательно влияет на здоровье и жизнь людей. Понятно, почему на защиту металлов и сплавов от коррозии тратят большие средства.

Коррозию металлов и сплавов (их окисление) вызывают такие компоненты окружающей среды, как вода, кислород, оксиды углерода и серы, содержащиеся в воздухе, водные растворы солей (морская вода, грунтовые воды). Эти компоненты непосредственно окисляют металлы — происходит химическая коррозия.

Чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа. Особенно сильно корродирует металл во влажном воздухе и при соприкосновении с водой (рис. 43). Упрощённо этот процесс можно выразить следующим уравнением химической реакции:

4Fe + 3O₂ + 6Н₂O = 4Fe(OH)₃.

Рис. 43.
Влияние факторов окружающей среды на коррозию металлов

Химически чистое железо почти не корродирует, а техническое железо, которое содержит различные примеси, например в чугунах и сталях, ржавеет. Следовательно, одной из причин возникновения коррозии является наличие примесей в металле, т. е. его неоднородность.

Сущность процесса коррозии для этого случая покажем на следующем примере. Если два различных металла, находящихся в контакте между собой, опустить в водный раствор электролита (в реальных условиях это, например, грунтовые воды, сконденсированная влага из атмосферы), то металл более активный, расположенный в электрохимическом ряду напряжений левее, будет разрушаться, предохраняя менее активный металл от коррозии.

Например, при контакте железа с медью в водной среде железо, как более активный металл, постепенно корродирует, переходя в воду в виде ионов железа (рис. 44, а).

Рис. 44.
Электрохимическая коррозия металлов при контакте металлов в электропроводной среде: а — Fe—Сu; б — Zn—Fe

Электроны, высвободившиеся из атомов железа, перейдут к меди и на её поверхности соединятся с ионами водорода, выделившимися из компонентов водной среды (например, серной или других кислот; вам, очевидно, известно выражение «кислотные дожди»). Этот электрохимический процесс можно представить так:

И наоборот, при контакте железа с более активным цинком последний, разрушаясь, защищает железо от коррозии (рис. 44, б).

Для борьбы с коррозией существует много способов. Назовём некоторые из них.

1. Нанесение защитных покрытий на поверхности предохраняемого от коррозии металла. Для этого часто используют масляные краски, эмали, лаки (рис. 45). Эти неметаллические покрытия дешёвые, но обычно недолговечные. Раз в два года, а иногда и чаще их требуется обновлять. Так, например, красят Эйфелеву башню в Париже.

Рис. 45.
Защита металлов от коррозии. Защитные покрытия:
1 — краски; 2 — эмали; 3 — смазки

Предохраняемый металл можно покрыть слоем другого металла: золота, серебра, хрома, никеля, олова, цинка и др. Один из самых старых способов — это лужение, или покрытие железного листа слоем олова. Такое железо называют белой жестью.

2. Использование нержавеющих сталей, содержащих специальные добавки. Например, «нержавейка», из которой изготавливают столовые приборы, содержит до 12% хрома и до 10% никеля. Лёгкие нержавеющие сплавы включают алюминий или титан. Всякий, кто был во Всероссийском выставочном центре, видел перед входом обелиск «Покорителям космоса», облицованный пластинками из титанового сплава (рис. 46). На его блестящей поверхности нет ни одного пятнышка ржавчины.

Рис. 46.
Обелиск «Покорителям космоса» (облицовка из титана)

3. Введение в рабочую среду, где находятся металлические детали, веществ, которые в десятки и сотни раз уменьшают агрессивность среды. Такие вещества называют ингибиторами коррозии.

Ингибиторы коррозии вводят в замкнутые системы охлаждения, в нефтепродукты и даже впрыскивают в газопроводы для снижения коррозии труб изнутри. Для предотвращения коррозии железа в серной кислоте к ней добавляют в качестве ингибитора азотную кислоту.

4. Создание контакта с более активным металлом — протектором. Например, для защиты стальных корпусов морских судов обычно используют цинк (рис. 47). На суше металлические конструкции линии электропередачи (ЛЭП) и трубопроводов соединяют с листом или куском более активного металла. С этой же целью к деталям конструкции мостов приваривают куски цинка.

Рис. 47.
Протекторная защита от коррозии гребного вала морского судна (а); элемент защиты от коррозии (б)

Новые слова и понятия

1. Коррозия металлов.
2. Химическая и электрохимическая коррозия.
3. Способы борьбы с коррозией.

Задания для самостоятельной работы

1. Медь на воздухе покрывается тонким слоем оксида, придающим ей тёмную окраску, но во влажном воздухе и в присутствии углекислого газа на её поверхности образуются соединения зелёного цвета ((СuOН)₂СO₃). Напишите уравнения реакций коррозии меди.
2. Щелочные и щёлочноземельные металлы хранят под слоем керосина для предотвращения контакта с воздухом, так как они интенсивно взаимодействуют с составными частями воздуха. Напишите уравнения возможных реакций, сопровождающих коррозию этих металлов.
3. Что такое ингибиторы коррозии? Что такое протекторы? Чем отличается механизм их действия при защите металлов от коррозии?
4. Лужёное железо, покрытое защитной оловянной плёнкой, поцарапали. Что будет происходить с изделием?
5. О каком материале строка В. В. Маяковского: «По крыше выложили жесть...» ?
6. В начале XX в. из нью-йоркского порта вышла в открытый океан красавица яхта. Её владелец, американский миллионер, не пожалел денег, чтобы удивить свет. Корпус яхты был сделан из очень дорогого в то время алюминия, листы которого скреплялись медными заклёпками. Это было красиво — сверкающий серебристым блеском корабль, усеянный золотистыми головками заклёпок! Однако через несколько дней обшивка корпуса начала расходиться и яхта быстро пошла ко дну. Почему?