РОЗДІЛ 3 МЕТАЛІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ СПОЛУКИ
§ 56. Корозія металів
Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу: формулювати означення корозії;
Пояснювати суть хімічної й електрохімічної корозії та захисту металів від неї;
Складати рівняння та схеми електронного балансу відповідних хімічних реакцій;
Висловлювати судження про наслідки корозії металів.
Ви уже знаєте, що металеві вироби руйнуються під впливом навколишнього середовища. Так, вироби із заліза та його сплавів – чавуну і сталі з часом іржавіють (мал. 96). Склад
Нагадаємо його означення.
Корозія (від лат. corrosio – гризу, роз’їдаю) – процес самочинного руйнування металу під впливом навколишнього середовища.
Мал. 96. Іржа
Мал. 97. Корозія бронзового пам’ятника Б. Хмельницькому (м. Київ)
– Наведіть приклади корозії різних металів і сплавів.
Від корозії руйнується більшість металів та їх сплавів (мал. 97). Стійкими проти корозії є лише благородні метали:
У світі втрачається понад 20 млн тонн металів щороку, більше 20 % виплавлених заліза, чавуну, сталі. Колосальні економічні збитки зростають за рахунок ремонту промислового обладнання, будівельних конструкцій, транспортних засобів, втрат нафти і газу з пошкоджених газогонів тощо. Крім того, корозія призводить до забруднення довкілля. Втрати від корозії в промислово розвинутих країнах становлять 3 – 4 % валового національного доходу.
Щоб захистити метали від корозії, треба зрозуміти суть цього процесу. Під час реакцій з речовинами навколишнього середовища метали, що перебувають у вільному стані, перетворюються на сполуки різного складу. Отже, відбувається окиснення металу:
Так, процес іржавіння заліза описують рівнянням:
Розрізняють кілька видів корозії, серед найпоширеніших – хімічна й електрохімічна.
Хімічна корозія зумовлена взаємодією металу з сухими газами, рідинами-неелектролітами, твердими речовинами. Метал окиснюється при безпосередній хімічній взаємодії з речовинами довкілля:
Хімічна корозія відбувається в соплах ракетних і автомобільних двигунів, у газових турбінах, під час прокату металів на металургійних виробництвах. Швидкість її зростає з підвищенням температури.
При окисненні на повітрі поверхня деяких металів вкривається плівкою з дуже тонкого шару оксидів, що захищає ці метали від подальшої корозії. Прикладом може бути алюміній, вироби з якого мають матову поверхню із алюміній оксиду Al2O3.
Електрохімічна корозія відбувається при контакті двох металевих виробів з різних металів за наявності електроліту або води й супроводжується виникненням електричного струму.
Дослід. Взаємодія цинку із кислотою при контакті з міддю.
У пробірку з гранулою цинку наливаємо розчин сульфатної кислоти об’ємом 2 мл. Напишіть рівняння реакції, що відбувається. Складіть електронний баланс.
З часом швидкість реакції зменшується. Доторкнемося до гранули цинку мідною дротинкою (завдовжки 10 – 15 см) – швидкість реакції помітно зростає. Як пояснити поступове зменшення взаємодії між цинком і сульфатною кислотою і прискорення реакції після контакту цинку з міддю?
У процесі хімічної реакції відбувається окиснення атомів Цинку катіонами Гідрогену H+ кислоти до катіонів Zn2+. Катіони Цинку переходять у розчин, спричиняючи накопичення надлишку електронів у кристалічній гратці металу. Чим більше під час реакції накопичується електронів, тим сильніше вони утримують катіони Цинку і перешкоджають переходу катіонів у розчин. Унаслідок цього швидкість реакції між кислотою і цинком уповільнюється. Мідь міститься у витискувальному ряді металів після водню і з розчином кислоти не реагує. У кристалічній гратці міді як малоактивного металу вільних електронів небагато.
При контакті двох металів – цинку і міді – вільні електрони цинку
Переходять до міді, відновлюючи на її поверхні катіони Гідрогену H+.
Звільнившись від надлишкових електронів, цинк починає енергійно реагувати з кислотою, а його надлишкові електрони переміщаються до міді. Відбувається електрохімічний процес: окрім окиснення більш активного металу спостерігається перенесення електронів від більш активного металу до менш активного – виникає електричний струм.
Такий електрохімічний процес відбувається при контакті у розчині електроліту будь-яких двох металів. Більш активний метал, що стоїть ліворуч у витискувальному ряді металів, набуває негативного заряду, інший метал, менш активний, – позитивного. При цьому більш активний метал руйнується.
Процес електрохімічної корозії у кислому середовищі можна зобразити такими схемами: а) контакт Mg – Fe
Електрохімічна корозія відбуватиметься тим швидше, чим більша відстань між металами у витискувальному ряді металів.
На швидкість корозії також впливає характер електроліту. Його висока кислотність і вміст окисників значно прискорюють корозійне руйнування.
Захист металів від корозії. Найпоширенішими і доступними способами захисту металу від корозії є захисні покриття – неметалічні, металічні, хімічні.
До неметалічних належать покриття лаками, фарбами, емаллю, каучуком (гумування), до металічних – покриття виробів металами (цинком, нікелем, хромом, оловом та ін.). Найдавнішим способом захисту виробів зі сталі та міді від корозії є гаряче лудіння – покриття оловом. Про застосування олова з цією метою писав ще давньогрецький історик Геродот (V ст. до н. е.), а професія “лудильник” була поширена й у 50-х роках ХХ ст.
Незважаючи на дефіцитність олова, близько половини усього видобутку його використовується для захисту металів. Луджені листи сталі називають білою жерстю (мал. 98). Вона використовується переважно для виготовлення консервних банок.
До хімічних покриттів належать оксидні, фосфатні та інші захисні плівки, що наносяться на метали і гальмують корозійні процеси.
Ефективним способом боротьби з корозією є створення сплавів, стійких до корозії. Так, добавка до сталі 12 % хрому значно підвищує її корозійну стійкість до лугів і кислот.
Електрохімічні способи захисту від корозії металів базуються на сполученні їх з більш активним металом, який першим зазнаватиме впливу довкілля. Наприклад, підземні трубопроводи, корпуси суден, різні металічні конструкції постійно перебувають у розчинах електролітів (морські, підземні та грунтові води). Саме тому до них приєднують більш активні магній, цинк або їх сплави, руйнування яких запобігає корозії виробів і конструкцій зі сталі. Цей спосіб називається протекторним (від лат. protector – охоронець, захисник). Для сповільнення корозії виробів з металу, що стикаються з агресивними хімічними розчинами, нині широко застосовують інгібітори (від лат. inhibeo – стримувати, зупиняти). Відомо понад 5 тис. інгібіторів. Кардинальним способом боротьби з корозією є заміна металів на інші матеріали, наприклад пластмасу, кераміку, які стійкі до негативного впливу навколишнього середовища.
Мал. 98. Біла жерсть
Коротко про головне
Корозія – процес самочинного руйнування металу під впливом навколишнього середовища. Полягає в окисненні металів з утворенням сполук різного складу. Розрізняють два основні види корозії. Хімічна корозія зумовлена взаємодією металу з сухими газами, рідинами – неелектролітами, твердими речовинами. Електрохімічна корозія виникає при контакті двох металів у розчині електроліту і супроводжується виникненням електричного струму.
Запобігання корозії металів полягає в захисті їх поверхні від впливу навколишнього середовища; гальмуванні корозійних процесів уведенням до електроліту інгібіторів; виготовленні антикорозійних сплавів; застосуванні електрохімічних методів захисту; заміни металів пластмасами, керамікою тощо.
Для допитливих. За 20 км від Делі (Індія) височить одна з найзагадковіших споруд світу – залізна Кутубська колона (мал. 99, а). Її висота 7,3 м, загальна маса 6,5 т, діаметр біля основи 42 см, біля верхівки – 30 см. Попри вологий і жаркий тропічний клімат на ній немає жодної плями іржі, навіть віршовані рядки на санскриті, викарбувані на колоні, легко читаються. Секрет полягає у складі колони: 99,7 % заліза, незначний вміст сірки і вуглецю. Надчисте залізо практично не піддається корозії. Таємницею залишається виготовлення колони. Існує декілька версій її походження. Так, за однією, колону споруджено із метеоритного заліза, а за іншою – стародавнім індійцям допомагали інопланетяни. Деякі дослідники вважають Кутубську колону пам’яткою культури давно зниклої цивілізації. Місцеві жителі наділяють колону цілющою силою. Що за цим – самонавіювання чи реальний вплив енергетичного поля споруди?
Розгадка Кутубської колони чекає свого часу.
Мал. 99. Кутубська залізна колона (а), Ейфелева вежа (б)
Ейфелева вежа (мал. 99, б) – найупізнаваніша пам’ятка Парижа, всесвітньо відома як символ Франції. Споруджена (1887 – 1889) за проектом інженера Густава Ейфеля як вхід до Всесвітньої виставки 1889 р. Її висота 300 м (з телевізійною антеною – 324 м), маса металевих конструкцій становить 7 300 т, загальна маса – 10 100 т. Металеві складові вежі зроблені з так званого пудлінгового заліза, яке містить близько 0,3 % вуглецю і до 2 % інших домішок. “Залізна пані”, як називають цю споруду парижани, протидіє корозії завдяки 60 т фарби трьох відтінків. За 120 років існування вежу фарбували 18 разів, кожні 7 років. Це призвело до збільшення маси металевих конструкцій майже на 15 %.
– Поясніть, чому на відміну від Кутубської залізної колони Ейфелева вежа потребує захисту від корозії.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)