22.7: korozja

ważnym aspektem stosowania niektórych metali, zwłaszcza żelaza, jest możliwość wystąpienia korozji. Szacuje się, że około jedna siódma całej produkcji żelaza trafia do zastąpienia metalu utraconego na korozję. Rdza jest najwyraźniej uwodnioną formą tlenku żelaza (III). Wzór jest w przybliżeniu Fe2O3 * \ (\tfrac {\text{3}} {\text{2}}\) H2O, chociaż dokładna ilość wody jest zmienna. (Należy zauważyć, że jest to mniej więcej w połowie drogi między wodorotlenkiem żelaza(III), Fe(OH) 3 lub ½ {Fe2O3•3H2O] i bezwodnym Fe2O3).,

rdzewienie wymaga zarówno tlenu, jak i wody i jest zwykle przyspieszane przez kwasy, szczepy w żelazie, kontakt z mniej aktywnymi metalami i obecność samej rdzy. Ponadto obserwacja zardzewiałego obiektu, takiego jak żelazny gwóźdź ze starego drewnianego budynku, pokazuje, że rdza osadzi się w jednym miejscu (w pobliżu główki gwoździa), podczas gdy największa utrata metalicznego żelaza nastąpi gdzie indziej (w pobliżu punktu). Fakty te sugerują, że mechanizm rdzewienia obejmuje ogniwo galwaniczne., Pół-równania zaangażowane są

\

\

dając pełną reakcję:

\

Po utworzeniu Fe2+(aq), może swobodnie migrować przez wodny roztwór do innego miejsca na powierzchni metalu. W tym momencie żelazo może wytrącać się:

\

jony wodorowe uwolnione w wyniku tej reakcji są następnie częściowo zużywane przez równanie \(\ref{2}\). Elektrony wymagane do połówkowego równania \(\ref{2}\) są dostarczane z równania \(\ref{1}\) przez przewodnictwo metaliczne przez żelazo lub przez przewodnictwo jonowe, jeśli roztwór wodny zawiera znaczne stężenie jonów., W ten sposób żelazo rdzewieje szybciej w kontakcie ze słoną wodą niż w świeżej.

mechanizm zaproponowany w poprzednim akapicie zakłada, że niektóre obszary powierzchni żelaza stają się katodowe, tzn. że następuje tam redukcja tlenu do wody. Inne lokalizacje są anodowe; zachodzi utlenianie Fe do Fe2+. Główny sposób, w jaki takie regiony mogą być ustawione zależy od ograniczenia dopływu tlenu, ponieważ tlen jest wymagany do reakcji katodowej pokazanej w równaniu \(\ref{2}\). Na przykład w przypadku żelaznego gwoździa rdza tworzy się w pobliżu głowy, ponieważ dostępnych jest więcej tlenu., Większość strat metalu odbywa się głęboko w drewnie, jednak w pobliżu punktu gwoździa. W tym miejscu może wystąpić równanie \(\ref{1}\), ale nie \(\ref{2}\).

podobna sytuacja występuje, gdy kropla wilgoci przylega do powierzchni żelaza (rysunek \(\PageIndex{1}\)). Pit występuje w pobliżu centrum kropli, podczas gdy uwodniony żelaza (III) osad tlenku w pobliżu krawędzi.

drugi sposób ustawienia regionów anodowych i katodowych polega na obecności drugiego metalu, który ma większy przyciąganie elektronów (jest mniej łatwo utleniony) niż żelazo., Taki metal może spuścić elektrony pozostawione w żelazie, gdy Fe2+ rozpuszcza się. Ten nadmiar elektronów sprawia, że mniej aktywny metal jest idealnym miejscem dla równania \(\ref{2}\), a więc komórka jest ustawiona na przecięciu metali. Rdza może faktycznie pokrywać powierzchnię mniej aktywnego metalu, podczas gdy w żelazie tworzą się zagłębienia.

najważniejszą techniką zapobiegania rdzy jest po prostu wykluczenie wody i tlenu za pomocą powłoki ochronnej. Jest to zasada olejowania, smarowania, malowania lub metalowania żelaza., Powłoka musi być jednak kompletna, lub rdzewienie może być przyspieszone przez wykluczenie tlenu z części powierzchni. Jest to szczególnie ważne, gdy żelazo jest pokryte mniej aktywnym metalem, takim jak cyna. Nawet otwór w powłoce na puszce cynowej rdzewieje bardzo szybko, ponieważ cyna staje się katodowa ze względu na większy potencjał elektrody i wyłączenie tlenu z żelaza pod spodem.

druga technika polega na kontakcie obiektu Żelaznego z bardziej aktywnym metalem., Nazywa się to ochroną katodową, ponieważ bardziej aktywny metal oddaje elektrony żelazowi, silnie hamując równanie \(\ref{1}\). Zarówno ochrona katodowa, jak i powłoka powierzchniowa są zapewniane przez cynkowanie, proces, w którym cynk jest powlekany elektrolitycznie na stal lub zanurzany w stopionym metalu. Podobnie jak wiele innych metali, cynk jest samoochronny-reaguje z tlenem i dwutlenkiem węgla z powietrza, tworząc przylegającą nieprzepuszczalną powłokę hydroksymocznika cynku, Zn2(OH) 2CO3., W przypadku zarysowania płyty cynkowej żelazo nadal nie może rdzewieć, ponieważ cynk będzie preferencyjnie utleniony. Powstały hydroksymocznik pokrywa otwór, zapobiegając dalszemu kontaktowi tlenu z żelazem lub cynkiem.

trzecia technika ma zastosowanie w sytuacjach (takich jak chłodnica samochodowa), w których roztwory wodne mają kontakt z żelazem. Inhibitory korozji obejmują chromiany Sole i związki organiczne, takie jak tribntyloamina, (C4H9)3N. chromiany najwyraźniej tworzą nieprzepuszczalną powłokę FeCrO4(s), gdy tylko żelazo zostanie utlenione do żelaza (II)., Tributyloamina, pochodna amoniaku, reaguje z kwasami organicznymi powstałymi w wyniku rozkładu środka przeciw zamarzaniu w wysokich temperaturach silnika samochodowego. Produkowane sole tributyloamonowe są nierozpuszczalne i pokrywają wnętrze układu chłodzenia. W ten sposób tributyloamina neutralizuje kwas, który przyspiesza korozję i zapewnia również powłokę powierzchniową.