Химическая и электрохимическая коррозия: два лица одного процесса
Что мы называем коррозией
Коррозия — это самопроизвольное разрушение металлов при взаимодействии с окружающей средой. Звучит просто, но за этим определением скрывается целый мир процессов, которые сопровождают человечество с момента, когда оно научилось добывать и использовать металл.
Мы привыкли называть коррозию ржавчиной, представляя облупившуюся трубу или проржавевший кузов автомобиля. Но на самом деле коррозионное разрушение может происходить и в сухих газах, и в жидкостях, и даже под действием микроорганизмов. Чтобы разобраться, как именно протекает этот процесс, учёные делят коррозию на химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия — реакция в один акт
Представим себе кусочек магния, который нагревается в кислороде. В какой-то момент металл воспламеняется ярким белым пламенем и превращается в порошок оксида магния. Вся реакция — это обмен электронами между атомами магния и кислорода. Магний отдаёт электроны, кислород принимает их, и образуется новое соединение. Всё происходит как единый акт, без промежуточных стадий.
Именно так протекает химическая коррозия. Она характерна для сухих газов или жидкостей, которые не проводят электрический ток. Её скорость зависит от температуры, концентрации веществ, порядка реакции. Но есть важная особенность: химическая коррозия не зависит от приложенного электрического потенциала.
Примеры:
- образование тонкой оксидной плёнки на поверхности алюминия или меди в воздухе;
- появление окалины на деталях нагревательных элементов;
- разрушение металлов в атмосфере при температурах выше 200 °C;
- коррозия обшивки космических аппаратов при вхождении в атмосферу на гиперзвуковых скоростях.
Химическая коррозия, как правило, наблюдается там, где металл подвергается воздействию агрессивных газов или жидкостей-неэлектролитов, например, жидкого брома или органических растворителей.
Электрохимическая коррозия — процесс в несколько шагов
Теперь рассмотрим тот же магний, но уже не в сухом воздухе, а в воде, где растворён кислород. В этой среде процесс идёт иначе.
Металл начинает растворяться: атомы магния превращаются в ионы Mg²⁺, а на его поверхности остаются электроны. Этот участок называют анодом. Освободившиеся электроны перемещаются к другому участку поверхности — катоду, где они восстанавливают кислород, растворённый в воде. В результате образуются гидроксильные ионы, и металл постепенно разрушается.
Так протекает электрохимическая коррозия. Она многоступенчатая и включает три стадии:
- ионизация металла;
- перенос электронов;
- восстановление окислителя.
Главные особенности:
- скорость зависит от приложенного потенциала;
- процессы окисления и восстановления могут быть пространственно разделены;
- для протекания нужен электролит — среда, которая проводит ток.
Примеры:
- ржавление железа во влажной атмосфере;
- разрушение корпуса корабля в морской воде;
- коррозия трубопроводов в почве;
- растворение металлов в кислотах.
Именно электрохимическая коррозия является самой распространённой в природе и технике.
Коррозия в разных средах
Учёные классифицируют коррозию не только по механизму, но и по условиям протекания.
Газовая коррозия чаще всего химическая, возникает при высоких температурах, например в печах и турбинах. Но бывают случаи, когда газовая среда становится проводящей (например, при наличии твёрдых электролитов), и тогда процесс приобретает электрохимический характер.
Жидкостная коррозия может быть и химической (в неэлектролитах), и электрохимической (в водных растворах). Сюда относят атмосферную коррозию (через тонкую влаговую плёнку), подводную (в морях и реках), почвенную (во влажных грунтах). Особые разновидности — коррозия по ватерлинии и при переменном погружении, где металл одновременно контактирует с водой и воздухом.
Биокоррозия — разрушение, вызванное микроорганизмами. Оно может быть косвенным (через продукты их жизнедеятельности) или прямым (когда металл участвует в метаболизме).
Особые случаи электрохимической коррозии
Существуют формы, при которых электрохимические процессы становятся особенно агрессивными:
- галваническая коррозия — возникает, если соединить два разных металла в электролите; менее благородный металл разрушается быстрее;
- коррозия от внешних токов — например, при воздействии линий электропередач;
- блуждающие токи — неконтролируемые токи в почве, которые вызывают разрушение подземных конструкций;
- щелевая коррозия — локальные очаги разрушения в трещинах и зазорах, где задерживается влага.
Итоги
Химическая и электрохимическая коррозия — это два разных механизма одного процесса. Первая протекает напрямую, без участия электричества, и зависит в основном от химии реагентов. Вторая — многоступенчатая, она требует электролита и зависит от потенциалов.
Большинство реальных разрушений металлов — это именно электрохимическая коррозия. Но понимание обеих форм важно, ведь от правильной диагностики зависит выбор мер защиты: где-то достаточно защитного покрытия, а где-то нужна катодная защита, ингибиторы или продуманное проектирование конструкции.