Korozja -Korozja chemiczna, Korozja elektrochemiczna, Metody zapobiegania korozji metali

Korozja Korozja – stopniowe niszczenie materiałów pod wpływem oddziaływania czynników środowiska. Korozja dotyczy głównie metali i ich stopów, a także tworzyw ceramicznych oraz sztucznych. Czynnikami powodującymi korozję są: procesy chemiczne, elektrochemiczne, biologiczne i mechaniczne. Największe straty w gospodarce wynikają z korozji wyrobów i konstrukcji z żelaza (stali).

Korozja chemiczna i rdza Korozja chemiczna – polega na reakcjach korodowanych materiałów pod wpływem tlenu z powietrza atmosferycznego, chloru oraz tlenków siarki i azotu (bezwodników kwasów). Procesy zachodzą na powierzchni korodowanych metali w obecności wody: 2Fe + 2H2O + O2  2Fe2+ + 4OH- Fe2+ + 2OH-  Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O  4Fe(OH)3 Wodorotlenki żelaza częściowo przechodzą w tlenki żelaza lub węglany żelaza pod wpływem CO2 z powietrza atmosfer. Rdza – mieszanina tlenków, wodorotlenków i węglanów żelaza powstająca w na powierzchni stali mającej kontakt z atmosferą - produkt reakcji żelaza z tlenem, wodą i tlenkiem węgla(IV).

Korozja chemiczna innych metali Czernienie wyrobów ze srebra: 2Ag + S  Ag2S Śniedź (patyna) na miedzi : Cu(OH)2·CuCO3 i Cu(OH)2·2CuCO3 – zielonkawa warstewka zasadowych węglanów oraz w małym stopniu siarczanów miedzi, która wytwarza się na jej powierzchni (również na stopach miedzi) w wyniku oddziaływania czynników środowiska (H2O, CO2, SO2). Patyna chroni głębsze warstwy przed dalszą korozją. Matowienie powierzchni glinu (pasywacja) – pokrywanie się warstewką Al2O3, która zapobiega procesom utleniania głębszych warstw glinu. Tlenek glinu jest odporny na działanie słabych kwasów i wody: 4Al + 3O2  2Al2O3

Korozja elektrochemiczna żelaza Korozja stopów żelaza (z wyjątkiem stali nierdzewnych) przebiega szybciej niż żelaza czystego, ponieważ procesy utlenienia przebiegają wg mechanizmu elektrochemicznego Korozja elektrochemiczna zachodzi na granicy faz: metal – roztwór elektrolitu w wyniku działania ogniw galwanicznych: (-)M1| przewodnik jonowy | M2 (+) ;gdzie M1 – metal roztwarzający się (ulegający utlenieniu), M2 – metal powodujący korozję. Ogniwa takie maja zwarte elektrody i powstają na wilgotnej powierzchni metalu (M1) pokrytego zanieczyszczeniami (M2) W przypadku stali: M1 – to żelazo (główny składnik stopu), M2 – węgiel zawarty w stali w postaci ziaren grafitu lub węglika żelaza Fe3C – cementyt.

Korozja elektrochemiczna żelaza Węglowe elektrody w ogniwie pełnią rolę obojętnej fazy metalicznej w tlenowym półogniwie redox Żelazo w mikoroogniwie jest zawsze anodą (elektrodą ujemną) natomiast grafit lub cementyt, które mają wyższe potencjał niż żelazo są katodami (elektrodami dodatnimi) Na anodzie (-): Fe - utlenieniu ulega żelazo, na katodzie (+): C/Fe3C - redukcji ulega tlen rozpuszczony w wodzie. (-)M1: Fe  Fe2+ + 2e- (+)M2: 2H2O + O2 + 4e-  4OH- Sumarycznie: 2Fe + 2H2O + O2  2Fe(OH)2 Powstający początkowo wodorotlenek żelaza(II) ulega utlenieniu pod wpływem tlenu atmosferycznego: 4Fe(OH)2 + O2  2Fe2O3·H2O + 2H2O

Korozja elektrochemiczna żelaza Schemat procesu korozji O2 O2 O2 O2 Rdza O2 4OH- + 2Fe2+ 2Fe(OH)2 O2 + 2H2O + 4e-  4OH- 4Fe(OH)2 + O2  2Fe2O3·H2O + 2H2O + - Fe2+ Fe3C – cementyt Fe2+ Żelazo 2e- Fe 2e- Fe

Wpływ czynników na szybkość korozji Korozja stali przebiega szybciej w roztworach o odczynie kwasowym a wolniej w roztworach o odczynie zasadowym (kwaśne deszcze przyspieszają korodowanie konstrukcji stalowych, odczyn zasadowy płynów chłodnicowych spowalnia procesy korozji) Korozja szybciej przebiega w roztworach soli (solanka stosowna od odśnieżania i odladzania dróg przyspiesz korowanie pojazdów) , wolnej przebiega w wodzie destylowanej Procesy korozji elektrochemicznej i chemicznej przebiegają równocześnie, a zmiany szybkości korozji chemicznej można przewidzieć na podstawie reguły Le Chateliera i zapisu równowagi procesu korozji chemicznej: 2Fe + O2 + 2H2O ↔ 2Fe2+ + 4OH- ↔ 2Fe(OH)2↓ Czynnikami przyspieszającymi korozję chemiczne są: Wzrost stężenia tlenu (przesunięcie w prawo) Wzrost ilości wody (przesunięcie w prawo) Obniżenie stężenia (OH-) prze wprowadzenie kationów H+ (przesunięcie w prawo)

Metody ochrony przed korozją Izolacja wyrobów od elektrolitu i dostępu tlenu oraz wody: smary, oleje (głównie na powierzchniach trących) powłoki malarskie, powlekanie PCV, PE. Pokrywanie powierzchni metalu cienką warstwą innego metalu (cynkowanie, miedziowanie, niklowanie, chromowanie, srebrzenie, złocenie) powłoki metaliczne pełnią dwojaką funkcje: izolacyjne oraz dwa rodzaje procesów elektrochemicznych. Ochrona katodowa, protektorowa, oksydowanie, inhibitory korozji.

Powlekanie matali wyrobów ze stali Metal powlekający o potencjale niższym od potencjału żelaza – staje się anodą (-), w przypadku uszkodzenia powłoki ulega utlenieniu, natomiast wyrób stalowy staje się katodą (+), co zapobiega utlenieniu żelaza. Zn2+ Zn2+ H2O Zn Zn Zn (-) Fe (+) 2e- 2e-

Powlekanie matali wyrobów ze stali Metal powlekający o potencjale wyższym od potencjału żelaza – staje się katodą (+), w przypadku uszkodzenia powłoki wyrób stalowy staje się anodą (-) i ulega stopniowej korozji – roztworzeniu (utlenienia) żelaza. H2O O2 O2 2H2O + O2 + 4e-  4OH- Ni (+) 2e- Fe Fe (-) 2Fe2+ + 4OH-  [2Fe(OH)2]·2 + O2  2Fe2O3·H2O + 2H2O Fe 2e-

Ochrona katodowa Ochrona katodowa – polega na połączeniu chronionego metalu z ujemnym biegunem prądu stałego i niskim napięciu, natomiast biegun dodatni jest połączony z płytą grafitową lub złomem żelaza umieszczonym w pobliżu konstrukcji stalowej - + + -

Ochrona protektorowa Ochrona protektorowa – polega na połączeniu konstrukcji stalowej z stosunkowo dużą płytą metalu o niższym potencjale niż żelazo (najczęściej montuje na rurociągach lub kadłubach statków płyty magnezowe). Metal o niższym potencjale pełni rolę anody i ulega stopniowemu roztworzeniu, a konstrukcja stalowa stanowi katodę i nie ulega utlenieniu. Płyty magnezowe muszą być ciągle uzupełniane. Rurociąg stalowy (+) Płyty magnezu (-)

Oksydowanie i inhibitory Oksydowanie – polega na wytworzeniu na powierzchni chronionego metalu szczelnej i zwartej powłoki tlenków tych metali (metoda stosowana przy produkcji broni palnej) W warunkach domowych wyroby stalowe można oksydować przez gotowanie ich w stężonym roztworze NaNO2 z dodatkiem NaOH Inhibitory – związki obniżające szybkość reakcji chemicznych, po wprowadzeniu ich do elektrolitu, w którym zanurzony jest chroniony wyrób metalowy opóźniają proces utlenienia poprzez absorbowanie się na powierzchni metalu i izolowanie dostępu do niego czynników korodotwórczych.