Почему ржавеет гвоздь?
Кандидат химических наук Татьяна Зимина.
Давайте вспомним, откуда берётся железо или, например, алюминий. Правильно, их выплавляют из руды — железной, марганцевой, магниевой, алюминиевой и др. Металлы в рудах содержатся в основном в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов, сульфидов, то есть в виде химических соединений с кислородом, водой, серой и пр.
В природе в металлическом, или свободном, состоянии в основном можно встретить лишь золото, платину, иногда серебро. Эти металлы устойчивы, то есть не стремятся (или слабо стремятся) образовывать химические соединения. Наверное, по этой причине они получили название благородных.
Что же до подавляющего большинства металлов, то, чтобы они находились в свободном состоянии, их надо восстановить из природных рудных соединений, то есть выплавить. Выходит, выплавляя металл, мы переводим его из устойчивого состояния в неустойчивое. Вот он и стремится вернуться в исходное состояние — окислиться. Это и есть коррозия — естественный для металлов процесс разрушения при взаимодействии с окружающей средой. Частный случай коррозии — ржавление — образование на железе гидроксида железа Fe(ОН)3. Этот процесс может протекать только в присутствии влаги (воды или водяных паров).
Но почему же тогда не рушатся в одночасье мосты, не рассыпаются мгновенно самолёты и автомобили? Да и кастрюльки со сковородками не превращаются на наших глазах в рыжий, чёрный или серый порошок. К счастью, реакции окисления металлов протекают не столь стремительно. Как и любой процесс, они идут с определённой скоростью, порою очень небольшой. Более того, есть много способов замедлить коррозию.
Плечо друга
Вы замечали, что на нержавеющей стали не бывает ржавчины, хотя её основу составляет то же самое железо, которое при окислении (в присутствии воды или водяного пара) превращается в рыжий мохнатый гидроксид. Тут есть одна хитрость: нержавеющая сталь — это сплав железа с другими металлами. Введение в металлические сплавы элементов для придания им тех или иных свойств называется легированием.
Основной легирующий элемент, который добавляют к обычной (углеродистой) стали, чтобы получить нержавеющую, — хром. Этот металл тоже стремится окислиться, что он с успехом и делает гораздо охотнее и быстрее, чем само железо. При этом на поверхности нержавеющей стали быстро образуется плёнка из оксида хрома. В отличие от рыхлой ржавчины компактный тёмный оксид хрома не даёт агрессивным ионам окружающей среды проникать к поверхности металла, то есть оксид попросту прикрывает собой металл, и процесс коррозии прекращается. Такие оксидные плёнки называются защитными. В нержавеющих сталях хрома должно быть строго определённое количество, но не менее 13%. Кроме хрома в нержавеющие стали часто добавляют никель, молибден, ниобий и титан.
Благодаря защитным плёнкам многие металлы неплохо выдерживают воздействие различных сред. Возьмём, к примеру, алюминиевую кастрюльку, в какой кипятят молоко или варят манную кашу. Обычно такая кастрюлька не блестит, подобно хрому или нержавеющей стали, и имеет слегка белёсый цвет. Дело в том, что на алюминии, как и на других металлах, на воздухе всегда образуется белёсая оксидная плёнка (оксид алюминия), которая отлично защищает металл от коррозии. Такие плёнки называются пассивными, а металлы, на которых они самопроизвольно образуются, — пассивирующимися. Если же алюминиевую кастрюльку почистить металлической щёткой, налёт исчезнет и появится металлический блеск. Но очень быстро поверхность вновь покроется плёнкой оксида алюминия и станет белёсой.
Укрощение активных
Перевести металл в пассивное состояние можно принудительным образом. Например, железо помимо незащитных гидроксида железа или же низших оксидов (закиси и закиси-окиси) при определённых условиях образует высший оксид — окись железа (Fe2О3). Этот оксид неплохо защищает металл и его сплавы при высоких температурах на воздухе, он же (одна из его форм) «ответственен», как считают специалисты, за пассивное состояние железных сплавов во многих водных средах.
Устойчивость нержавеющей стали в крепкой серной кислоте связана именно с пассивированием стали в этой весьма агрессивной среде. Если же поместить нержавейку в слабый раствор серной кислоты, сталь начнёт корродировать. Парадокс объясняется просто: крепкая серная кислота обладает сильными окислительными свойствами, благодаря чему на поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующая плёнка, а в слабой кислоте не образуется.
В случаях, когда агрессивная среда недостаточно «окислительная», используют специальные химические добавки, помогающие образованию на поверхности металла пассивной плёнки. Такие добавки называют ингибиторами или замедлителями коррозии.
Не все металлы способны образовывать пассивные плёнки, даже принудительно. В этом случае добавление в агрессивную среду ингибитора, напротив, удерживает металл в «восстановительных» условиях, в которых его окисление подавляется (оно энергетически невыгодно).
Жертвоприношение
Искусственно поддерживать металл в «восстановительных» условиях можно и иным способом, ведь не всегда есть возможность добавить ингибитор. Возьмём, к примеру, обычное оцинкованное ведро. Оно сделано из углеродистой стали, а сверху покрыто слоем цинка. Цинк — более активный металл, чем железо, значит, он охотнее вступает в химические реакции. Поэтому цинк не просто механически изолирует стальное ведро от окружающей среды, но и «принимает огонь на себя», то есть корродирует вместо железа.
Похожим способом нередко защищают днища кораблей. Только их не покрывают сплошным слоем цинка, марганца или алюминия — это было бы очень дорого да и сложно, а прикрепляют к днищу солидный кусок более активного металла (протектора). В итоге протектор разрушается, а днище корабля остаётся целым и невредимым.
Для подземных коммуникаций «восстановительные» условия создают с помощью электрохимической защиты: накладывают на защищаемый металл отрицательный (катодный) потенциал от внешнего источника тока, так что на металле прекращается процесс окисления.
Однако зачем нужно столько разных сложных способов защиты металлов? Разве нельзя просто покрасить металл или нанести на него эмаль?
Во-первых, всё покрасить невозможно. А во-вторых… Возьмём для примера эмалированную кастрюлю или автомобиль. Если кастрюля, вырвавшись из рук, с грохотом упадёт на пол и отшибёт себе эмалированный бочок, то под отколовшейся эмалью будет зиять «чёрный глаз», края которого постепенно окрасятся в предательский рыжий цвет — скол покроется ржавчиной. Не лучшая судьба ждёт и автомобиль, если вдруг в его лаковом боку (а чаще на стыке с днищем) образуется небольшая дырочка в слое лака. Этот канал поступления к корпусу агрессивных агентов — воды, кислорода воздуха, сернистых соединений, соли — немедленно заработает, и корпус начнёт ржаветь. Вот и приходится владельцам автомобилей делать дополнительную антикоррозионную обработку.
Невидимый злодей
Так, может, проблема коррозии металлов решена? Увы, не всё так просто. Любые коррозиестойкие сплавы устойчивы только в определённых средах и условиях, для которых они разработаны. Например, большинство нержавеющих сталей отлично выдерживают кислоты, щёлочи и очень «не любят» хлориды, в которых они часто подвергаются местным видам коррозии — язвенной, точечной и межкристаллитной. Это очень коварные коррозионные разрушения. Конструкция из красивого, блестящего металла без намёка на ржавление может однажды рухнуть или рассыпаться. Всё дело в мельчайших точечных, но очень глубоких поражениях. Или же в микротрещинах, не видимых глазом на поверхности, но пронизывающих буквально всю толщу металла. Не менее опасно для многих сплавов, не подверженных общей коррозии, так называемое коррозионное растрескивание, когда внезапно конструкцию пронизывает огромная трещина. Такое случается с металлами, испытывающими длительные механические нагрузки — в самолётах и вертолётах, в различных механизмах и строительных конструкциях.
Крушение поездов, падение самолётов, разрушение мостов, выбросы газа и разливы нефти из трубопроводов — причиной подобных катастроф нередко становится коррозия. Чтобы её укротить, предстоит ещё много узнать о сложнейших природных процессах, происходящих вокруг нас.
Читайте в любое время
