Столбах, и называют его зелёной ржавчиной . Несколько видов коррозии различимы визуально или с помощью спектроскопии , они формируются при разных внешних условиях. Ржавчина состоит из гидратированного оксида железа(III) Fe 2 O 3 ·nH 2 O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH) 3). При наличии кислорода и воды и достаточном времени любая масса железа в конечном итоге преобразуется полностью в ржавчину и разрушается. Поверхность ржавчины не создаёт защиту для нижележащего железа, в отличие от образования патины на медной поверхности.

Ржавчиной как правило называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких как сталь. Многие другие металлы тоже подвергаются коррозии, но именно оксиды обычно не называют ржавчиной.

Химические реакции

Толстый слой ржавчины на звеньях цепи возле моста Золотые Ворота в Сан-Франциско. Цепь постоянно подвергается воздействию сырости и солёных брызг, вызывающих разрушение поверхности, растрескивание и шелушение металла.

Причины ржавления

Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, чугун), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, то оно начинает ржаветь. Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате электрохимических реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода. Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе (слой пассивации) защищает основную массу железа от дальнейшего окисления. Превращение же пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину является результатом комбинированного действия двух агентов, как правило, кислорода и воды. Другими разрушающими факторами являются диоксид серы и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа. В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы.

Происходящие реакции

Покрытый ржавчиной и грязью болт. Заметна точечная коррозия и постепенная деформации поверхности, вызванная сильным окислением.

Ржавление железа - это электрохимический процесс, который начинается с переноса электронов от железа к кислороду. Скорость коррозии зависит от количества имеющейся воды, и ускоряется электролитами , о чём свидетельствуют последствия применения дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановления кислорода:

O 2 + 4 e - + 2 H 2 O → 4 OH -

Поскольку при этом образуются ионы гидроксидов , этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении . Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:

Fe → Fe 2+ + 2 e −

Следующая окислительно-восстановительная реакция происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для формирования ржавчины:

4 Fe 2+ + O 2 → 4 Fe 3+ + 2 O 2−

Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:

Fe 2+ + 2 H 2 O ⇌ Fe(OH) 2 + 2 H + Fe 3+ + 3 H 2 O ⇌ Fe(OH) 3 + 3 H +

что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:

Fe(OH) 2 ⇌ FeO + H 2 O Fe(OH) 3 ⇌ FeO(OH) + H 2 O 2 FeO(OH) ⇌ Fe 2 O 3 + H 2 O

Из приведённых выше уравнений видно, что формирование продуктов коррозии обусловлено наличием воды и кислорода. С ограничением растворённого кислорода на передний план выдвигаются железо(II)-содержащие материалы, в том числе FeO и чёрный магнит (Fe 3 O 4). Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH) 3-x O x/2 . Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.

Кроме того, эти сложные процессы зависят от присутствия других ионов, таких как Ca 2+ , которые служат в качестве электролита, и таким образом, ускоряют образование ржавчины, или в сочетании с гидроксидами и оксидами железа образуют различные осадки вида Ca-Fe-O-OH.

Более того, цвет ржавчины можно использовать для проверки наличия ионов Fe2+, которые меняет цвет ржавчины с жёлтого на синий.

Предотвращение ржавления

Отслаивающаяся краска обнажает участки ржавой поверхности листового металла.

Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности нержавеющей стали формируется пассивирующий слой оксида хрома(III) . Подобное проявление пассивации происходит с магнием , титаном , цинком , оксидом цинка , алюминием , полианилином и другими электропроводящими полимерами.

Гальванизация

Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод гальванизации , который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом горячего цинкования , либо методом гальванотехники . Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей адгезией к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее является кадмий . Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает катодную защиту металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия. В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется цинк-алюм . Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту. Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные покрытия , чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

Катодная защита

Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи электрического заряда, который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью. В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс. Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным электродным потенциалом , чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

Лакокрасочные и другие защитные покрытия

От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды. История красок для нанесения на ржавчину насчитывает 50 лет, когда в Англии была изобретена краска Hammerite . Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы от коррозии. Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким рН. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё ​​является проблемой.

Покрытие слоем металла

Ржавчина может полностью разрушить железо. Обратите внимание на гальванизацию незаржавевших участков.

• Оцинковка (оцинкованное железо/сталь): железо или сталь покрываются слоем цинка. Может использоваться метод горячего цинкования или метод цинкового дутья.
• Лужение : мягкая листовая сталь покрывается слоем олова.
• Хромирование : тонкий слой хрома наносится электролитическим способом на сталь, обеспечивая как защиту от коррозии, так и яркий, полированный внешний вид. Часто используется в блестящих компонентах велосипедов, мотоциклов и автомобилей.

Воронение

Ингибиторы

Ингибиторы коррозии, как, например, газообразные или летучие ингибиторы, можно использовать для предотвращения коррозии в закрытых системах.

Экономический эффект

Ржавчина вызывает деградацию инструментов и конструкций, изготовленных из материалов на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходное железо, её нарост ведёт к быстому разрушению конструкции, усиливая коррозию на прилегающих к нему участках - явление, называемое «поеданием ржавчиной». Это явление стало причиной разрушения моста через реку Мианус (штат Коннектикут, США) в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма полностью проржавели изнутри. В результате этот механизм зацепил за угол одной из дорожных плит и сдвинул её с опор. Ржавчина была также главным фактором разрушения Серебряного моста в Западной Вирджинии в 1967 году, когда стальной висячий мост рухнул меньше, чем за минуту. Погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.

См. также

Примечания

Ссылки

• Corrosion Cost Сайт, посвященный изучению экономических последствий коррозии

XV Городская научно-практическая конференция школьников

«Юность. Наука. Творчество»,

Секция начальной школы

Исследовательская работа

« Что такое ржавчина и её роль в экологии»

Выполнила:

ученица 4 «З» класса

МБОУ СОШ №3

Консультант:

педагог дополнительного

образования Центра

внешкольной работы

ЗАТО г. Межгорье

ВВЕДЕНИЕ. 3

РОЛЬ МЕТАЛЛОВ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.. 6

МЕТАЛЛЫ И РЖАВЧИНА.. 7

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 9

ЖЕЛЕЗО И ЭКОЛОГИЯ.. 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 15

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 19

ПРИЛОЖЕНИЕ. 20

ВВЕДЕНИЕ

5) водопроводная вода.

Поместив железные гвозди в различные среды на длительный срок (4 месяца) и наблюдая за ними, получил такие результаты:

1. В щелочной среде гвоздь остался без изменений.

2. В кислой среде гвоздь изъеден уксусной кислотой.

3. В дистиллированной воде гвоздь покрылся тонким слоем рыхлой ржавчины.

4. В водопроводной воде гвоздь покрылся толстым плотным слоем ржавчины.

5. В водопроводной воде окрашенный гвоздь остался без изменения.

Вывод:

· водопроводная вода - самая благоприятная среда для возникновения ржавчины , так как в ней содержится много примесей;

· самая благоприятная среда предохранения железа от ржавчины – щелочная, так как добавление соды к воде, ослабило коррозию металла;

· окрашенный гвоздь, покрытый эмалью, не ржавеет, так как слой эмали является защитным покрытием.

Проблема защиты металлов от коррозии возникла очень давно, почти сразу же как человек начал их использовать. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел или покрытием другими металлами. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до н. э.) уже упоминается о применении олова для защиты железа от коррозии.

А какие ещё металлы могут защитить железо от разложения?

Для этого я решила узнать, как различные металлы противостоят коррозии и провести следующий опыт.

ОПЫТ 2. «Как различные металлы противостоят коррозии»

Цель опыта: выяснить, какой металл и при каких условиях подвергается коррозии быстрее всего.

Материалы и оборудование: для проведения эксперимента понадобилось 5 гвоздей, 5 пробирок, 5 стаканов с различными растворами:

1) соль + сода + железный гвоздь;

2) соль + железный гвоздь;

3) соль + железный гвоздь, обмотанный медной проволокой;

4) соль + железный гвоздь, обмотанный алюминиевой проволокой;

5) простая водопроводная вода + железный гвоздь.

В каждом растворе находится гвоздь, закрытый пробиркой. Внутри пробирки остается пространство с воздухом.

Через некоторое время мои наблюдения привели к следующим результатам :

1. Сравним стаканы № 2 и № 3. В обоих случаях железо находилось в одном и том же растворе, только в стакане № 3 оно соприкасалось с медью. В обоих случаях произошла коррозия, и появился бурый осадок ржавчины. Только в стакане № 3 ржавчины получилось много, а в стакане № 2 - мало. Поэтому и расход кислорода в № 3 большой, вода в пробирке поднялась высоко, во 2-ом расход кислорода мал, поэтому вода поднялась немного.

2. Сравним стакан № 1 с раствором соли и соды со стаканом № 2 с раствором соли. В обоих случаях произошла коррозия, но добавление соды к раствору соли, ослабило коррозию. Из-за создания щелочной среды, ржавчины образовалось мало, кислорода в пробирке использовалось меньше, вода вверх не поднялась.

3. Сравним стаканы № 2 и № 4. Оба гвоздя находились в одном растворе, только теперь гвоздь соприкасался с алюминиевой проволокой. В обоих случаях произошла коррозия, только осадки получились разного цвета. Следовательно, в опыте № 4 коррозировало не железо, а алюминий.

Вывод: большое количество ржавчины образовалось в стаканах № 2, 3, 5, незначительное количество ржавчины – в стакане № 1, а в стакане № 4 ржавчина не образовалась.

Разобраться с данным результатом помогла учитель химии. Она показала электрохимический ряд активности металлов и объяснила, что чем левее находится металл в этом ряду, тем он активнее.

Алюминий Al находится левее, чем железо Fe , поэтому его активность больше. В стакане № 4 ржавчины нет, произошла коррозия - образовался оксид алюминия.

Медь Cu находится правее от железа Fe и менее активен, в стакане № 3 произошла коррозия железа и образовался оксид меди.

Вывод:

1. Коррозия металлов (разрушение) не имеет положительных эффектов, и поэтому весь научный мир усиленно ищет способы защиты металлических конструкций от любых видов коррозии.

2. Коррозия металла резко усиливается , если железо соприкасается с менее активным металлом, расположенным правее, чем железо.

3. Коррозия замедляется , если железо соприкасается с более активным металлом, расположенным левее, чем железо.

4. Скорость коррозии металла зависит от состава омывающей металл среды. Одни из сред усиливают коррозию, а другие - ослабляют.

4. Чем больше в железе примесей , тем легче оно покрывается ржавчиной и постепенно разрушается.

5. Легче предупредить ржавчину , чем остановить её, когда она появилась.

Человечество в процессе жизнедеятельности влияет на различные экологические системы. Примером отрицательных воздействий являются несанкционированные свалки металлолома. В процессе своей эксплуатации изделия из металла покрываются различными химическими составами: красителями, растворителями, машинными маслами, моющими средствами , антикоррозийными покрытиями и выбрасываются в окружающую среду (см. Приложение).

Они наносят вред естественным местам обитания животных и растений, изменяют природные ландшафты, вызывают осложнение экологической и санитарной обстановки в населенных пунктах.

Изменения, происходящие в природе, в результате образования свалки влекут за собой следующие последствия:

1) опасные вещества с поверхности металла просачиваются в почву и подземные воды и являются угрозой заражения почвы, питьевой воды ;

2) изменяется микроклимат вокруг свалки, который отрицательно влияет на растительный и животный мир (куски металлов травмируют животных).

Время, затраченное для разложения железа, составляет: на землелет, в пресной воде – около 3 – 5 лет, в солёной воде – 1 - 2 года.

Наиболее эффективным способом решения проблемы является вторичная переработка (переплавка) металла. Для этого нужно возобновлять сборы металлолома, макулатуры, стеклопосуды. В решении этой проблемы активно могут участвовать и школьники и взрослые. Каждый человек с детских лет должен уважительно относиться к окружающей его природе, земле, почве.

Вывод:

1. Современное состояние почвенного покрова нашей страны неудовлетворительное и продолжает ухудшаться.

2. Человек разрушает сложившиеся связи в природной экосистеме. Это может привести к экологической катастрофе.

3. Возобновление сбора металлолома для вторичной переработки сохранит окружающую экосистему.

Исходя из выводов, можно перечислить следующие способы предупреждения и борьбы с коррозией на практике.

Способы предупреждения и борьбы с коррозией на практике:

l взаимодействие с более активными металлами (например, к трубопроводам и корпусам судов при длительной стоянке присоединяют слитки из магния или цинка);

l покрытие лаками, красками, смазками, защитными слоями из других металлов (установлено, что идеальная защита от коррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20 % качеством используемых лакокрасочных материа­лов и способом их нанесения);

l добавление специальных веществ (ингибиторов), которые замедляют коррозию.

Например:

1. Знаменитая Эйфелева башня, покрыта защитной краской. Общий вес краски превышает несколько тонн.

2. Ядро планеты Земля состоит на 35% из железа и никеля.

3. Около города Дели в Индии стоит железная колонна, которая не ржавеет, хотя её возраст почти 2800 лет. Это знаменитая Кутубская колонна высотой около семи метров и массой 6,5 тонн. Надпись на колонне говорит о том, что она была поставлена в IX веке до нашей эры. Колонна была изготовлена из очень чистого металла: железа в колонне оказалось 99,72%. Этим и объясняется её долговечность.

Изучая и рассматривая литературу, я узнала, что железо не причисляют к «благородным» металлам. Но благодаря свойству ржаветь железо и есть самый «благородный» металл, самый настоящий из всех. Если бы железо, подобно серебру и золоту, не ржавело, то есть не окислялось, то мы не существовали бы, и ни одно растение не зеленело бы на Земле. Все краски, какими обладает наша Земля, все цвета, которыми блещет рубин, зависят от присутствия в нем окисленного железа.

Растворенная в воде ржавчина составляет часть пищи растений и придает им зеленый цвет. Из-за недостатка ионов железа растения бледнеют. Та же «ржавчина» (ионы железа) снабжает нашу кровь и придает ей красный цвет.

Подбирая информацию о ржавчине, я узнала, что у растений существует болезнь, вызываемая ржавчинными грибами. Она поражает многие сельскохозяйственные, лесные и декоративные культуры. На растениях образуются споры гриба, из которых высыпается ржавый порошок. Урожайность резко снижается.

Существуют также ржавчинные грибы. Насчитывается свыше 5 000 видов. Некоторые из них являются возбудителями ржавчины растений. Например, споры хлебной ржавчины. Грибок зимует в виде черной гнили. Зимние споры прорастают весной на барбарисе, откуда болезнь переносится на злаки.

Споры хлебной ржавчины (вид под микроскопом)

Лист, пораженный ржавчинным грибом

А это - золотистая ржавчина хвои ели. Развивается на листьях багульника, затем переходит на ель. Пораженная отмирающая хвоя ярко-оранжевой окраски четко выделяется на темно-зеленом фоне здоровой кроны.

https://pandia.ru/text/77/498/images/image022_2.jpg" alt="John Ruskin.jpg" width="233" height="231">

Исходя из выше сказанного, я могу утверждать, что, несмотря на все потери и ущерб, которые наносит ржавчина деятельности человека, без нее мы не смогли бы существовать. Значит, моя гипотеза нашла свое подтверждение: если железо ржавеет, то есть разлагается, значит, это необходимое явление для всего живого в природе. Но это не говорит о том, что человек должен бесконечно добывать из недр земли все её богатства и расточительно их использовать. Мы должны научиться беречь природу и её богатства, она не прощает ошибок.

1. Ненси К. О"Лири, Сьюзен Шелли. Увлекательные опыты. Перевод с английского А. Галыгина, В. Герцика, Н. Харламовой.– М.: АСТ», «Издательство Астель», 2009

2. Большая энциклопедия «Почемучек».- М.: «РОСМЭН», 2006

3. Я познаю мир. АСТ», 1999

4. Познавательный журнал «Детская энциклопедия» № 12-97: «Металлы от А до Я». Москва, 1996

5. За страницами учебника географии. Просвещение, 1988

6. Интернет – сайт «Википедия»

7. Интернет – сайт «Почемучки. ru»

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ РЖАВЧИНЫ

https://pandia.ru/text/77/498/images/image024_3.jpg" alt="http:///rwx/crust02.jpe" width="257" height="270">

1 этап 2 этап

Приложение

РЕЗУЛЬТАТ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Загрязнение природы отходами жизнедеятельности человека

https://pandia.ru/text/77/498/images/image028_1.png" alt="G:\Грамота\свалка1.jpg" align="left" width="592 height=380" height="380" style="margin-top: 1px;margin-bottom:2px">Отечественный автомобиль «Победа»

Легендарная подводная лодка «Курск»

Что есть общего между ржавым гвоздем, проржавевшим мостом или прохудившимся железным забором? Отчего вообще ржавеют железные конструкции и изделия из железа? Что такое ржавчина как таковая? На эти вопросы постараемся дать ответы в нашей статье. Рассмотрим причины ржавления металлов и способы защиты от этого вредного для нас природного явления.

Причины ржавления

Все начинается с добычи металла. Не только железо, но и, например, и магний - добывают изначально в виде руды. Алюминиевая, марганцевая, железная, магниевая руды содержат в себе не чистые металлы, а их химические соединения: карбонаты, оксиды, сульфиды, гидроксиды.

Это химические соединения металлов с углеродом, кислородом, серой, водой и т. д. Чистых металлов в природе раз, два и обчелся — платина, золото, серебро — благородные металлы - они встречаются в форме металлов в свободном состоянии, и не сильно стремятся к образованию химических соединений.

Однако большинство металлов в природных условиях все же не являются свободными, и чтобы высвободить их из исходных соединений, необходимо руды плавить, восстанавливать таким образом чистые металлы.

Но выплавляя металлсодержащую руду, мы хоть и получаем металл в чистом виде, это все же состояние неустойчивое, далекое от естественного природного. По этой причине чистый металл в обычных условиях окружающей среды стремится вернуться назад в исходное состояние, то есть окислиться, а это и есть коррозия металла.

Таким образом, коррозия является естественным для металлов процессом разрушения, происходящим в условиях их взаимодействия с окружающей средой. В частности ржавление — это процесс образования гидроксида железа Fe(ОН)3, который протекает в присутствии воды.

Но на руку людям играет тот естественный факт, что окислительная реакция протекает в привычной нам атмосфере не особо стремительно, она идет с очень небольшой скоростью, поэтому мосты и самолеты не разрушаются мгновенно, а кастрюли не рассыпаются на глазах в рыжий порошок. К тому же коррозию в принципе можно замедлить, прибегнув к некоторым традиционным хитростям.

Например, нержавеющая сталь не ржавеет, хотя и состоит из железа, склонного к окислению, она тем не менее не покрывается рыжим гидроксидом. А дело здесь в том, что нержавеющая сталь — это не чистое железо, нержавеющая сталь — это сплав железа и другого металла, главным образом — хрома.

Кроме хрома в состав стали могут входить никель, молибден, титан, ниобий, сера, фосфор и т. д. Добавление в сплавы дополнительных элементов, ответственных за определенные свойства получаемых сплавов, называется легированием.

Пути защиты от коррозии

Как мы отметили выше, главным легирующим элементом, добавляемым к обычной стали для придания ей антикоррозийных свойств, является хром. Хром окисляется быстрее железа, то есть принимает удар на себя. На поверхности нержавеющей стали, таким образом, появляется сначала защитная пленка из оксида хрома, которая имеет темный цвет, и не такая рыхлая как обычная железная ржавчина.

Оксид хрома не пропускает через себя вредные для железа агрессивные ионы из окружающей среды, и металл оказывается защищенным от коррозии, словно прочным герметичным защитным костюмом. То есть оксидная пленка в данном случае несет защитную функцию.

Количество хрома в нержавеющей стали, как правило, не ниже 13%, чуть меньше в нержавеющей стали содержится никеля, и в гораздо меньших количествах имеются другие легирующие добавки.

Именно благодаря защитным пленкам, принимающим на себя воздействие окружающей среды первыми, многие металлы получаются стойкими к коррозии в различных средах. Например, ложка, тарелка или кастрюля, изготовленные из алюминия, никогда особо не блестят, они, если присмотреться, имеют белесый оттенок. Это как раз оксид алюминия, который образуется при контакте чистого алюминия с воздухом, и защищает затем металл от коррозии.

Пленка оксида возникает сама, и если зачистить алюминиевую кастрюлю наждачной бумагой, то через несколько секунд блеска поверхность снова станет белесой — алюминий на зачищенной поверхности вновь окислится под действием кислорода воздуха.

Поскольку пленка оксида алюминия образуется на нем сама, без особых технологических ухищрений, она называется пассивной пленкой. Такие металлы, на которых оксидная пленка образуется естественным образом, называются пассивирующимися. В частности алюминий — пассивирующийся металл.

Некоторые металлы принудительно переводят в пассивное состояние, например высший оксид железа — Fe2О3 способен защитить железо и его сплавы на воздухе при высоких температурах и даже в воде, чем не может похвастаться ни рыжий гидроксид, ни низшие оксиды все того же железа.

Есть в явлении пассивации и нюансы. Например, в крепкой серной кислоте мгновенно пассивированная сталь оказывается устойчивой к коррозии, а в слабом растворе серной кислоты тут же начнется коррозия.

Почему так происходит? Разгадка кажущегося парадокса состоит в том, что в крепкой кислоте на поверхности нержавеющей стали мгновенно образуется пассивирующая пленка, поскольку кислота большей концентрации обладает ярко выраженными окислительными свойствами.

В то же время слабая кислота не окисляет сталь достаточно быстро, и защитная пленка не формируется, начинается просто коррозия. В таких случаях, когда окисляющая среда не достаточно агрессивна, для достижения эффекта пассивации прибегают к специальным химическим добавкам (ингибиторам, замедлителям коррозии), помогающим образованию пассивной пленки на поверхности металла.

Так как не все металлы склонны к образованию на их поверхности пассивных пленок, даже принудительно, то добавление замедлителей в окисляющую среду попросту приводит к превентивному удержанию металла в условиях восстановления, когда окисление энергетически подавляется, то есть в условиях присутствия в агрессивной среде добавки оказывается энергетически невыгодным.

Есть и другой путь удержания металла в условиях восстановления, если нет возможности использовать ингибитор, - применить более активное покрытие: оцинкованное ведро не ржавеет, поскольку цинк покрытия корродирует при контакте с окружающей средой вперед железа, то есть принимает удар на себя, являясь более активным металлом, цинк охотнее вступает в химическую реакцию.

Днище корабля часто защищено аналогичным образом: к нему крепят кусок протектора, и тогда протектор разрушается, а днище остается невредимым.

Электрохимическая антикоррозийная защита подземных коммуникаций — также весьма распространенный путь борьбы с образованием на них ржавчины. Условия восстановления создаются подачей отрицательного катодного потенциала на металл, и в таком режиме процесс окисления металла уже не сможет протекать просто энергетически.

Кто-то может спросить, почему подверженные риску коррозии поверхности просто не красят краской, почему бы просто не покрывать каждый раз эмалью уязвимую к коррозии деталь? Для чего нужны именно разные способы?

Ответ прост. Эмаль может повредиться, например автомобильная краска может в неприметном месте отколоться, и кузов начнет постепенно но непрерывно ржаветь, поскольку сернистые соединения, соли, вода, кислород воздуха, - станут поступать к этому месту, и в итоге кузов будет разрушаться.

Чтобы такое развитие событий предотвратить, прибегают к дополнительной антикоррозийной обработке кузова. Автомобиль — это не эмалированная тарелка, которую можно в случае повреждения эмали просто выбросить, и купить новую..

Текущее положение дел

Несмотря на кажущуюся изученность и проработанность явления коррозии, несмотря на применяемые разносторонние методы защит, коррозия по сей день представляет определенную опасность. Трубопроводы разрушаются и это приводит к выбросам нефти и газа, падают самолеты, терпят крушение поезда. Природа более сложна, чем может показаться на первый взгляд, и человечеству предстоит изучить еще многие стороны коррозии.

Так, даже коррозиестойкие сплавы оказываются стойкими лишь в некоторых предсказуемых условиях, для работы в которых они изначально предназначены. Например, нержавеющие стали не терпят хлоридов, и поражаются ими — возникает язвенная, точечная и межкристальная коррозия.

Внешне без намека на ржавчину конструкция может внезапно рухнуть, если внутри образовались мелкие, но очень глубокие поражения. Микротрещины, пронизывающие толщу металла незаметны снаружи.

Даже сплав не подверженный коррозии может внезапно растрескаться, будучи под длительной механической нагрузкой — просто огромная трещина внезапно разрушит конструкцию. Такое уже случалось по всему миру с металлическими строительными конструкциями, механизмами, и даже с самолетами и вертолетами.

Андрей Повный

При отсутствии кислорода. Такое вещество образуется, в частности, в арматуре , используемой в подводных бетонных столбах, и называют его зелёной ржавчиной . Несколько видов коррозии различимы зрительно или с помощью спектроскопии , они образуются при разных внешних условиях. Ржавчина состоит из гидратированного оксида железа(III) Fe 2 O 3 ·nH 2 O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH) 3). При наличии кислорода и воды и достаточном времени любая масса железа в конечном итоге преобразуется полностью в ржавчину и разрушается. Поверхность ржавчины не создаёт защиту для нижележащего железа, в отличие от образования патины на медной поверхности.

Ржавчиной, как правило, называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких как сталь. Многие другие металлы тоже подвергаются коррозии, но именно окислы железа обычно называют ржавчиной.

Химические реакции

Причины ржавления

Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, углерод), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, то оно начинает ржаветь. Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате электрохимических реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода. Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе (слой пассивации) защищает основную массу железа от дальнейшего окисления. Превращение же пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину является результатом комбинированного действия двух реагентов, как правило, кислорода и воды. Другими разрушающими факторами являются диоксид серы и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа. В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы.

Происходящие реакции

Ржавление железа - это электрохимический процесс, который начинается с переноса электронов от железа к кислороду. Скорость коррозии зависит от количества имеющейся воды, и ускоряется электролитами , о чём свидетельствуют последствия применения дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановление кислорода:

O 2 + 4 e − + 2 H 2 O → 4 OH −

Поскольку при этом образуются гидроксид-анионы , этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении . Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:

Fe → Fe 2+ + 2 e −

Следующая окислительно-восстановительная реакция происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для формирования ржавчины:

4 Fe 2+ + O 2 → 4 Fe 3+ + 2 O 2−

Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:

Fe 2+ + 2 H 2 O ⇌ Fe(OH) 2 + 2 H + Fe 3+ + 3 H 2 O ⇌ Fe(OH) 3 + 3 H +

что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:

Fe(OH) 2 ⇌ FeO + H 2 O Fe(OH) 3 ⇌ FeO(OH) + H 2 O 2 FeO(OH) ⇌ Fe 2 O 3 + H 2 O

Из приведённых выше уравнений видно, что формирование продуктов коррозии обусловлено наличием воды и кислорода. С ограничением растворённого кислорода на передний план выдвигаются железо(II)-содержащие материалы, в том числе FeO и чёрный магнит (Fe 3 O 4). Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH) 3-x O x/2 . Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.

Кроме того, эти сложные процессы зависят от присутствия других ионов, таких как Ca 2+ , которые служат в качестве электролита, и таким образом, ускоряют образование ржавчины, или в сочетании с гидроксидами и оксидами железа образуют различные осадки вида Ca-Fe-O-OH.

Более того, цвет ржавчины можно использовать для проверки наличия ионов Fe2+, которые меняют цвет ржавчины с жёлтого на синий.

Предотвращение ржавления

Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующий слой оксида хрома(III) . Подобное проявление пассивации происходит с магнием , титаном , цинком , оксидом цинка , алюминием , полианилином и другими электропроводящими полимерами.

Гальванизация

Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод гальванизации , который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом горячего цинкования , либо методом гальванотехники . Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей адгезией к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее кадмий . Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает катодную защиту металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия. В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется цинк-алюм . Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту. Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные покрытия , чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

Катодная защита

Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи электрического заряда, который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью. В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс. Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным электродным потенциалом , чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

Лакокрасочные и другие защитные покрытия

От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды. Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы коррозии. Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким рН. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё является проблемой.

Покрытие слоем металла

• Оцинковка (оцинкованное железо/сталь): железо или сталь покрываются слоем цинка. Может использоваться метод горячего цинкования или метод цинкового дутья.
• Лужение : мягкая листовая сталь покрывается слоем олова . В настоящее время практически не используется из-за высокой стоимости олова.
• Хромирование : тонкий слой хрома наносится электролитическим способом на сталь, обеспечивая как защиту от коррозии, так и яркий, полированный внешний вид. Часто используется в блестящих компонентах велосипедов, мотоциклов и автомобилей.

Воронение

Воронение - это способ, который может обеспечить ограниченную устойчивость к коррозии для мелких предметов из стали, таких как огнестрельное оружие и др. Способ состоит в получении на поверхности углеродистой или низколегированной стали или чугуна слоя окислов железа толщиной 1-10 мкм. Для придания блеска, а также для улучшения защитных свойств окисной плёнки, её пропитывают минеральным или растительным маслом.

О ржавчине рассказывается на многих сайтах. Есть много фотографий, но только изделий или, в крайнем случае, макроструктура. Как выглядит ржавчина под микроскопом?

Ржавчиной , как правило, называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких, как сталь или чугун, хотя многие другие металлы тоже подвергаются коррозии.
Все знают красный налет на поверхности металлических материалов или изделий, которые находятся под воздействием влаги или некоторых реактивов. Этот налет - окислы, которые образуются при взаимодействии железа с кислородом. Химическая формула ржавчины Fe 2 O 3  nH 2 O (гидратированный оксид трехвалентного железа), а также метагидрооксид (FeO(OH), Fe(OH) 3). На рис.1 показаны красные окислы железа - Fe 2 O 3 и Fe 3 O 4 .

Рисунок 1. Красные окислы железа: а - Fe 2 O 3 ; б - Fe 3 O 4 .

Если поверхность железных изделий не защищать, то в конце концов изделие рассыплется в порошок. Красный окисел не пассивирует поверхность, т.е. не защищает ее от дальнейшего разрушения. (Кстати, концентрированная серная кислота пассивирует поверхность. При взаимодействии железа с кислотой на поверхности железа образуется сернокислое железо и окисление железа прекращается).
Окисление возможно и на воздухе, т.к. он в наших условиях содержит некоторое количество влаги. На рис. 2 показана ржавчина на изломе пластинки быстрорежущей стали Р6М5.

Рисунок 2. Излом стали Р6М5 ; окисление в комнатных условиях; светлопольное изображение

Ржавчина образуется и при коррозии металла в почве (рис. 3 и 4). На рис. 3 показан фрагмент детали сельхозтехники, пролежавшей несколько лет в поле. Это макроструктура, которая показывает расположение окисленных участков на поверхности. Более красивую и интересную картину дает микроструктура (рис. 4). Видны кристаллы красной ржавчины (рис. 4 а) и осадки другого типа (рис. 4 б), состав которых не определялся.

Рисунок 3. Фрагмент детали сельхозтехники; почвенная коррозия.

а	б

Рисунок 4. Ржавчина и осадки на изломе детали; темнопольное изображение

Поскольку влага присутствует и в воздухе, окисляются и шлифы металлов и сплавов, хранящиеся не в специальных условиях. Окисление их усиливается еще и потому, что они протравлены. Нетравленные шлифы хранятся куда лучше. На рис. 5 показано окисление протравленных шлифов стали ШХ15. Ржавчина в основном располагается на матрице (мартенсит), карбиды (белая фаза) видны хорошо (рис. 5а). В структуре зернистого перлита (рис. 5 б) окисляется феррит, на изображении он имеет голубой и зеленый цвет; ржавчина сосредоточена в виде отельных пятен (до поры, пока не окислится весь образец).

а	б

Рисунок 5. Окисление шлифов стали ШХ15 после травления и длительного хранения в комнатных условиях: а - закалка и отпуск, равномерное окисление поверхности; б - зернистый перлит, формирование островков окисной пленки.

На рис. 6а показано крупное скопление окислов. Некоторые из них имеют красный цвет, это ржавчина, другие - светлый (рис. 6 б). Состав их не анализировали; также это может быть и пыль, поскольку шлиф находился на открытом воздухе.

Рисунок 7. Сплошной окисный слой на шлифе

Все, что содержит железо, может ржаветь. В том числе и метеориты (рис. 8).

Рисунок 8. Окислы железа на метеоритах