Разрушитель — часть 1
У каждого есть враг, и металлы не исключение. Преследователем их является коррозия, проявляющаяся в случае сплавов железа в виде красной ржавчины. В борьбе с ним задействованы многочисленные ученые и огромные ресурсы, а ключевую роль в борьбе за здоровье металлов играет химия.
Но, поскольку этот самый распространенный, это не просто чешуйчатая поверхность и красно-коричневые налеты На ней. Это враг, несущий смерть и разрушение. Не думайте, что автор впал в преувеличение. Сломанный коленчатый вал двигателя, дырявый корпус корабля, ослабленная стенка гидробака или заклинивший тормоз = рецепт катастрофы. Плюс небольшие неудобства в быту: проржавевшая велосипедная цепь и заклинившие винты (1). , каждый год четверть выпускаемой стали приходится на звание эсминца. Выхода нет, химик должен хорошо знать врага.
1. Всепроникающая ржавчина
Рассчитывает коррозию
Первый вопрос, на который нужно ответить: должны ли металлы подвергаться коррозии? К сожалению, да, естественное состояние большинства металлов окисленное состояние, то есть в виде химические соединения (). С большим трудом и затратами люди добывают их из руд, но тогда на первый план выходят законы природы и металлы пытаются вернуться в свое естественное состояние. Вот почему металлы должны ржаветь, а роль специалистов (и нас самих как пользователей) — замедлить этот процесс.
Коррозия общий термин для обозначения разрушения строительных материалов, а не только самих металлов (речь идет, например, о коррозии бетона). Однако в случае последнего, особенно стального, он наиболее опасен из-за широкого применения. Коррозию можно разделить на несколько типов химическая коррозия, то есть реакции с атмосферными газами и водой. В случае железа это образование оксида (в сухой атмосфере):
или гидроксид в присутствии влаги:
Коррозия других металлов она аналогична и обычно заканчивается на этой стадии, а образующийся на поверхности оксид, гидроксид или карбонат защищает более глубокие слои металла. Во-первых, он достаточно легко окисляется до трехвалентных соединений, а во-вторых, продукты окисления не прочно связаны с подложкой, а торчат из нее (вы наверняка видели отслаивающуюся ржавчину) и обнажают новые фрагменты поверхности металла, подвергая ее дальнейшему воздействию. ухудшение.
Известно, что нагревание увеличивает скорость химических превращений. При высоких температурах металлы подвержены газовой коррозии., то есть реакции с различными газами, не только с кислородом, но, например, с азотом, монооксидом углерода или водородом.
Проникновение газов в металл изменяет его свойства и может ослабить структуру. Это особенно опасно водородная коррозияпотому что атомы водорода (наименьшие из атомов, облегчающие им проникновение) буквально разрывают структуру металла. Газовая коррозия в основном проблема химической промышленности, но ее последствия можно наблюдать в виде синеватых участков, появляющихся на свариваемых деталях или на горелках газовой плиты (2). Интересно, газовая коррозия в некоторых случаях он используется по назначению (см. Преимущества коррозии).
2. Химическая коррозия вокруг сварного шва, вызванная локальным нагревом стали (источник: Википедия, автор: Янник Тротье)
Металлы также подвергаются нападению со стороны микроорганизмы, а точнее, продукты метаболизма, которые они производят. Наиболее вредными из них являются сульфиды и сероводород, с которыми справится даже нержавеющая сталь. Поэтому к списку угроз присоединяется и биологическая коррозия.
Как вы видели, коррозия многолика. Однако самые опасные из них, несущие настоящие разрушения, еще впереди.
Большая еда
Термин коррозия происходит от латинского слова corrosio, что означает «есть». Оставаясь с «кулинарными» сравнениями: насколько представлено выше виды химической коррозии они только «лижут» металлические поверхности, вот и все электрохимическая коррозия буквально поглощает их.
Почему следующий сорт называется электрохимический? Чистое железо, относительно медленно вызывает коррозию, не используется в качестве строительного материала. С другой стороны, сплавы — различные марки стали и чугуна — должны содержать непременную добавку углерода. Кристаллы графита и Fe цементит3C, однако, образуют гальванические элементы с железом. При наличии электролита (например, воды с растворенными газами и солями) цепь замыкается, протекает ток и начинают происходить неблагоприятные процессы. Их скорость несравненно выше, чем при химической коррозии, поэтому название главы вовсе не является преувеличением.
Анодом (см.: Анод и катод) в возникающих гальванических элементах является железо, которое окисляется до двух положительных катионов: (А)
На втором электроде (графитовом или цементитовом) могут протекать различные реакции. Чаще всего это катодное восстановление растворенного в воде кислорода: (К1)
или (в отсутствие кислорода) вода: (K2)
Если среда кислая, ионы водорода также восстанавливаются: (K3)
Фактически все три катодных процесса протекают в определенной степени в зависимости от состава электролита, температуры и других факторов. Помните, что на аноде происходит разрушение железа, а среда вокруг катода становится более щелочной (3).
3. Схема реакций, протекающих при электрохимической коррозии (подробности в тексте)
Если сложить стороны уравнения реакций А и К1 (в первой из них удвоить коэффициенты, чтобы сбалансировать число электронов), то получится уравнение, идентичное записи образование гидроксида железа из предыдущей главы (Fe2+ я ОН— это соединение выпадает в осадок). Изменения, происходящие в клетках, такие же, как и в пробирке. Отличие заключается в разделении процессов окисления и восстановления в пространстве. В последующих реакциях (только химических) образуется смесь гидроксидов, гидратированных оксидов железа и карбонатов, т. е. буро-красная ржавчина.
Знай врага
Еще в VI веке до нашей эры китайский мудрец Сунь-Цзы в своем трактате «Искусство войны» подчеркивал, что необходимым элементом для победы является хорошее знание противника. Так что прежде чем заниматься антикоррозийными методами, узнайте о факторах, вызывающих ее и ускоряющих ее. Вам, конечно же, поможет опыт, к тому же это очень просто и не требует никаких профессиональных реагентов или оборудования.
Anoda i katoda
Эти две концепции часто сложны. В общем анод к электродуток втекает в систему, а катод проводит его наружу. В электрохимических системах анод представляет собой электрод, на котором происходит окисление, т. е. отдача электронов (предполагалось, что направление тока совпадает с движением положительных зарядов, поэтому электроны движутся «против тока»). На катоде происходит восстановление, то есть принятие электронов.
Зная, что на аноде электроны забираются у чипа и передаются ему на катоде, у вас больше не возникнет затруднений с определением меток электродов. В ячейке (реакции протекают самопроизвольно) анод отрицательный, а катод положительный. В электролизере внешний источник тока форсирует реакции, и знаки электродов противоположны.
Подготовьте шесть пробирок, шесть обычных стальных гвоздей, медную проволоку, цинковую пластину, дистиллированную воду, хлорид натрия NaCl, гидроксид натрия NaOH и уксусную кислоту CH.3COOH. Если у вас совсем нет лабораторного оборудования, используйте вместо пробирок маленькие баночки.
Дистиллированная вода Можно приобрести (или деминерализовать) в магазинах и на стендах с автомобильными аксессуарами, в крайнем случае остановить наледь из морозилки. Хлористый натрий — не что иное, как каменная соль, 10% раствор уксусной кислоты — обычный пищевой уксус, а вместо гидроксида натрия можно использовать средство для прочистки канализации (состав входит в его состав). Вы можете легко получить медную проволоку, и вы можете получить цинковую пластину из демонтаж ячейки Лекланша.
4. Гвозди сразу после помещения в пробирки…
6. Зеленоватый осадок гидроксида железа (II) указывает на коррозию стали в подкисленном растворе (вид после нейтрализации кислоты раствором гидроксида натрия)
Тщательно очистите и обезжирьте металлические поверхности. Оберните один гвоздь медной проволокой, а другой полоской цинковой фольги. Положить гвозди в пробирки, пронумеровать чашки и разлить по ним (часть гвоздя должна выступать над поверхностью жидкости) (4):
- : дистиллированная вода.
- : примерно 3% раствор хлорида натрия (хлориды являются коррозионными агентами). Раствор не обязательно готовить с аптекарской точностью, достаточно растворить пол чайной ложки соли в половине стакана водопроводной воды.
- : примерно 3% раствор гидроксида натрия (примечания по приготовлению см. выше).
- : примерно 3 % раствор уксусной кислоты (порцию 10 % коммерческого уксуса развести в два раза большим объемом воды).
- : примерно 3% раствор хлорида натрия, в этом сосуде гвоздь соединяется с цинковой пластиной.
- : примерно 3% раствор натрия хлорида, при этом ноготь обматывается медной проволокой.
Отложите пробирки на 48 часов. Опыты с коррозией требуют терпения. Электрохимическая коррозия это молниеносно по сравнению с химическим, но эффекты не такие быстрые, как осадки. Через два дня (или позже) вы найдете следующие результаты (5):
- : раствор светло-желтого цвета, осадок на дне слегка коричневый.
- : желто-коричневый раствор, коричневый осадок на дне.
- : без признаков коррозии.
- : ноготь «погрызен» кислотой, но раствор бесцветный, без осадка. Если нейтрализовать избыток кислоты гидроксидом, в пробирке выпадет зеленоватый осадок (можно заметить коричневую примесь) (6).
- : следов коррозии нет, на дне белый осадок.
- . желто-коричневый раствор, на дне большое количество коричневого осадка.
7. Алюминиевые карабины, покрытые цветным анодированным слоем.
Преимущества коррозии
Название звучит парадоксально, но это правда. В некоторых случаях возникновение коррозии действительно приносит пользу. На поверхности некоторых металлов (например, алюминия, хрома или цинка) образуются плотные оксидные покрытия, предохраняющие более глубокие слои от дальнейшего повреждения. Это явление известно как пассивация. Иногда специально изготавливают пассивные покрытия на металлах, например, анодирование алюминиевых изделий, при котором оксидное покрытие может быть окрашено навсегда (7).
Сталь также выиграет от коррозии. В этом случае используются процессы азотирования и науглероживания. В обоих из них формируется поверхностный слой, обогащенный азотом или углеродом, твердый и устойчивый к истиранию. Затемнение поверхности стали, например, нагревом в масле, применялось давно. В таких доспехах черного цвета на полях сражений XV века боялись рыцаря Завиши из Грабова, известного как Черный.
Применяется также декоративное старение изделий из меди и серебра. В первом случае на поверхности металла образуется зеленоватый налет (гидратированные оксиды и карбонаты), во втором — темный сульфидный.
Каково объяснение ваших наблюдений? Посмотрите на уравнения реакций, написанные в тексте, и попытайтесь сделать собственные выводы. Решение за месяц.
