Тема 4.3. Коррозия металлов

Коррозия – самопроизвольный процесс разрушения метал-лов под влиянием внешней среды.

Причиной коррозии является более низкая термодинамическая стабильность металлов, чем их соединений (оксидов, гид-роксидов, солей). Как и все самопроизвольные процессы, коррозия протекает с уменьшением энергии Гиббса системы. Химическая энергия реакции коррозийного разрушения металлов выделяется в виде теплоты и рассеивается в пространстве.

По механизму протекания коррозийного процесса различают химическую коррозию и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия характерна для сред, не проводящих электрический ток. По условиям протекания коррозийного процесса различают:

а) газовую коррозию − в газах, парах без конденсации влаги на поверхности металла (обычно при высоких температурах);

б) жидкостную коррозию − в растворах неэлектролитов (агрессивных органических жидкостях).

Разрушение металлов при соприкосновении с электролитом с возникновением в системе электрического тока называется электрохимической коррозией.

Электрохимическая коррозия в основном характерна для сред, имеющих ионную проводимость:

а) в водных растворах солей, кислот, щелочей, морской воде;

б) в атмосфере любого влажного газа;

в) в почве.

Радиоэлектронная аппаратура чаще всего подвержена воздействию атмосферы, содержащей влагу, следовательно, электро-химической коррозии. Роль электролита в таких условиях играет водная пленка на поверхности металла, в которой часто растворены электропроводящие примеси. Как и в гальванических элементах, при электрохимической коррозии процесс взаимодействия металла с окислителем (кислород атмосферы, ионы Н⁺, Fe³⁺, NO₂^–, NO₃^–) включает анодное растворение металла, катодное вос-становление окислителя, движение электронов в металле и ионов в растворе.

При контакте металла с другим менее активным металлом в кислой среде, например, железа с медью в соляной кислоте, возникает гальванический элемент:

(–) Fe / HCl / Cu (+).

Железо окисляется, отдавая электроны атомам меди, а на ато-мах меди восстанавливаются ионы водорода:

К: Fe – 2 е = Fe²⁺,

А: 2Н⁺ + 2 е ^– = Н₂.

2Н₃О⁺ + 2 е = Н₂ + Н₂О.

Затем ионы OН^– соединяются с перешедшими в раствор ионами Fe²⁺:

Fe²⁺ + 2OH^– = Fe(OH)₂,

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ = 4Fe(OH)₃.

Гидроксид железа (III)частично отщепляет воду и образует соединение, отвечающее по составу бурой ржавчине.

При соприкосновении металла с электролитом на его повер-хности возникает множество микрогальванических элементов. Причиной их образования является наличие примесей у металлов и пленок на поверхности, неоднородность по химическому и фазовому составу сплавов. В таких микрогальванопарах анодами являются частицы металла, а катодами – загрязнения, примеси и вообще металлы, имеющие положительный потенциал. В микрогальваническом элементе на аноде протекает процесс окисления металлов, а на катоде может наблюдаться ионизация кислорода или восстановление водорода.

Если коррозия протекает в кислой среде, то на катоде восстанавливается водород. Этот процесс называется коррозией с водородной деполяризацией. В наиболее простом случае она может быть представлена уравнениями:

А: Ме – 2 е = Ме²⁺,

К: 2Н⁺+2 е = Н₂.

2Н₃О⁺ + 2 е = Н₂ + Н₂О.

Если окислителем является кислород, то коррозия протекает с поглощением кислорода или с кислородной деполяризацией и выражается уравнениями:

А: Ме – 2 е = Ме²⁺,

К: О₂ + 2Н₂О + 4 е = 4ОН^– при рН ≥ 7

или О₂ + 4Н⁺ + 4 е = 2Н₂О при рН< 7.

Коррозия как самостоятельный процесс протекает, если энергия Гиббса реакции Δ G имеет отрицательные значения. А так как «свободная» энергия реакции непосредственно связана с ЭДС элемента зависимостью: то возможность протекания коррозии можно установить по знаку ЭДС образующегося элемента. Коррозия возможна, если Е > 0, а так как ЭДС определяется как разность потенциалов окислителя и восстановителя: Е = j_к – j_а, то это возможно, когда j_к > j_а.

На скорость и характер коррозийных процессов оказывает влияние как природа металла, так и характер коррозийной среды.

Окислители играют двойную роль в коррозийных процессах. С одной стороны, они могут восстанавливаться и этим ус-корять коррозию металлов, а с другой стороны – вызывать пассивирование металлов с образованием оксидных или других защитных слоев, которые тормозят процесс коррозии.

Выбор способов защиты от коррозии определяется характером коррозии и условиями ее протекания. Все методы защиты делятся на группы:

а) изменение природы металла (легирование);

б) защитные покрытия;

в) электрохимическая защита;

г) изменение свойств коррозийной среды.