Коррозия металлов

Иногда зубные коронки, изготовленные из различных металлов (золота и стали) и близко расположенные  друг к другу, доставляют их носителям  неприятнейшие болевые ощущения. Поскольку слюна является электролитом, эти коронки образуют гальванический элемент. Электрический ток протекает  по десне и вызывает зубную боль.

Пассивация металлов 

Каждый школьник знает, что серная кислота взаимодействует  с железом в соответствии с  уравнением 

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 

Несколько иначе  идет реакция железа с HNO3: 

Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O 

Вероятно, многие обратили внимание на то, что серную и азотную  кислоты перевозят по железной дороге в стальных цистернах. Об этом свидетельствуют  надписи, например «Осторожно, серная кислота». Как это согласуется  с теми знаниями, которые отражены в школьных учебниках? Все дело в  том, что по железной дороге перевозят  не разбавленные, а концентрированные  кислоты. Зачем же перевозить воду? Разбавить кислоту можно и  на месте потребления. 

Оказывается, что  в отличие от разбавленных концентрированная серная, так же как и концентрированная азотная кислоты, не взаимодействует с железом. Правильнее сказать, что кратковременное взаимодействие происходит, но оно быстро прекращается. Специалисты говорят, что в крепких растворах этих кислот железо пассивируется. Еще в 1836 г. знаменитый английский химик М. Фарадей высказал предположение, что причиной пассивации является образование на поверхности металла плотной оксидной пленки. В свое время на это предположение не обратили должного внимания. Лишь через 100 лет эти взгляды возродил и развил известный русский ученый В.А. Кистяковский. После него этот взгляд на пассивацию оформился в виде теории. Согласно ей при пассивации на поверхности металла образуется сплошная и плотная оксидная (реже хлоридная, сульфатная, фосфатная) пленка толщиной в несколько десятков нанометров. Например, на поверхности железа образуется оксидная пленка нестехиометрического состава Fe8O11, Fe3O4. 

Имеется и другой взгляд на причину пассивации металлов, согласно которому она обусловлена слоем адсорбированного кислорода или какого-либо другого окислителя. Считают, что при адсорбции происходит насыщение валентности поверхностных атомов металла, что и приводит к снижению его химической активности. 

Первая теория наиболее распространена, хотя не исключено, что  в разных случаях процессы пассивации согласуются то с одной, а то с  другой теорией. 

Металлы можно перевести  в пассивное состояние не только под действием окислителей, но и  электрохимически, подав на них положительный потенциал. 

Способность металлов пассивироваться широко используют для их защиты от коррозии. Например, известно, что хранение лезвий безопасных бритв в растворах солей хромовых кислот позволяет дольше сохранять их острыми. В ином случае под действием влажного воздуха железо, особенно на острие лезвия, окисляется и покрывается рыхлым слоем ржавчины. 

Пассивируя металл, т.е. создавая оксидные или солевые пленки, можно проводить окраску или тонирование металлов. Толщина таких пленок соизмерима с длиной волны видимого света, поэтому цвет тонированной поверхности зависит от толщины покрытия и цвета металла. Для химического оксидирования с целью окраски широко используют персульфатный раствор, а для электрохимического – изделие делают анодом. В последнем случае говорят, что окрашивание проводят путем анодирования. Тонированию чаще всего подвергают изделия из меди и ее сплавов, а также из алюминия, олова, никеля. 

Тонирование может также обусловливаться сульфидной пленкой. Приводим распространенный состав тонирующего раствора: CuSO4 (10...12 г/л), Pb(NO3)2 (10...12 г/л), Na2S2O3 (100...180 г/л), сегнетова соль (15...20 г/л). Тонирование изделий при комнатной температуре в этом растворе позволяет получить следующую цветовую гамму: желтый (5 мин), коричневый (7 мин), красный (10 мин), фиолетовый (13 мин), синий (17 мин), зеленый (20 мин). Электрохимический метод тонирования отличается более широкой цветовой гаммой и лучшей воспроизводимостью цветов по сравнению с химическим. 

Издавна известен процесс  воронения и синения сталей. По существу, это термический способ их оксидирования. Его проводят на воздухе  при температуре 350...360°C. Поверхность  изделий предварительно покрывают  тонким слоем 15...20%-ного раствора асфальтового лака в бензине и подсушивают  на воздухе. Такой же эффект может  быть получен при оксидирующей обработке  изделий в кипящем растворе щелочи в присутствии нитратов и нитритов щелочных металлов. 

К сказанному можно  добавить, что оксидирование металлов в промышленных масштабах осуществляют не только для их противокоррозионной  защиты и декорировки изделий, но и для придания электроизоляционных свойств поверхностному слою и увеличению коэффициента отражения зеркал. Оксидный слой также используют в качестве грунта под окраску и лакировку.

Ингибиторы коррозии металлов 

Применение ингибиторов  – один из эффективных способов борьбы с коррозией металлов в  различных агрессивных средах (в  атмосферных, в морской воде, в  охлаждающих жидкостях и солевых  растворах, в окислительных условиях и т.д.). Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от лат. inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Ингибиторы взаимодействуют с промежуточными продуктами реакции или с активными центрами, на которых протекают химические превращения. Они весьма специфичны для каждой группы химических реакций. Коррозия металлов – это лишь один из типов химических реакций, которые поддаются действию ингибиторов. По современным представлениям защитное действие ингибиторов связано с их адсорбцией на поверхности металлов и торможением анодных и катодных процессов. 

Первые ингибиторы были найдены случайно, опытным путем, и часто становились клановым секретом. Известно, что дамасские  мастера для снятия окалины и  ржавчины пользовались растворами серной кислоты с добавками пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти примеси были одними из первых ингибиторов. Они не позволяли кислоте действовать  на оружейный металл, в результате чего растворялись лишь окалина и  ржавчина. 

Ингибиторами, не зная того, давно пользовались и на Руси. Уральские оружейники для борьбы с ржавчиной готовили «травильные  супы» – растворы серной кислоты, в которые добавлялись мучные отруби. Одним из наиболее простых  ингибиторов атмосферной коррозии металлов является нитрит натрия NaNO2. Его  используют в виде концентрированных  водных растворов, а также растворов, загущенных глицерином, оксиэтилцеллюлозой или карбоксиметилцеллюлозой. Нитрит натрия используют для консервирования изделий из стали и чугуна. Для первой применяют. 25%-ные водные растворы, а для второго – 40%-ные. После обработки (обычно окунанием в растворы) изделия заворачивают в парафиновую бумагу. Лучшим действием обладают загущенные растворы. Срок хранения изделий, обработанных загущенными растворами, увеличивается в 3...4 раза по сравнению с водными растворами. 

По данным 1980 г., число  известных науке ингибиторов  коррозии превысило 5 тыс. Считают, что 1 т ингибитора дает в народном хозяйстве  экономию около 5000 руб. 

Работа по борьбе с коррозией имеет важнейшее  народнохозяйственное значение. Это  весьма благодатная область для  приложения сил и способностей.