ГАЛЬВАНІЧНА КОРОЗІЯ: МЕХАНІЗМИ, ПРИКЛАДИ, ЗАХИСТ - ХІМІЯ - 2025

Гальванічна або електрохімічна корозія є процес , при якому метал або сплав деградує більш різко по порівнянні зі звичайним окисленням. Можна сказати, що це прискорене окислення та навіть навмисне сприяння; як це відбувається в камерах або батареях.

Це відбувається за ряду умов. По-перше, повинен бути активний метал, який називається анод. Також, по-друге, повинен бути низькореактивний благородний метал, який називається катодом. Третя і четверта умови - це наявність середовища, де поширюються електрони, такі як вода, та іонних видів або електролітів.

Іржава залізна корона. Джерело: Pixnio.

Гальванічна корозія особливо помітна в морських середовищах або на берегах пляжів. Повітряні течії піднімають масу водяної пари, яка в свою чергу переносить деякі іони; останні в кінці прилягають до тонкого шару води або крапель, які опираються на металеву поверхню.

Ці умови вологості та солоності сприяють корозії металу. Іншими словами, залізна корона, подібна до зображеної вище, швидше заржавіє, якщо потрапить на море.

Легкість, яку металу доведеться окислювати порівняно з іншою, можна кількісно виміряти за рахунок потенціалів відновлення; Таблиці з цими потенціалами рясніють у книгах з хімії. Чим більше ви негативу, тим більша ваша схильність до іржі.

Так само, якщо цей метал знаходиться в присутності іншого з дуже позитивним відновлювальним потенціалом, маючи при цьому великий ΔE, окислення реакційноздатного металу буде більш агресивним. Інші фактори, такі як рН, іонна міцність, вологість, наявність кисню та взаємозв'язок між ділянками металу, що окислюється, і тим, що зменшуються, також є важливими.

Механізми

Поняття та реакції

Перш ніж звертатися до механізмів, що стоять за корозійною гальванією, слід уточнити певні поняття.

При окислювально-відновній реакції один вид втрачає електрони (окислюється), а інший отримує їх (зменшує). Електрод, на якому відбувається окислення, називають анодом; і на якому відбувається скорочення, катод (англійською мовою зазвичай використовується пам'ятне правило redcat).

Таким чином, для електрода (шматка, гвинта тощо) металу М, якщо він окислюється, він називається анодом:

M => M ^{n +} + ne ^-

Кількість вивільнених електронів буде дорівнює величині позитивного заряду отриманого катіона M ^{n +} .

Потім інший електрод або метал R (обидва метали певним чином повинні контактувати) отримує вивільнені електрони; але це не зазнає хімічної реакції, якщо воно набирає електрони, оскільки проводило б їх лише (електричний струм).

Тому в розчині повинен бути ще один вид, який формально може прийняти ці електрони; як легко відновлені іони металів, наприклад:

R ^{n +} + ne ^- => R

Тобто утворюється шар металу R, і електрод, отже, стає важчим; тоді як метал М втрачає масу за рахунок розчинення його атомів.

Деполяризатори

Що робити, якщо не було катіонів металів, які можна було б легко зменшити? У цьому випадку інші види, які є в середовищі, приймуть електрони: деполяризатори. Вони тісно пов'язані з pH: O ₂ , H ⁺ , OH ^- і H ₂ O.

Кисень і вода отримують електрони в реакції, вираженій наступним хімічним рівнянням:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Тоді як іони Н ⁺ перетворюються на Н ₂ :

2Н ⁺ + 2е ^- => Н ₂

Тобто види ОН ^- і H ₂ є поширеними продуктами гальванічної або електрохімічної корозії.

Навіть якщо метал R не бере участі в жодній реакції, той факт, що він більш благородний, ніж M, сприяє його окисленню; і , отже, буде більш високе виробництво OH ^- іони або газоподібний водень. Тому що, зрештою, саме різниця між потенціалами відновлення, ΔE, є одним з головних рушіїв цих процесів.

Корозія заліза

Корозійний механізм заліза. Джерело: Вікіпедія.

Після попередніх уточнень можна навести приклад корозії заліза (верхнє зображення). Припустимо, є тонкий шар води, в якому розчиняється кисень. Без присутності інших металів тональність реакції задасть деполяризатори.

Таким чином, залізо втратить частину атомів з його поверхні, розчиняючись у воді, як катіони Fe ²⁺ :

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Два електрона пройдуть через залізо, тому що це хороший провідник електрики. Тож, звідки почалося окислення або сайт анода, відомо; але не там, де відбуватиметься зменшення чи розташування катодного ділянки. Сайт катода може бути де завгодно; і чим більша його можлива площа, тим гірша корозія металу.

Припустимо, електрони досягають точки, як показано на зображенні вище. Там і кисень, і вода проходять уже описану реакцію, завдяки якій ОН ^- виділяється . Ці ОН ^- аніони можуть вступати в реакцію з Fe ^2+, утворюючи Fe (OH) ₂ , який осаджується і піддаються наступним окисленням, що згодом перетворює його в іржу.

Тим часом сайт анодів тріщить дедалі більше.

Приклади

У повсякденному житті прикладів гальванічної корозії безліч. Нам не доводиться посилатися на залізну коронку: будь-який артефакт, виготовлений з металів, може пройти той самий процес у присутності вологих та сольових середовищ.

Крім пляжу, зима також може забезпечити ідеальні умови для корозії; наприклад, коли лопати солі в сніг на дорозі, щоб запобігти заносу автомобілів.

З фізичної точки зору волога може утримуватися у зварних з'єднаннях двох металів, будучи активними місцями корозії. Це тому, що обидва метали поводяться як два електроди, причому більш реакційноздатний втрачає електрони.

Якщо виробництво ОН ^- іони значно, вона навіть може роз'їдати фарбу автомобіля або пристрою в питанні.

Анодні показники

Можна побудувати власні приклади гальванічної корозії, використовуючи таблиці зменшення потенціалу. Однак таблиця анодного індексу (спрощена сама по собі) буде обрана для ілюстрації цієї точки.

Анодні показники для різних металів або сплавів. Джерело: Вікіпедія.

Припустимо, наприклад, що ми хотіли побудувати електрохімічний осередок. Метали, що знаходяться вгорі таблиці анодного індексу, є більш катодними; тобто вони легко скорочуються, і тому важко буде мати їх у вирішенні. У той час як метали, що знаходяться внизу, є більш анодними або реакційноздатними, і вони легко піддаються корозії.

Якщо ми обираємо золото та берилій, обидва метали довго не можуть бути разом, оскільки берилій окислиться надзвичайно швидко.

І якщо, з іншого боку, ми маємо розчин іонів Ag ⁺ і занурюємо в нього алюмінієвий брусок, він одночасно розчинятиметься, коли осаджуються металеві частинки срібла. Якби ця планка була з'єднана з графітовим електродом, електрони рухалися б до неї, щоб електрохімічно наносити на неї срібло у вигляді срібної плівки.

І якби замість алюмінієвого прутка він був виготовлений з міді, розчин виявився б синюватим через наявність у воді іонів Cu ²⁺ .

Електрохімічний захист від корозії

Жертвні покриття

Припустимо, ви хочете захистити цинковий лист від корозії в присутності інших металів. Найпростішим варіантом було б додати магній, який покрив би цинк так, що після окислення електрони, що виділяються з магнію, зменшують назад катіони Zn ²⁺ .

Однак плівка MgO на цинку в кінцевому підсумку швидше розтріскується, забезпечуючи анодні ділянки високої щільності струму; тобто корозія цинку різко прискориться в саме цих точках.

Ця техніка захисту від електрохімічної корозії відома як використання жертвоприносних покриттів. Найвідоміший - цинк, який використовується у відомій техніці під назвою цинкування. У них метал М, особливо залізо, покритий цинком (Fe / Zn).

Знову цинк окислюється та його оксид служить для покриття заліза та передачі йому електронів, що знижує вміст Fe ^2+, який може утворитися.

Шляхетні покриття

Припустімо ще раз, що ви хочете захистити той же лист цинку, але тепер ви будете використовувати хром замість магнію. Хром є більш благородним (більш катодним, див. Таблицю анодних чисел), ніж цинк, і тому працює як благородне покриття.

Проблема цього типу покриття полягає в тому, що після його розтріскування воно ще більше сприятиме та прискорюватиме окислення металу внизу; в цьому випадку цинк кородує навіть більше, ніж покритий магнієм.

І нарешті, є й інші покриття, які складаються з фарб, пластмас, антиоксидантів, жирів, смол тощо.

Експеримент для дітей

Пластина заліза при розчиненні солей міді

Простий експеримент можна скласти з тієї ж таблиці анодних індексів. Розчиняючи розумну кількість (менше 10 грам) CuSO ₄ · 5H ₂ O у воді, дитину пропонують занурити в поліровану залізну тарілку. Знімається фотографія, і процес дається розгорнутися протягом декількох тижнів.

Розчин спочатку синюватий, але почне в’янути, поки чавунна пластина придбає мідний колір. Це пов’язано з тим, що мідь благородніша заліза, і тому її катіони Cu ²⁺ будуть зведені до металевої міді з іонів, отриманих при окисленні заліза:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Очищення оксиду срібла

Предмети срібла з часом чорніють, особливо якщо вони контактують із джерелом сірчаних сполук. Її іржу можна усунути, зануривши предмет у ванну з водою з харчовою содою та алюмінієвою фольгою. Бікарбонат забезпечує електроліти, які полегшать транспорт електронів між об'єктом і алюмінієм.

В результаті дитина оцінить, що предмет втрачає свої чорні плями і світиться своїм характерним сріблястим кольором; тоді як алюмінієва фольга зможе зникнути.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.
3. Вікіпедія. (2019). Гальванічна корозія. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Стівен Нижній. (16 червня 2019 р.). Електрохімічна корозія. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
5. Відкритий університет. (2018). 2.4 Корозійні процеси: гальванічна корозія. Відновлено з: open.edu
6. Технічна служба клієнта Brush Wellman Inc. (sf). Посібник з гальванічної корозії. Кисть Wellman Інженерні матеріали.
7. Джорджіо Карбоні. (1998). Експерименти з електрохімії. Відновлено з: funsci.com