Девятый класс → Metals and Nonmetals ↓
Коррозия и ее предотвращение
Коррозия — это естественный процесс, в результате которого материал, обычно металл, постепенно разрушается вследствие химических или электрохимических реакций с окружающей средой. Это что-то, с чем мы сталкиваемся ежедневно различными способами. Когда вы видите ржавую железную скамейку в парке, это результат коррозии. Понимание коррозии — ключ к поддержанию долговечности и целостности различных металлических и неметаллических конструкций и объектов вокруг нас. В этой детальной статье мы изучим, что такое коррозия, как она происходит, каковы ее последствия и, самое главное, способы ее предотвращения.
Понимание коррозии
Коррозия — это в основном разрушение веществ в результате взаимодействия с окружающей средой. Для металлов это часто означает, что металл реагирует с кислородом в воздухе с образованием оксидов. Для неметаллов коррозия может быть вызвана другими химическими реакциями.
Наука о ржавчине
Давайте более подробно рассмотрим науку о коррозии, в частности, о металлах.
Когда металлы вступают в контакт с элементами окружающей среды, такими как вода, воздух или кислоты, они претерпевают химические изменения. Химическую реакцию можно в общих чертах описать как окислительно-восстановительную реакцию. Металлы теряют электроны в пользу кислорода (из воздуха или воды) и окисляются.
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3Это химическое уравнение показывает образование гидроксида железа, который вы видите как ржавчину. Ржавчина — это красновато-коричневое чешуйчатое вещество.
Электрохимическая природа коррозии
Коррозия металлов — это электрохимический процесс, особенно в металлах, таких как железо и алюминий. Он включает в себя прохождение электронов от металла к окружающей среде. Металл действует как анод, где происходит окисление, выделяя электроны. Эти электроны перемещаются в область катода, где происходит восстановление.
Пример: Коррозия железа
Железо обычно корродирует по следующим этапам:
1. Анодная реакция:
Fe → Fe 2+ + 2e -Здесь железо теряет электроны.
2. Катодная реакция:
2H 2 O + O 2 + 4e - → 4OH -Электроны, принятые кислородом в воде, образуют гидроксид-ионы.
3. Образование гидроксида железа(II):
Fe 2+ + 2OH - → Fe(OH) 2Последствия коррозии
Когда железо постоянно подвергается воздействию влажного воздуха, гидроксид железа дополнительно окисляется.
4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O → 4Fe(OH) 3Этот Fe(OH) 3 нестабилен и может подвергаться дегидратации с образованием Fe 2 O 3 ·nH 2 O, что является обычной коррозией.
Визуальное понимание
Давайте посмотрим на некоторые важные аспекты процесса коррозии.
Предотвращение ржавчины
Теперь, когда мы знаем, что коррозия вредна для металлов и влияет на их прочность и внешний вид, чрезвычайно важно предотвратить или уменьшить ее.
Катодная защита
Этот метод включает в себя создание металлического объекта катодом электрохимической ячейки. Это достигается двумя методами:
Жертвенный анод
Другой легковосстанавливаемый металл, такой как магний (Mg) или цинк (Zn), прикрепляется к железу. Жертвенный металл корродирует вместо железа.
Zn → Zn 2+ + 2e -Ток наводимый
Внешний источник питания подает электроны на металл, служащий катодом.
Покрытие и окрашивание
Простой способ предотвратить ржавчину — покрыть металлическую поверхность краской или другим химическим слоем. Это действует как барьер, предотвращая контакт кислорода и влаги с металлом.
Общие покрытия включают:
- Краска
- Пластиковые покрытия
- Эмали
- Гальванизация (цинковое покрытие)
Например, процесс гальванизации включает нанесение цинка на железо или сталь. Это не только предотвращает прямой контакт кислорода и воды с металлом, но также обеспечивает жертвенную защиту, если покрытие повреждено.
Металлические сплавы
Сплавление включает в себя соединение металлов с другими металлами или неметаллами для улучшения таких свойств, как устойчивость к коррозии. Например, нержавеющая сталь — это сплав железа с хромом и никелем, который защищает от коррозии.
Fe + Cr + Ni = Нержавеющая стальПоследствия коррозии
Коррозия имеет несколько вредных последствий:
- Структурные повреждения: Ржавчина может ослабить металлические конструкции, такие как мосты, перила и каркасы зданий, что может привести к их разрушению.
- Экономическая стоимость: Ремонт или замену проржавевших материалов стоит дорого. Промышленность тратит миллиарды долларов на борьбу с коррозией.
- Риски безопасности: Проржавевшие материалы могут вызвать аварии, такие как утечки газа из трубопроводов или поломки оборудования.
- Экологическое воздействие: Ржавый металл распространяет ржавчиновые частицы в окружающую среду, вызывая загрязнение.
Коррозия в неметаллах
Хотя это обычно связано с металлами, неметаллы также подвергаются формам коррозии, в основном вследствие химических реакций. Например, поверхность статуи из мрамора (карбоната кальция) может корродировать из-за кислотного дождя, образующего сульфат кальция.
CaCO 3 + H 2 SO 4 → CaSO 4 + CO 2 + H 2 OЗаключение
Коррозия является проблемой, которая сохраняется из-за своей сложной природы, влияющей на различные материалы вокруг нас. Она вызывает разрушение материалов, структурные аварии и значительные экономические потери. Понимание научных процессов, лежащих в основе коррозии, и внедрение профилактических мер может значительно снизить ее вредные последствия. Мы изучили многие методы предотвращения коррозии, такие как катодная защита, покрытия и сплавление. Непрерывные исследования и инновации в области контроля коррозии играют жизненно важную роль в увеличении долговечности и безопасности материалов в нашем мире.
Комментарии