Γιατί τα μέταλλα σκουριάζουν;

Τι είναι συνηθισμένο ανάμεσα σε ένα σκουριασμένο καρφί, μια σκουριασμένη γέφυρα ή μια διαρροή σιδερένιου φράκτη; Γιατί οι σιδερένιες δομές και τα προϊόντα σιδήρου σκουριάζουν γενικά; Τι είναι η σκουριά καθαυτή; Θα προσπαθήσουμε να δώσουμε απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα στο άρθρο μας. Εξετάστε τα αίτια της σκουριάς των μετάλλων και τις μεθόδους προστασίας από αυτό το επιβλαβές φυσικό φαινόμενο.

Οι αιτίες σκουριάς

Όλα ξεκινούν με την εξόρυξη μετάλλων. Όχι μόνο το σίδερο, αλλά, για παράδειγμα, αλουμινίου, και το μαγνήσιο εξορύσσεται αρχικά με τη μορφή μεταλλεύματος. Το αργίλιο, το μαγγάνιο, ο σίδηρος, τα μεταλλεύματα μαγνησίου δεν περιέχουν καθαρά μέταλλα, αλλά οι χημικές ενώσεις τους: ανθρακικά, οξείδια, σουλφίδια, υδροξείδια.

Πρόκειται για χημικές ενώσεις μετάλλων με άνθρακα, οξυγόνο, θείο, νερό, κλπ. Υπάρχουν στη φύση ένα, δύο και καθαρά μέταλλα - πλατίνα, χρυσός, ασήμι - πολύτιμα μέταλλα - εμφανίζονται με τη μορφή μετάλλων σε ελεύθερη κατάσταση και δεν τείνουν να το σχηματισμό χημικών ενώσεων.

Ωστόσο, τα περισσότερα μέταλλα δεν είναι ελεύθερα υπό φυσικές συνθήκες και, για να τα απελευθερώσουν από τις ενώσεις εκκίνησης, είναι απαραίτητο να λιώσουν τα μεταλλεύματα, μειώνοντας έτσι τα καθαρά μέταλλα.

Αλλά το τήγμα μεταλλεύματος που περιέχει μέταλλο, αν και έχουμε το μέταλλο στην καθαρή του μορφή, εξακολουθεί να είναι μια ασταθής κατάσταση, μακριά από το φυσικό. Για το λόγο αυτό, ένα καθαρό μέταλλο υπό κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες τείνει να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση, δηλαδή να οξειδώσει και αυτό είναι η διάβρωση του μετάλλου.

Έτσι, η διάβρωση είναι μια φυσική διαδικασία καταστροφής για μέταλλα που συμβαίνει υπό συνθήκες αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον. Συγκεκριμένα, η σκουριά είναι η διαδικασία σχηματισμού υδροξειδίου σιδήρου Fe (ΟΗ) 3, η οποία προχωράει παρουσία ύδατος.

Αλλά το φυσικό γεγονός παίζει στα χέρια των ανθρώπων ότι η αντίδραση οξείδωσης στην ατμόσφαιρα στην οποία έχουμε συνηθίσει δεν είναι πολύ γρήγορη, πηγαίνει σε πολύ χαμηλή ταχύτητα, έτσι γέφυρες και αεροπλάνα δεν καταρρέουν αμέσως, και γλάστρες δεν καταρρέουν μπροστά από τα μάτια μας σε σκόνη τζίντζερ. Επιπλέον, η διάβρωση μπορεί, καταρχήν, να επιβραδυνθεί με την προσφυγή σε μερικά παραδοσιακά κόλπα.

Για παράδειγμα, ο ανοξείδωτος χάλυβας δεν σκουριάζει, αν και αποτελείται από σίδηρο, ο οποίος είναι επιρρεπής στην οξείδωση, ωστόσο δεν καλύπτεται από ερυθρό υδροξείδιο. Και το πράγμα εδώ είναι ότι ο ανοξείδωτος χάλυβας δεν είναι καθαρός σίδηρος, ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι κράμα σιδήρου και άλλο μέταλλο, κυρίως χρώμιο.

Εκτός από το χρώμιο, το νικέλιο, το μολυβδαίνιο, το τιτάνιο, το νιόβιο, το θείο, ο φώσφορος κ.λπ. μπορούν να συμπεριληφθούν στη σύνθεση του χάλυβα. Η προσθήκη επιπρόσθετων στοιχείων στα κράματα που είναι υπεύθυνα για ορισμένες ιδιότητες των προκύπτοντων κραμάτων ονομάζεται κράμα.

Τρόποι προστασίας από τη διάβρωση

Όπως σημειώσαμε παραπάνω, το κύριο στοιχείο κράματος που προστέθηκε στο συνηθισμένο χάλυβα για να του δώσει αντιδιαβρωτικές ιδιότητες είναι το χρώμιο. Το χρώμιο οξειδώνεται γρηγορότερα από το σίδηρο, δηλαδή χτυπάει μόνο του. Στην επιφάνεια του ανοξείδωτου χάλυβα, έτσι, εμφανίζεται πρώτα μια προστατευτική μεμβράνη οξειδίου του χρωμίου, η οποία έχει ένα σκούρο χρώμα και όχι τόσο χαλαρή όσο η συνηθισμένη σκουριά σιδήρου.

Το οξείδιο του χρωμίου δεν διέρχεται επιθετικά ιόντα από το περιβάλλον που είναι επιβλαβή για το σίδηρο και το μέταλλο προστατεύεται από τη διάβρωση, όπως ένα ανθεκτικό ερμητικό προστατευτικό κοστούμι. Δηλαδή, το φιλμ οξειδίου σε αυτή την περίπτωση έχει προστατευτική λειτουργία.

Η ποσότητα χρωμίου σε ανοξείδωτο χάλυβα δεν είναι συνήθως μικρότερη από 13%, το νικέλιο είναι ελαφρώς μικρότερη από ανοξείδωτο χάλυβα και άλλα πρόσθετα κράματος βρίσκονται σε πολύ μικρότερες ποσότητες.

Είναι χάρη στις προστατευτικές μεμβράνες που λαμβάνουν πρώτα την περιβαλλοντική επίπτωση, ότι πολλά μέταλλα είναι ανθεκτικά στη διάβρωση σε διάφορα περιβάλλοντα.Για παράδειγμα, ένα κουτάλι, ένα πιάτο ή ένα ταψί, κατασκευασμένο από αλουμίνιο, ποτέ δεν λάμπει πραγματικά, αυτοί, αν κοιτάξετε προσεκτικά, έχουν μια λευκή απόχρωση. Αυτό είναι μόνο το οξείδιο του αλουμινίου, το οποίο σχηματίζεται από την επαφή του καθαρού αλουμινίου με τον αέρα, και στη συνέχεια προστατεύει το μέταλλο από τη διάβρωση.

Η μεμβράνη οξειδίου εμφανίζεται μόνη της και εάν καθαρίσετε το ταψί αλουμινίου με γυαλόχαρτο, μετά από λίγα δευτερόλεπτα γυαλιστερή επιφάνεια θα μετατραπεί ξανά σε λευκόχρυσο - το αλουμίνιο στην καθαρισμένη επιφάνεια θα οξειδωθεί και πάλι υπό την επίδραση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου.

Δεδομένου ότι ένα φιλμ αλουμίνας σχηματίζεται πάνω σε αυτό το ίδιο, χωρίς ειδικά τεχνολογικά κόλπα, ονομάζεται παθητική ταινία. Τέτοια μέταλλα, επί των οποίων σχηματίζεται φυσιολογικά μια μεμβράνη οξειδίου, αποκαλούνται παθητικοποιητικά. Συγκεκριμένα, το αλουμίνιο είναι παθητικοποιημένο μέταλλο.

Ορισμένα μέταλλα αναγκάζονται σε παθητική κατάσταση, για παράδειγμα, υψηλότερο οξείδιο του σιδήρου - το Fe2O3 είναι σε θέση να προστατεύει τον σίδηρο και τα κράματά του στον αέρα σε υψηλές θερμοκρασίες και ακόμη και στο νερό, το οποίο ούτε το κόκκινο υδροξείδιο ούτε τα κατώτερα οξείδια του ίδιου σιδήρου μπορούν να καυχηθούν.

Υπάρχουν φαινόμενα παθητικοποίησης και αποχρώσεις. Για παράδειγμα, σε ισχυρό θειικό οξύ, ο αδρανής χάλυβας είναι ανθεκτικός στη διάβρωση και σε ένα ασθενές διάλυμα θειικού οξέος, η διάβρωση θα αρχίσει αμέσως.

Γιατί συμβαίνει αυτό; Η απάντηση στο φαινομενικό παράδοξο είναι ότι σε ισχυρό οξύ, σχηματίζεται στιγμιαία μια παθητική μεμβράνη στην επιφάνεια του ανοξείδωτου χάλυβα, αφού ένα οξύ με υψηλότερη συγκέντρωση έχει έντονες οξειδωτικές ιδιότητες.

Ταυτόχρονα, ένα ασθενές οξύ δεν οξειδώνει τον χάλυβα αρκετά γρήγορα και η προστατευτική μεμβράνη δεν σχηματίζεται, αρχίζει μόνο η διάβρωση. Σε τέτοιες περιπτώσεις, όταν το οξειδωτικό μέσο δεν είναι επαρκώς επιθετικό, για να επιτευχθεί η επίδραση της παθητικοποίησης προσφύονται σε ειδικά χημικά πρόσθετα (αναστολείς, αναστολείς της διάβρωσης) που βοηθούν στο σχηματισμό παθητικής μεμβράνης πάνω στην μεταλλική επιφάνεια.

Δεδομένου ότι δεν είναι όλα τα μέταλλα επιρρεπή στο σχηματισμό παθητικών μεμβρανών στην επιφάνειά τους, ακόμη και με δύναμη, η προσθήκη συντονιστών στο οξειδωτικό μέσο απλά οδηγεί στην προληπτική συγκράτηση του μετάλλου υπό συνθήκες αναγωγής, όταν η οξείδωση καταστέλλεται ενεργά, δηλαδή όταν το πρόσθετο υπάρχει σε επιθετικό περιβάλλον, .

Υπάρχει ένας άλλος τρόπος να διατηρηθεί το μέταλλο στο περιβάλλον ανάκτησης, εάν δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ένας αναστολέας, χρησιμοποιήστε μια πιο ενεργή επίστρωση: ο γαλβανισμένος κάδος δεν σκουριάζει, αφού ο ψευδάργυρος της επίστρωσης διαβρώνει το σίδηρο σε επαφή με το περιβάλλον, δηλαδή παίρνει ένα χτύπημα από μόνο του, , ο ψευδάργυρος είναι πιο πιθανό να εισέλθει σε μια χημική αντίδραση.

Ο πυθμένας του πλοίου συχνά προστατεύεται με τον ίδιο τρόπο: ένα πέλμα συνδέεται με αυτό και στη συνέχεια το πέλμα καταστρέφεται και ο πυθμένας παραμένει άθικτος.

Η ηλεκτροχημική προστασία από τη διάβρωση των υπόγειων βοηθημάτων είναι επίσης ένας πολύ κοινός τρόπος για την καταπολέμηση του σχηματισμού σκουριάς πάνω τους. Οι συνθήκες μείωσης δημιουργούνται εφαρμόζοντας αρνητικό δυναμικό καθόδου στο μέταλλο και με αυτόν τον τρόπο, η διαδικασία οξείδωσης μετάλλων δεν θα είναι πλέον σε θέση να προχωρήσει απλώς ενεργητικά.

Μπορεί κανείς να ρωτήσει γιατί οι επιφάνειες που διατρέχουν κίνδυνο διάβρωσης απλά δεν βαφούν, γιατί να μην απλώσουν απλά ένα μέρος που είναι ευάλωτο στη διάβρωση κάθε φορά με σμάλτο; Ποιους είναι οι διαφορετικοί τρόποι;

Η απάντηση είναι απλή. Το σμάλτο μπορεί να καταστραφεί, για παράδειγμα, το χρώμα του αυτοκινήτου μπορεί να σπάσει σε μια δυσδιάκριτη θέση και το σώμα θα αρχίσει να βαθμιαία αλλά συνεχώς σκουριάζει, καθώς οι ενώσεις του θείου, τα άλατα, το νερό, το οξυγόνο θα έρθουν σε αυτό το μέρος και ως αποτέλεσμα το σώμα θα καταρρεύσει.

Για να αποφευχθεί μια τέτοια εξέλιξη των γεγονότων, καταφύγετε σε πρόσθετη αντιδιαβρωτική θεραπεία του σώματος. Ένα αυτοκίνητο δεν είναι μια εμαγιέ πλάκα που μπορεί να πεταχτεί αν βλάψει ένα σμάλτο και αγόρασε ένα καινούριο.

Η τρέχουσα κατάσταση των πραγμάτων

Παρά την προφανή γνώση και επεξεργασία του φαινομένου της διάβρωσης, παρά τις πολύπλευρες μεθόδους προστασίας που χρησιμοποιούνται, η διάβρωση εξακολουθεί να αποτελεί έναν ορισμένο κίνδυνο. Οι αγωγοί καταστρέφονται και αυτό οδηγεί σε εκπομπές πετρελαίου και φυσικού αερίου, πτώση αεροπλάνων, συντριβή της αμαξοστοιχίας. Η φύση είναι πιο περίπλοκη από ό, τι μπορεί να φανεί με την πρώτη ματιά, και η ανθρωπότητα δεν έχει ακόμη διερευνήσει πολλές άλλες πτυχές της διάβρωσης.

Έτσι, ακόμα και ανθεκτικά στη διάβρωση κράματα αποδεικνύονται σταθερά μόνο σε ορισμένες προβλέψιμες συνθήκες, για τη λειτουργία στην οποία προορίζονταν αρχικά. Για παράδειγμα, οι ανοξείδωτοι χάλυβες δεν ανέχονται τα χλωρίδια και επηρεάζονται από αυτά - εμφανίζονται πεπτικές, σκουριές και διακρυσταλλική διάβρωση.

Εξωτερικά, χωρίς μια ένδειξη σκουριάς, η δομή μπορεί ξαφνικά να καταρρεύσει αν σχηματιστούν μικρές, αλλά πολύ βαθιές βλάβες μέσα. Μικροκονήματα που διεισδύουν στο πάχος του μετάλλου είναι αόρατα από έξω.

Ακόμη και ένα κράμα που δεν είναι επιρρεπές σε διάβρωση μπορεί να ξαφνικά ραγίσει, να παραμείνει υπό παρατεταμένη μηχανική καταπόνηση - μόνο μια τεράστια ρωγμή θα καταστρέψει ξαφνικά τη δομή. Αυτό έχει συμβεί σε όλο τον κόσμο με μεταλλικές κατασκευές, μηχανισμούς, ακόμη και με αεροπλάνα και ελικόπτερα.