Почему ржавеет железо?
Если оставить какой-то железный предмет в сыром и влажном месте на несколько дней, он покроется ржавчиной, как если бы его покрасили красноватой краской.
Что такое ржавчина? Почему она образуется на железных и стальных предметах? Ржавчина - это окись железа. Она образуется в результате «сгорания» железа при соединении с кислородом, растворенным в воде.
Это значит, что при отсутствии в воздухе влаги и воды вообще отсутствует растворенный в воде кислород и ржавчина не образуется.
Если капля дождя попадает на блестящую железную поверхность, она остается прозрачной в течение короткого периода времени. Железо и кислород, находящийся в воде, начинают взаимодействовать и образуют окись, то есть ржавчину, внутри капли. Вода становится красноватой, и ржавчина плавает в воде в виде мелких частиц. Когда капля испарится, остается ржавчина, образуя красноватый слой на поверхности железа.
Если уж ржавчина появилась, она будет расти и в сухом воздухе. Это происходит потому, что пористое пятно ржавчины поглощает влагу, содержащуюся в воздухе, - она притягивает и удерживает ее. Вот почему легче предупредить ржавчину, чем остановить ее, когда она появилась. Проблема предупреждения ржавчины очень важна, так как изделия из железа и стали должны долго храниться. Иногда их покрывают слоем краски или пластмассы. А что бы ты сделал, чтобы предохранить от ржавчины боевые корабли, когда они не используются? Эта проблема решена с помощью поглотителей влажности. Такие механизмы заменяют влажный воздух в отсеках на сухой. Ржавчина в таких условиях появиться не может!
Понятие прочности часто связывают с металлами. «Прочный, как сталь», - каждый из нас слышал эту фразу не один раз. На самом деле под химическим воздействием внешней среды металлы могут окисляться и разрушаться.
Термин «коррозия» произошёл от латинского "corrodere" – разъедать. Но коррозии подвержены не только металлы. Пластмассы, полимеры, дерево и даже камни также подвержены коррозии.
Коррозия – это результат химического воздействия окружающей среды. В результате коррозии металлы разрушаются самопроизвольно. Конечно, разрушаться металлы могут и под влиянием физического воздействия. Такие процессы называют износом, старением, эрозией.
Несмотря на то, что в промышленности и в быту широко используются полимеры, керамика, стекло, роль металлов в жизнедеятельности человека продолжает оставаться очень важной.
С коррозией металлов мы сталкиваемся очень часто. Ржавое железо – результат коррозии. Нужно сказать, что многие металлы могут подвергаться коррозии. Но ржавеет только железо.
Что же происходит с металлами во время коррозии с точки зрения химии?
Химическая коррозия
Поверхностный слой металла взаимодействует с кислородом воздуха. В результате образуется оксидная плёнка. На поверхностях разных металлов образуются плёнки разной прочности. Так, алюминий и цинк образуют при взаимодействии с кислородом прочную плёнку, которая препятствует дальнейшей коррозии этих металлов. Защитная плёнка алюминия – оксид алюминия Al 2 O 3. Через неё не могут проникать ни кислород, ни вода. Например, в алюминиевом чайнике кипящая вода не действует на металл.
Но некоторые металлы и их соединения образуют рыхлые плёнки. Если отрезать кусочек металлического натрия, то можно увидеть, как на его поверхности появится плёнка, имеющая трещины. Такая плёнка свободно пропустит к поверхности кислород воздуха, пары воды и другие вещества. Коррозия натрия будет продолжаться.
Химическая коррозия – это химическое взаимодействие металла и внешней среды, в результате которой происходит реакция окисления металла и восстановления коррозионной среды.
Но во внешней среде содержатся не только кислород и пары воды. В воздухе встречаются оксиды азота, серы, углерода, а воде могут быть соли и растворённые газы. И процесс коррозии – довольно сложный процесс. Разные металлы корродируют по-разному. Например, бронза покрывается сульфатом меди (CuOH) 2 SO 4 , который похож на зелёную паутину.
Коррозия, которая происходит под воздействием электрического тока, не является химической. Её называют электрохимической.
Почему железо ржавеет
Почему же всё-таки железо ржавеет?
В процессе коррозии металл окисляется и превращается в оксид.
Упрощённое уравнение коррозии железа выглядит так:
4Fe + 3O 2 + 2H 2 О = 2Fe 2 O 3 ·H 2 О
2Fe 2 O 3 ·H 2 О - гидратированный оксид железа, или гидроксид железа. Это и есть ржавчина.
Как видно из уравнения реакции, ржавчина образуется на поверхности железа, если оно взаимодействует с кислородом в воде или во влажном воздухе. В сухом месте железо не ржавеет. Поверхность ржавчины не защищает железо от дальнейшего воздействия среды, поэтому в конце концов железо полностью превратится в ржавчину. Ржавчиной называют коррозию железа и его сплавов.
Химическая коррозия бывает газовая и коррозия в жидкостях-неэлектролитах.
Виды химических коррозий
Газовой коррозией называют процесс разрушения поверхности металла под воздействием газов при высокой температуре. Больше всего известна коррозия при воздействии кислорода на металл.
Химическая коррозия металлов и их соединений может происходить в жидкостях-неэлектролитах. Жидкости-неэлектролиты - фенол, бензол, спирты, керосин, нефть, бензин, хлороформ, расплавленная сера, жидкий бром, и другие. Такие жидкости не проводят электрический ток. В чистом виде они не содержат примесей и не реагируют с металлами. Но если в них попадают примеси, то металлы в таких жидкостях начинают подвергаться химической коррозии.
Чтобы защитить металлические конструкции от химической коррозии, на поверхность наносят покрытия, которые обеспечат защиту от воздействия коррозионной среды.
Что есть общего между ржавым гвоздем, проржавевшим мостом или прохудившимся железным забором? Отчего вообще ржавеют железные конструкции и изделия из железа? Что такое ржавчина как таковая? На эти вопросы постараемся дать ответы в нашей статье. Рассмотрим причины ржавления металлов и способы защиты от этого вредного для нас природного явления.
Причины ржавления
Все начинается с добычи металла. Не только железо, но и, например, и магний - добывают изначально в виде руды. Алюминиевая, марганцевая, железная, магниевая руды содержат в себе не чистые металлы, а их химические соединения: карбонаты, оксиды, сульфиды, гидроксиды.
Это химические соединения металлов с углеродом, кислородом, серой, водой и т. д. Чистых металлов в природе раз, два и обчелся — платина, золото, серебро — благородные металлы - они встречаются в форме металлов в свободном состоянии, и не сильно стремятся к образованию химических соединений.
Однако большинство металлов в природных условиях все же не являются свободными, и чтобы высвободить их из исходных соединений, необходимо руды плавить, восстанавливать таким образом чистые металлы.
Но выплавляя металлсодержащую руду, мы хоть и получаем металл в чистом виде, это все же состояние неустойчивое, далекое от естественного природного. По этой причине чистый металл в обычных условиях окружающей среды стремится вернуться назад в исходное состояние, то есть окислиться, а это и есть коррозия металла.
Таким образом, коррозия является естественным для металлов процессом разрушения, происходящим в условиях их взаимодействия с окружающей средой. В частности ржавление — это процесс образования гидроксида железа Fe(ОН)3, который протекает в присутствии воды.
Но на руку людям играет тот естественный факт, что окислительная реакция протекает в привычной нам атмосфере не особо стремительно, она идет с очень небольшой скоростью, поэтому мосты и самолеты не разрушаются мгновенно, а кастрюли не рассыпаются на глазах в рыжий порошок. К тому же коррозию в принципе можно замедлить, прибегнув к некоторым традиционным хитростям.
Например, нержавеющая сталь не ржавеет, хотя и состоит из железа, склонного к окислению, она тем не менее не покрывается рыжим гидроксидом. А дело здесь в том, что нержавеющая сталь — это не чистое железо, нержавеющая сталь — это сплав железа и другого металла, главным образом — хрома.
Кроме хрома в состав стали могут входить никель, молибден, титан, ниобий, сера, фосфор и т. д. Добавление в сплавы дополнительных элементов, ответственных за определенные свойства получаемых сплавов, называется легированием.
Пути защиты от коррозии
Как мы отметили выше, главным легирующим элементом, добавляемым к обычной стали для придания ей антикоррозийных свойств, является хром. Хром окисляется быстрее железа, то есть принимает удар на себя. На поверхности нержавеющей стали, таким образом, появляется сначала защитная пленка из оксида хрома, которая имеет темный цвет, и не такая рыхлая как обычная железная ржавчина.
Оксид хрома не пропускает через себя вредные для железа агрессивные ионы из окружающей среды, и металл оказывается защищенным от коррозии, словно прочным герметичным защитным костюмом. То есть оксидная пленка в данном случае несет защитную функцию.
Количество хрома в нержавеющей стали, как правило, не ниже 13%, чуть меньше в нержавеющей стали содержится никеля, и в гораздо меньших количествах имеются другие легирующие добавки.
Именно благодаря защитным пленкам, принимающим на себя воздействие окружающей среды первыми, многие металлы получаются стойкими к коррозии в различных средах. Например, ложка, тарелка или кастрюля, изготовленные из алюминия, никогда особо не блестят, они, если присмотреться, имеют белесый оттенок. Это как раз оксид алюминия, который образуется при контакте чистого алюминия с воздухом, и защищает затем металл от коррозии.
Пленка оксида возникает сама, и если зачистить алюминиевую кастрюлю наждачной бумагой, то через несколько секунд блеска поверхность снова станет белесой — алюминий на зачищенной поверхности вновь окислится под действием кислорода воздуха.
Поскольку пленка оксида алюминия образуется на нем сама, без особых технологических ухищрений, она называется пассивной пленкой. Такие металлы, на которых оксидная пленка образуется естественным образом, называются пассивирующимися. В частности алюминий — пассивирующийся металл.
Некоторые металлы принудительно переводят в пассивное состояние, например высший оксид железа — Fe2О3 способен защитить железо и его сплавы на воздухе при высоких температурах и даже в воде, чем не может похвастаться ни рыжий гидроксид, ни низшие оксиды все того же железа.
Есть в явлении пассивации и нюансы. Например, в крепкой серной кислоте мгновенно пассивированная сталь оказывается устойчивой к коррозии, а в слабом растворе серной кислоты тут же начнется коррозия.
Почему так происходит? Разгадка кажущегося парадокса состоит в том, что в крепкой кислоте на поверхности нержавеющей стали мгновенно образуется пассивирующая пленка, поскольку кислота большей концентрации обладает ярко выраженными окислительными свойствами.
В то же время слабая кислота не окисляет сталь достаточно быстро, и защитная пленка не формируется, начинается просто коррозия. В таких случаях, когда окисляющая среда не достаточно агрессивна, для достижения эффекта пассивации прибегают к специальным химическим добавкам (ингибиторам, замедлителям коррозии), помогающим образованию пассивной пленки на поверхности металла.
Так как не все металлы склонны к образованию на их поверхности пассивных пленок, даже принудительно, то добавление замедлителей в окисляющую среду попросту приводит к превентивному удержанию металла в условиях восстановления, когда окисление энергетически подавляется, то есть в условиях присутствия в агрессивной среде добавки оказывается энергетически невыгодным.
Есть и другой путь удержания металла в условиях восстановления, если нет возможности использовать ингибитор, - применить более активное покрытие: оцинкованное ведро не ржавеет, поскольку цинк покрытия корродирует при контакте с окружающей средой вперед железа, то есть принимает удар на себя, являясь более активным металлом, цинк охотнее вступает в химическую реакцию.
Днище корабля часто защищено аналогичным образом: к нему крепят кусок протектора, и тогда протектор разрушается, а днище остается невредимым.
Электрохимическая антикоррозийная защита подземных коммуникаций — также весьма распространенный путь борьбы с образованием на них ржавчины. Условия восстановления создаются подачей отрицательного катодного потенциала на металл, и в таком режиме процесс окисления металла уже не сможет протекать просто энергетически.
Кто-то может спросить, почему подверженные риску коррозии поверхности просто не красят краской, почему бы просто не покрывать каждый раз эмалью уязвимую к коррозии деталь? Для чего нужны именно разные способы?
Ответ прост. Эмаль может повредиться, например автомобильная краска может в неприметном месте отколоться, и кузов начнет постепенно но непрерывно ржаветь, поскольку сернистые соединения, соли, вода, кислород воздуха, - станут поступать к этому месту, и в итоге кузов будет разрушаться.
Чтобы такое развитие событий предотвратить, прибегают к дополнительной антикоррозийной обработке кузова. Автомобиль — это не эмалированная тарелка, которую можно в случае повреждения эмали просто выбросить, и купить новую..
Текущее положение дел
Несмотря на кажущуюся изученность и проработанность явления коррозии, несмотря на применяемые разносторонние методы защит, коррозия по сей день представляет определенную опасность. Трубопроводы разрушаются и это приводит к выбросам нефти и газа, падают самолеты, терпят крушение поезда. Природа более сложна, чем может показаться на первый взгляд, и человечеству предстоит изучить еще многие стороны коррозии.
Так, даже коррозиестойкие сплавы оказываются стойкими лишь в некоторых предсказуемых условиях, для работы в которых они изначально предназначены. Например, нержавеющие стали не терпят хлоридов, и поражаются ими — возникает язвенная, точечная и межкристальная коррозия.
Внешне без намека на ржавчину конструкция может внезапно рухнуть, если внутри образовались мелкие, но очень глубокие поражения. Микротрещины, пронизывающие толщу металла незаметны снаружи.
Даже сплав не подверженный коррозии может внезапно растрескаться, будучи под длительной механической нагрузкой — просто огромная трещина внезапно разрушит конструкцию. Такое уже случалось по всему миру с металлическими строительными конструкциями, механизмами, и даже с самолетами и вертолетами.
Андрей Повный
Я решила покататься в этом году на коньках. Достала из шкафа и увидела, что лезвие коньков покрыто каким-то красно-коричневым налётом. Я сначала расстроилась, так как коньки мои испорчены и на них, наверное, нельзя больше кататься.
Вечером мама пришла с работы, и я рассказала ей о своей беде. Мама успокоила меня и объяснила, что лезвие коньков сделаны из железа. А оно иногда покрывается ржавчиной, если на железо попадает влага.
Мне стало интересно:
-Что такое ржавчина?
-Откуда она берётся?
-Другие материалы, кроме железа тоже ржавеют?
Я подумала, возможно, ржавчина - это какая-либо краска красно-коричневого цвета, которая со временем покрывает все материалы. Чтобы проверить свои предположения, я решила провести несколько опытов.
1. Я взяла кусочек дерева, железа, пластмассы, стекла, ткани и намочила их водой. Через два дня я обнаружила, что с кусочков ткани, дерева, пластмассы, стекла вода испарилась и ржавчиной они не покрылись. А на поверхности кусочка железа появился налёт красно-коричневого цвета.
Значит можно сделать вывод:
Неметаллические предметы - из дерева, пластмассы, стекла, ткани не ржавеют, а металлические - ржавеют.
Тогда у меня возник другой вопрос:
-Все ли металлы имеют свойство ржаветь?
Папа мне принёс кусочки меди, алюминия, железа, чугуна.
Я предположила, что все металлы ржавеют. Чтобы проверить данную гипотезу, я провела такой опыт:
2. Я взяла кусочки меди, алюминия, железа, чугуна намочила водой и наблюдала за ними несколько дней. Я увидела, что поверхность железа и чугуна покрылась ржавчиной, а поверхность меди и алюминия не заржавела.
Поэтому я пришла к такому выводу:
Не все металлы подвергаются ржавчине. Железо и чугун - ржавеют, а медь и алюминий - не ржавеют.
А интересно только ли от воды ржавеет железо или это могут быть другие жидкости?
3. Я предположила, что не только от воды. Чтобы подтвердить или опровергнуть своё предположение я взяла: одеколон, ацетон, растительное масло, бензин и четыре одинаковых кусочка железа. Всё намочила указанными жидкостями. Наблюдала за этим процессом несколько дней.
В результате я увидела, что кусочки смазанные маслом, бензином, одеколоном, ацетоном - не заржавели. Значит, от других жидкостей железо не ржавеет.
Так что же такое ржавчина?
Учитель химии мне объяснила, что ржавчина - это гид роксид железа три. Она мне рассказала, что железо, находясь на открытом воздухе, быстро ржавеет. Ещё быстрее это происходит, если оно контактирует с водой. Железо и кислород, находящийся в воде начинают взаимодействовать и образуют гидроксид, то есть ржавчину. Вода становится красноватой, и ржавчина плавает в воде в виде мелких частиц. Когда вода испаряется, на поверхности железа остаётся ржавчина, образуя красноватый слой.
В интернете я узнала о способах борьбы с ржавчиной, ведь она разъедает и разрушает железные поверхности. Чтобы избежать этот разрушительный процесс железные поверхности покрывают краской, олифой, эмалью, лаком и другими нержавеющими металлами (хром, цинк).
И я решила в этом убедиться.
4. Я взяла три куска железа: половинку первого - покрасила краской, половинку второго - лаком, с половинки третьего - очистила оцинкованный слой. Я намочила их водой, и стала наблюдать. Через несколько дней я увидела, что те поверхности железа, которые были покрыты лаком, краской, цинком не были подвержены ржавчине, а не покрытые участки заржавели. Я убедилась, что такие способы борьбы с ржавчиной помогают избежать разрушения металлических поверхностей.
Поэтому крыши домов покрывают краской или нержавеющими металлами, ванные и металлическую посуду покрывают эмалью, стиральные машины и холодильники делают из нержавеющих металлов; легковые и грузовые машины красят краской и лаком.
Вывод:
В результате исследовательской работы я узнала, что такое ржавчина, откуда она берётся, и какие способы покрытия применяют, чтобы избежать разрушения и сохранить первоначальный вид железных поверхностей.
Мой совет взрослым и детям: когда закончится зима коньки протрите, смажьте машинным маслом лезвия, аккуратно заверните бумагой и уберите в шкаф. Так можно надолго сохранить лезвия коньков и насладиться прелестью катания в следующем году!
Если оставить какой-то железный предмет в сыром и влажном месте на несколько дней, он покроется ржавчиной, как если бы его покрасили красноватой краской.
Что такое ржавчина? Почему она образуется на железных и стальных предметах? Ржавчина - это окись железа. Она образуется в результате «сгорания» железа при соединении с кислородом, растворенным в воде.
Это значит, что при отсутствии в воздухе влаги и воды вообще отсутствует растворенный в воде кислород и ржавчина не образуется.
Если капля дождя попадает на блестящую железную поверхность, она остается прозрачной в течение короткого периода времени. Железо и кислород, находящийся в воде, начинают взаимодействовать и образуют окись, то есть ржавчину, внутри капли. Вода становится красноватой, и ржавчина плавает в воде в виде мелких частиц. Когда капля испарится, остается ржавчина, образуя красноватый слой на поверхности железа.
Если уж ржавчина появилась, она будет расти и в сухом воздухе. Это происходит потому, что пористое пятно ржавчины поглощает влагу, содержащуюся в воздухе, - она притягивает и удерживает ее. Вот почему легче предупредить ржавчину, чем остановить ее, когда она появилась. Проблема предупреждения ржавчины очень важна, так как изделия из железа и стали должны долго храниться. Иногда их покрывают слоем краски или пластмассы. А что бы ты сделал, чтобы предохранить от ржавчины боевые корабли, когда они не используются? Эта проблема решена с помощью поглотителей влажности. Такие механизмы заменяют влажный воздух в отсеках на сухой. Ржавчина в таких условиях появиться не может!
