ГАЛВАНИЧНА КОРОЗИЯ: МЕХАНИЗМИ, ПРИМЕРИ, ЗАЩИТА - ХИМИЯ - 2025

В галванично или електрохимична корозия е процес, при който метал или сплав разгражда по-рязко в сравнение с конвенционалния окисление. Може да се каже, че това е ускорено окисляване и дори, умишлено насърчено; както се случва в клетките или батериите.

Това става при редица условия. Първо, трябва да има активен метал, наречен анод. Също така, и второ, трябва да има нискореактивен благороден метал, наречен катод. Третото и четвъртото условие са наличието на среда, в която се разпространяват електрони, като вода, и на йонни видове или електролити.

Ръждива желязна корона. Източник: Pixnio.

Галваничната корозия е особено забележима в морски условия или по бреговете на плажовете. Въздушните течения вдигат маси от водни пари, които от своя страна пренасят някои йони; последните се прилепват към тънък слой вода или капки, които почиват върху металната повърхност.

Тези условия на влажност и соленост благоприятстват корозията на метала. Тоест желязна корона като тази на изображението по-горе ще ръждясва по-бързо, ако бъде изложена в близост до морето.

Лекотата, която един метал трябва да окисли в сравнение с друг, може да бъде измерена количествено чрез неговите редукционни потенциали; Таблици с тези потенциали изобилстват в учебниците по химия. Колкото по-отрицателни сте, толкова по-голяма е склонността ви към ръжда.

По същия начин, ако този метал е в присъствието на друг с много положителен редукционен потенциал, като по този начин има голям ΔE, окисляването на реактивния метал ще бъде по-агресивно. Други фактори, като рН, йонна сила, влажност, наличие на кислород и връзката между областите на метала, който се окислява, и този, който е намален, също са важни.

механизми

Концепции и реакции

Преди да се обърнем към механизмите зад галваничната корозия, трябва да се изяснят някои понятия.

При редокс реакция един вид губи електрони (окислява), докато друг ги печели (редуцира). Електродът, на който се извършва окисляването, се нарича анод; и върху който се случва редукцията, катод (на английски обикновено за запомняне се използва мнемоничното правило redcat).

По този начин, за електрод (парче, винт и т.н.) на метален М, ако той се окислява, се казва, че е анодът:

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

Броят освободени електрони ще бъде равен на величината на положителния заряд на получения катион M ^{n +}.

Тогава друг електрод или метал R (и двата метала трябва да бъдат в контакт по някакъв начин), получава освободените електрони; но това не претърпява химическа реакция, ако спечели електрони, тъй като би ги провеждал само (електрически ток).

Следователно трябва да има друг вид в разтвор, който може официално да приеме тези електрони; като лесно редуцирани метални йони, например:

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

Тоест се образува слой метал R и следователно електродът ще стане по-тежък; докато металът M би загубил маса поради разтварянето на атомите си.

Depolarizers

Ами ако няма метални катиони, които биха могли да се намалят достатъчно лесно? В този случай други видове, присъстващи в средата, ще поемат електроните: деполяризаторите. Те са тясно свързани с рН: О ₂, H ⁺, OH ^- и H ₂ O.

Кислород и вода получават електрони в реакция, изразена със следното химично уравнение:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Докато йони на Н ⁺ се трансформират в Н ₂:

2Н ⁺ + 2е ^- => Н ₂

Това т.е. вида ОН ^- и Н ₂ са общи продукти галванично или електрохимична корозия.

Дори ако металът R не участва в никаква реакция, фактът, че е по-благороден от М, насърчава неговото окисляване; и следователно ще има по-голямо производство на ОН ^- йони или водороден газ. Защото в края на краищата именно разликата между редукционните потенциали, ΔE, е един от основните двигатели на тези процеси.

Корозия на желязо

Корозионен механизъм за желязо. Източник: Wikipedia.

След предишните разяснения може да се обърне към примера на корозията на желязото (горно изображение). Да предположим, че има тънък слой вода, в който се разтваря кислород. Без присъствието на други метали, деполяризаторите ще определят тона на реакцията.

По този начин желязото ще загуби някои атоми от повърхността си, за да се разтвори във вода като Fe ²⁺ катиони:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Двата електрона ще пътуват през парчето желязо, защото той е добър проводник на електричество. Значи откъде е започнало окисляването или мястото на анода е известно; но не и къде ще продължи редукцията или местоположението на катодната площадка. Сайтът на катода може да бъде навсякъде; и колкото е по-голяма неговата възможна площ, толкова по-лошо ще корозира металът.

Да предположим, че електроните достигат точка, както е показано на изображението по-горе. Има кислород, така и вода се подложи на реакцията вече е описано, с което ОН ^- се освобождава. Тези OH ^- аниони могат да реагират с Fe ^{2+, за} да образуват Fe (OH) ₂, който се утаява и претърпява последващи окисления, които в крайна сметка го превръщат в ръжда.

Междувременно анодният сайт се напуква все повече и повече.

Примери

В ежедневието примерите за галванична корозия са многобройни. Не е нужно да се отнасяме до желязната корона: всеки артефакт, изработен от метали, може да претърпи същия процес в присъствието на влажна и солена среда.

В допълнение към плажа, зимата може да осигури и идеални условия за корозия; например при лопата на соли в сняг на пътя, за да се предотврати пързаляне на автомобили.

От физическа гледна точка, влагата може да се задържа в заварените съединения на два метала, като са активни места на корозия. Това е така, защото и двата метала се държат като два електрода, като по-реактивният губи своите електрони.

Ако производството на OH ^- йони е значително, това може дори да корозира боята на автомобила или въпросното устройство.

Анодни индекси

Човек може да конструира свои собствени примери за галванична корозия, използвайки таблиците на потенциала за намаляване. Въпреки това, таблицата за аноден индекс (опростена сама по себе си) ще бъде избрана, за да илюстрира тази точка.

Анодни индекси за различни метали или сплави. Източник: Wikipedia.

Да предположим например, че искахме да изградим електрохимична клетка. Металите, които са в горната част на таблицата с аноден индекс, са по-катодни; това означава, че те лесно се намаляват и следователно ще бъде трудно да ги разтворите. Докато металите, които са в дъното, са по-анодни или реактивни и те корозират лесно.

Ако изберем злато и берилий, и двата метала не биха могли да бъдат заедно дълго, тъй като берилият би се окислил изключително бързо.

И ако, от друга страна, имаме разтвор на Ag ⁺ йони и потопим алуминиева пръчка в нея, тя ще се разтвори едновременно с това, че метални сребърни частици се утаяват. Ако тази лента беше свързана с графитен електрод, електроните щяха да пътуват към нея, за да отлагат електрохимично върху нея сребро като сребърен филм.

И ако вместо алуминиевата пръчка беше направена от мед, разтворът ще се превърне в синкав поради наличието на Cu ²⁺ йони във водата.

Електрохимична защита от корозия

Жертва покрития

Да предположим, че искате да защитите цинков лист от корозия в присъствието на други метали. Най-простият вариант е да се добави магнезий, който да покрие цинка, така че след като се окисли, електроните, освободени от магнезия, да намалят обратно катионите Zn ²⁺.

Въпреки това, MgO филмът върху цинка ще завърши по-рано, отколкото по-късно, осигурявайки анодни места с висока плътност на тока; т. е. корозията на цинка би рязко се ускорила точно в тези точки.

Тази техника за защита от електрохимична корозия е известна като използването на жертвени покрития. Най-известният е цинкът, използван в известната техника, наречена поцинковане. В тях металът М, особено желязото, е покрит с цинк (Fe / Zn).

Отново цинкът се окислява и неговият оксид служи за покриване на желязото и предаване на електрони към него, които намаляват Fe ^2+, който може да се образува.

Благородни покрития

Да предположим отново, че искате да защитите същия лист цинк, но сега ще използвате хром вместо магнезий. Хромът е по-благороден (по-катоден, виж таблицата на анодните числа) от цинка и затова действа като благородно покритие.

Проблемът с този тип покритие е, че след като се напука, той допълнително ще насърчи и ускори окисляването на метала отдолу; в този случай цинкът ще корозира дори повече, отколкото да бъде покрит с магнезий.

И накрая, има и други покрития, които се състоят от бои, пластмаси, антиоксиданти, мазнини, смоли и т.н.

Експеримент за деца

Желязна плоча при разтваряне на медни соли

Един прост експеримент може да бъде създаден от същата таблица с анодни индекси. Разтваряйки разумно количество (по-малко от 10 грама) CuSO ₄ · 5H ₂ O във вода, детето трябва да се потопи в полирана желязна плоча. Прави се снимка и процесът се оставя да се разгърне за няколко седмици.

Разтворът първоначално е синкав, но ще започне да избледнява, докато желязната плоча придобие меден цвят. Това се дължи на факта, че медта е по-благородна от желязото и следователно нейните Cu ²⁺ катиони ще бъдат редуцирани до метална мед от йони, получени при окисляване на желязо:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Почистване на сребърен оксид

Сребърните предмети с течение на времето стават черни, особено ако са в контакт с източник на серни съединения. Ръждата му може да бъде премахната чрез потапяне на обекта във вана с вода сода и алуминиево фолио. Бикарбонатът осигурява електролитите, които ще улеснят транспортирането на електрони между обекта и алуминия.

В резултат на това детето ще оцени, че предметът губи черните си петна и ще свети с характерния си сребрист цвят; докато алуминиевото фолио ще корозира, за да изчезне.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
3. Wikipedia. (2019). Галванична корозия. Възстановено от: en.wikipedia.org
4. Стивън Долен. (16 юни 2019 г.). Електрохимична корозия. Химия LibreTexts. Възстановено от: chem.libretexts.org
5. Откритият университет. (2018). 2.4 Корозионни процеси: галванична корозия. Възстановена от: open.edu
6. Четка за техническа служба на клиента Wellman Inc. (sf). Ръководство за галванична корозия. Четка Материали инженерни Wellman.
7. Джорджо Карбони. (1998). Експерименти в електрохимията. Възстановено от: funsci.com