Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Коррозия — самопроизвольное разрушение металла при взаимодействии с окружающей средой: металл окисляется и превращается в оксиды, гидроксиды, соли. Чаще всего она электрохимическая: в растворе электролита более активный металл отдаёт электроны и разрушается, а на менее активном восстанавливается кислород.
Подробное объяснение
Ржавый велосипед, забытый под дождём, болт, который не открутить, позеленевший медный кран — всё это коррозия. Слово происходит от латинского «разъедать». Металл при этом окисляется: атомы теряют электроны и становятся ионами в составе оксидов, гидроксидов, солей. Активные металлы — восстановители, а окислители вокруг всегда есть: кислород, вода, кислотные газы, растворы солей.
Не все металлы страдают одинаково. Золото и платина почти не окисляются. Алюминий, хром, никель, цинк покрываются тонкой плотной оксидной плёнкой, которая закрывает металл от воздуха. А ржавчина на железе рыхлая: она осыпается и пропускает воду и кислород дальше, поэтому железо разрушается насквозь.
Химическая коррозия
Идёт без электролита — в сухих горячих газах или неэлектролитах (например, в нефти). Металл напрямую реагирует с окислителем. Пример — окалина на раскалённой стали:
Электрохимическая коррозия
Самая частая и опасная. Нужен электролит — дождевая, морская или грунтовая вода, плёнка влаги из воздуха. Если в электролите соприкасаются два разных металла (или металл и примесь, например частицы углерода в стали), получается маленький гальванический элемент.
- Более активный металл (левее в ряду напряжений) отдаёт электроны и переходит в раствор: \(\mathrm{Fe - 2e^- \rightarrow Fe^{2+}}\) (в учебнике упрощённо сразу до \(\mathrm{Fe^{3+}}\)).
- Электроны по металлу перетекают на менее активный металл, и там восстанавливается кислород: \(\mathrm{O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-}\).
- Ионы металла встречаются с гидроксид-ионами — образуется ржавчина, упрощённо \(\mathrm{Fe(OH)_3}\).
Поэтому чистое железо почти не ржавеет, а сталь и чугун с примесями — ржавеют. Соли в воде (морская вода, зимние реагенты на дорогах) ускоряют коррозию: раствор лучше проводит ток.
Как защищают металлы
- Покрытия. Краски, лаки, эмали, смазка изолируют металл от среды, но недолговечны. Металлические покрытия (хром, никель, олово, цинк) прочнее.
- Легирование. Добавки хрома и никеля делают сталь нержавеющей: на её поверхности образуется прочная плёнка оксидов.
- Изменение поверхностного слоя. Воронение и оксидирование создают на стали тонкий плотный слой оксидов железа.
- Ингибиторы — вещества, которые в десятки и сотни раз замедляют коррозию (их добавляют, например, в антифриз).
- Протекторная защита. К изделию прикрепляют более активный металл — цинк или магний. Он разрушается вместо железа, а его заменяют по мере износа.
Важная тонкость: покрытие менее активным металлом (олово, хром) защищает, только пока оно целое. При царапине железо окажется активнее покрытия и начнёт ржаветь быстрее, чем без него. Цинковое покрытие продолжает защищать и на царапине — цинк активнее железа.
Как решать задачи
- Определите вид коррозии: есть электролит — электрохимическая, нет — химическая.
- Для пары металлов найдите по ряду напряжений более активный — он и разрушается.
- Запишите окисление металла (\(\mathrm{M - ne^- \rightarrow M^{n+}}\)) и восстановление кислорода на другом металле.
- В расчётной задаче составьте суммарное уравнение, найдите количество вещества \(n = m/M\) и пересчитайте по коэффициентам или по числу электронов.
Разобранные примеры
Какой металл разрушится
Медную табличку прибили к деревянной двери алюминиевыми гвоздями, дверь часто мокнет под дождём. Что разрушится — табличка или гвозди?
Алюминий в ряду напряжений намного левее меди, значит, он активнее. В паре «алюминий — медь» во влажной среде окисляется алюминий:
Сколько кислорода ушло на ржавчину
Стальная скоба частично заржавела: 11,2 г железа превратились в \(\mathrm{Fe(OH)_3}\). Какой объём кислорода (н. у.) для этого потребовался?
- \(m(\mathrm{Fe}) = 11{,}2\) г
- \(V(\mathrm{O_2})\).
\[\mathrm{4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3}\]\(n(\mathrm{Fe}) = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2\) моль. По уравнению на 4 моль железа нужно 3 моль кислорода: \(n(\mathrm{O_2}) = \dfrac{3}{4} \cdot 0{,}2 = 0{,}15\) моль. \(V = 0{,}15 \cdot 22{,}4 = 3{,}36\) л
Масса протектора
Магниевый протектор защищает подземный трубопровод. За год на трубе восстановилось 4,48 м³ кислорода (н. у.). Какая масса магния за это время разрушилась?
- \(V(\mathrm{O_2}) = 4{,}48\) м³ \(= 4480\) л
- \(m(\mathrm{Mg})\).
\[\mathrm{Mg - 2e^- \rightarrow Mg^{2+}} \qquad \mathrm{O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-}\]\(n(\mathrm{O_2}) = \dfrac{4480}{22{,}4} = 200\) моль
- электронов принято \(4 \cdot 200 = 800\) моль. Каждый атом магния отдаёт 2 электрона: \(n(\mathrm{Mg}) = \dfrac{800}{2} = 400\) моль
- \(m = 400 \cdot 24 = 9600\) г
Типичные ошибки
Олово, никель, хром менее активны, чем железо. Пока покрытие целое, оно изолирует металл. Но на царапине во влажной среде образуется пара, в которой окисляется уже железо, и ржавчина идёт быстрее, чем на голом металле.
Сравнивайте металлы по ряду напряжений. Покрытие более активным металлом (цинком) защищает и после повреждения, менее активным (оловом) — только пока целое.
Ученики думают, что медь «съедает» железо или что ржавеет тот металл, который выглядит хуже. На деле окисляется более активный металл, а на менее активном лишь восстанавливается кислород.
Найдите оба металла в ряду напряжений: левее стоящий отдаёт электроны и разрушается. Поэтому протектор берут активнее защищаемого металла.
Запись \(\mathrm{O_2 + 4e^- \rightarrow 2O^{2-}}\) не годится для водной среды: оксид-ионы в воде не существуют, и уравнение не объясняет, откуда в ржавчине гидроксид.
В нейтральной или щелочной воде: \(\mathrm{O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-}\). Проверяйте баланс атомов и зарядов: слева заряд \(-4\), справа \(-4\).
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какой металл подойдёт как протектор для стального корпуса судна?
Показать ответ
Ответ: В) Цинк
Протектор должен быть активнее железа, то есть стоять в ряду напряжений левее. Из перечисленных это только цинк; медь, олово и серебро, наоборот, ускорят коррозию стали.
-
Какой процесс — пример химической (газовой) коррозии?
Показать ответ
Ответ: Б) Образование окалины на раскалённой стали в кузнице
Окалина образуется при прямой реакции металла с кислородом при высокой температуре без электролита, \(\mathrm{3Fe + 2O_2 \rightarrow Fe_3O_4}\). Остальные процессы идут в растворе электролита — это электрохимическая коррозия.
-
Какие условия ускоряют ржавление железа?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Влага и растворённые соли; Б) Контакт с медью; Г) Примеси в металле
Электролит, контакт с менее активным металлом и примеси создают гальванические пары, в которых железо окисляется. Цинк, наоборот, разрушается сам и защищает железо, а в сухом воздухе электрохимическая коррозия почти не идёт.
-
Какие из способов относятся к защите металлов от коррозии?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Окраска и эмалирование; Б) Добавка хрома и никеля к стали; В) Введение ингибиторов в охлаждающую жидкость; Д) Воронение
Покрытия, легирование, ингибиторы и изменение поверхностного слоя (воронение, оксидирование) защищают металл. Контакт стали с медью, наоборот, ускоряет коррозию стали.
-
Сколько электронов принимает одна молекула кислорода при восстановлении в воде до гидроксид-ионов?
Показать ответ
Ответ: 4
\(\mathrm{O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-}\) — каждый из двух атомов кислорода переходит из степени окисления 0 в −2.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Стальной болт ввернули в магниевую деталь, и соединение оказалось во влажной среде. Какой металл будет разрушаться в первую очередь? Почему?
Подсказка
Сравните положение железа и магния в электрохимическом ряду напряжений.
Решение
В контакте двух металлов в электролите разрушается более активный — тот, что стоит в ряду напряжений левее. Магний левее железа, поэтому окисляется магний:
Ответ
Железная проволока массой 5,6 г полностью превратилась в ржавчину, которую упрощённо считают гидроксидом железа(III). Какова масса ржавчины?
Подсказка
Атомов железа в ржавчине столько же, сколько было в проволоке.
Решение
- \(m(\mathrm{Fe}) = 5{,}6\) г
- \(m(\mathrm{Fe(OH)_3})\).
\[\mathrm{4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3}\]\(n(\mathrm{Fe}) = \dfrac{5{,}6}{56} = 0{,}1\) моль
- по уравнению \(n(\mathrm{Fe(OH)_3}) = n(\mathrm{Fe}) = 0{,}1\) моль. \(M(\mathrm{Fe(OH)_3}) = 56 + 3 \cdot 17 = 107\) г/моль
- \(m = 0{,}1 \cdot 107 = 10{,}7\) г. Ржавчина почти вдвое тяжелее железа — к металлу присоединились кислород и вода
Ответ
При прокаливании на воздухе 16,8 г железа целиком превратились в окалину \(\mathrm{Fe_3O_4}\). Какова масса окалины и какой объём кислорода (н. у.) израсходован?
Подсказка
Это химическая (газовая) коррозия; запишите уравнение и найдите количество железа.
Решение
- \(m(\mathrm{Fe}) = 16{,}8\) г
- \(m(\mathrm{Fe_3O_4})\)
- \(V(\mathrm{O_2})\).
\[\mathrm{3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4}\]\(n(\mathrm{Fe}) = \dfrac{16{,}8}{56} = 0{,}3\) моль. \(n(\mathrm{Fe_3O_4}) = \dfrac{0{,}3}{3} = 0{,}1\) моль
- \(M(\mathrm{Fe_3O_4}) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 232\) г/моль
- \(m = 0{,}1 \cdot 232 = 23{,}2\) г. \(n(\mathrm{O_2}) = \dfrac{2}{3} \cdot 0{,}3 = 0{,}2\) моль
- \(V = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48\) л
Ответ
Есть две царапины — на консервной банке из белой жести (железо, покрытое оловом) и на оцинкованном ведре. Где железо под царапиной заржавеет быстрее? Запишите процессы окисления.
Подсказка
Какой из металлов пары активнее — покрытие или железо?
Решение
Во влажном воздухе на царапине железо и металл покрытия образуют пару, разрушается более активный.
Белая жесть. Олово правее железа в ряду напряжений, значит, активнее железо — оно и окисляется, причём быстрее, чем без олова:
Оцинкованное ведро. Цинк активнее железа и окисляется сам:
Ответ
Цинковый протектор на корпусе катера за сезон потерял 3,25 кг массы. Какой объём кислорода (н. у.) восстановился за это время на стальном корпусе? Считайте, что весь цинк ушёл на защиту.
Подсказка
Сколько электронов отдаёт атом цинка и сколько принимает молекула кислорода?
Решение
- \(m(\mathrm{Zn}) = 3{,}25\) кг \(= 3250\) г
- \(V(\mathrm{O_2})\).
\[\mathrm{Zn - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}} \qquad \mathrm{O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-}\]\(n(\mathrm{Zn}) = \dfrac{3250}{65} = 50\) моль
- электронов отдано \(2 \cdot 50 = 100\) моль. Одна молекула кислорода принимает 4 электрона: \(n(\mathrm{O_2}) = \dfrac{100}{4} = 25\) моль. \(V = 25 \cdot 22{,}4 = 560\) л. Суммарно: \(\mathrm{2Zn + O_2 + 2H_2O \rightarrow 2Zn(OH)_2}\) — на 2 моль цинка 1 моль кислорода
- тот же результат
Ответ
К стальной водопроводной трубе прикрутили латунный (медный сплав) кран без изоляционной прокладки. Что произойдёт с трубой у места соединения и как этого избежать? Запишите процессы.
Подсказка
Вода в трубе — раствор электролита, а металлы касаются друг друга.
Решение
Железо и медь в воде образуют гальваническую пару. Железо активнее, поэтому у места контакта оно окисляется:
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Положите в три стакана по стальному гвоздю (не оцинкованному): в первый — простую воду, во второй — солёную, третий гвоздь оставьте сухим. Через пару дней сильнее всего заржавеет гвоздь в солёной воде, сухой останется блестящим. Объясните: для ржавления нужны кислород и вода, а соль делает воду проводником и ускоряет процесс. Покажите оцинкованное ведро или кровлю и скажите, что цинк «жертвует собой» ради железа.
Вопросы для проверки понимания: 1) Почему алюминиевая кастрюля не ржавеет, а железная сковорода — ржавеет? 2) Зачем к днищу корабля крепят цинковые пластины? 3) Почему царапина на консервной банке ржавеет особенно быстро?
На что обратить внимание. Ребёнок должен уверенно определять по ряду напряжений, какой металл в паре разрушается, и писать полуреакцию восстановления кислорода с водой. Частая путаница — считать любое металлическое покрытие надёжной защитой.