Korozja, czyli znienawidzona reakcja redoks

1. Co to jest korozja ?

Korozja to zwykle stopniowy proces, w wyniku którego metale ulegają utlenieniu pod wpływem warunków środowiskowych. Jest to niemalże zawsze niechciana reakcja, stąd tytuł tego postu. Zerknijmy na wycinek z tablic maturalnych (potencjały standardowe) :

O2 + 2H2O + 4e ⟶ 4OH

E° = 0,4 V

Jak widzimy tlen (czynnik środowiskowy, bo w końcu jest obecny w powietrzu w znaczniej ilości, około 21%) co oznacza, że z chęcią się redukuje, co oznacza że jest dobrym utleniaczem.

Ale! W środowisku kwaśnym jego zdolności utleniające jeszcze bardziej rosną, ponieważ tlen wtedy jeszcze chętniej się redukuje (większa wartość potencjału standardowego) :

O2 + 4H+ + 4e ⟶ 2H2O

E° = 1,23 V

W takim razie tlen jest w stanie utlenić wiele metali, których potencjał standardowy jest niższy od tych wartości. Można powiedzieć, że korozja to przeciwny proces do tych reakcji redoks, w których metal jest otrzymywany. Przykładowo wspominaliśmy o tym, że chrom otrzymuje się w wyniku reakcji :

Cr2O3  +  2Al  ⟶  2Cr  + Al2O3

Czyli tutaj chrom ulega redukcji. Natomiast korozja będzie procesem przeciwnym, w którym metal ulega utlenieniu.

Można by zatem zadać pytanie − czemu w takim razie w przemyśle do konstrukcji budowli używa się tak często metali? Dlatego, że jeśli weźmiemy taki glin ( E° = − 1,66 V ) to on od razu ulegnie utlenieniu do Al2O3 , który jest twardą, wytrzymałą substancją, mało aktywną chemicznie. Zresztą, taki proces właśnie nazywaliśmy pasywacją! Na glinie powstaje taka ochronna warstwa tlenku, która zapobiega dalszym reakcjom, w tym korozji. Więc glin sam sobie z korozją poradzi

Nieco inaczej jest w przypadku żelaza, ponieważ jego tlenki są strukturalnie niestabilne i maja tendencję do odrywania się w postaci płatów od metalu, odkrywając go i narażając na dalszą korozję.

2. Jakie mamy reakcje chemiczne w korozji ?

Procesy chemiczne składające się na korozję są dość skomplikowane i różnią się jeszcze w zależności od podręcznika. Na pewno żelazo ulega reakcji utlenienia zgodnie z równaniem :

Fe ⟶ Fe2+ + 2e

Mówimy, że ta reakcja następuje w tak zwanych regionach anodowych, a nazwa oczywiście bierze się stąd, że jest to reakcja utlenienia (taka była definicja anody). Powstałe tam elektrony wędrują przez metaliczne żelazo do regionów katodowych, gdzie reagują z tlenem i jonami H+ i następuje oczywiście redukcja.

Skąd się tam biorą jony H+ ? Otóż w wodzie (wilgoć) mamy niewielką ilość rozpuszczonego z powietrza tlenku węgla CO2 , który łączy się z wodą dając kwas węglowy, co odpowiada za leciutko kwaśne środowisko. W regionie katodowym zachodzi zatem reakcja :

O2 + 4H+ + 4e ⟶ 2H2O

A sumaryczna reakcja wygląda wówczas następująco :

2Fe + O2 + 4H+ ⟶ Fe2+ + 2H2O

A potencjał standardowy dla tej reakcji wynosi : 1,23 − ( −0,44) = 1,67 V , zatem taka reakcja zachodzi bardzo sprawnie (co dla nas jest niekorzystne). Na nieszczęście to jeszcze nie koniec! Powstałe jony żelaza Fe2+ , mogą dalej migrować w wodzie (wilgoci) do powierzchni żelaza (regionów katodowych), gdzie są dalej utlenianie w obecności (środowiskowego) tlenu.

2Fe2+ + ½ O2 + 5H2O ⟶ 2Fe(OH)3 + 4H+

Problem dodatkowy jest taki, że wodorotlenek żelaza (III) to nie jest dokładnie Fe(OH)3 , tylko bardziej dokładnie uwodniony tlenek żelaza (III), który ma zmienną ilość cząsteczek wody, więc wyrażamy go jako hydrat z n cząsteczkami wody, czyli Fe2O3 H2O Problem dodatkowy jest taki, że wodorotlenek żelaza (III) to nie jest dokładnie Fe(OH)3 , tylko bardziej dokładnie uwodniony tlenek żelaza (III), który ma zmienną ilość cząsteczek wody, więc wyrażamy go jako hydrat z n cząsteczkami wody, czyli Fe2O3 • n H2O (rdza!) . Więc tą reakcję chemiczną utleniania jonów żelaza (II) moglibyśmy zapisać również tak :

4Fe2+ + O2 + (4+ 2n) H2O ⟶ 2 Fe2O3 • n H2O + 8H+


W uproszczonej maturalnej wersji może być też taka opcja, że nie uwzględnia się kwasowego środowiska, czyli wówczas tlen redukuje się do jonów OH . Wtedy :

Fe ⟶ Fe2+ + 2e

O2 + 2H2O + 4e ⟶ 4OH

 Reakcja sumaryczna wygląda wtedy następująco :

2Fe + O2 + 2H2O ⟶ 2Fe(OH)2

i na koniec mamy utlenianie powstałego wodorotlenku żelaza (II):

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O ⟶ 4Fe(OH)3

3. Kiedy będzie rdza ?

➦ do utworzenia rdzy potrzebna jest wilgoć, ponieważ w ostatnim etapie woda jest reagentem, a ponadto woda jest potrzebna, aby umożliwić przepływ ładunków pomiędzy regionem anodowym oraz katodowym.

A co wpływa na szybkość tworzenia rdzy ?

obecność kwasu (kwasowe środowisko). Jak widzieliśmy po wartościach potencjałów standardowych, tlen lepiej się redukuje w środowisku kwaśnym (niskim pH), więc jest wtedy lepszym utleniaczem.

obecność elektrolitu, np. NaCl. Obecność elektrolitu powoduje, że mamy lepszy przepływ ładunków, co przyspiesza tworzenie rdzy. Dlatego też samochody rdzewieją w zimie, kiedy drogi posypywane są właśnie solami (w żargonie samochodowym funkcjonuje dość agresywne sformułowanie : ,,pokrywają się rudą szmatą” , które przy okazji obrazują nam jak niekorzystny jest proces korozji w tym przypadku).

Te czynniki również wpływają na przyspieszenie korozji.

4. Jak się chronić przed korozją ?

Na wstępie jeszcze chciałbym powiedzieć, jakie są w ogóle rodzaje korozji.

Korozja chemiczna ― korozja spowodowana działaniem substancji chemicznych w warunkach, w których reakcjom chemicznym nie towarzyszy przepływ prądu (elektrony są wymieniane bezpośrednio między utlenianym metalem i utleniaczem).

Korozja elektrochemiczna ― korozja metali spowodowana procesami elektrochemicznymi. W wyniku tego procesu tworzą się ogniwa/mikroogniwa galwaniczne i reakcji towarzyszy przepływ prądu – elektronowego w metalu i jonowego w otaczającym metal elektrolicie.

A jak się uchronić przed korozją? Jest kilka metod.

➤ Oczywistym pomysłem jest ochrona fizyczna przed wilgocią. Dlatego używa się niemetaliczne powłoki ograniczające kontakt ze środowiskiem powłoki metaliczne (np. malowanie ). Wystarczy jednak zrobić zadrapanie i już odsłaniamy nasz metal na korozję.

➤ Można także użyć powłoki z metalu, który się sam poświęci (jak kamikadze), a więc musi to być metal, który łatwiej będzie się utleniał niż żelazo.


Leave a Reply

%d bloggers like this: