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ー ⟶ 4OHー
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ー ⟶ 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ー
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ー ⟶ 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ー . Wtedy :
Fe ⟶ Fe2+ + 2eー
O2 + 2H2O + 4e ⟶ 4OHー
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.
