§ 12. Корозія металів

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Яке явище називають корозією?

Корозією називають самочинне руйнування металів унаслідок їхньої хімічної або електрохімічної взаємодії з речовинами навколишнього середовища.

Які хімічні перетворення зумовлюють корозію металів?

Корозію металів зумовлюють окисно-відновні реакції за участю металів та окисників із довкілля: кисню $O_2$, води $H_2O$, вуглекислого газу $CO_2$, оксидів Сульфуру та Нітрогену, а також розчинів електролітів (солей, кислот).

На чому ґрунтується захист металів від корозії?

Захист металів ґрунтується на ізоляції поверхні металу від контакту з агресивним середовищем, зниженні агресивності самого середовища (використання інгібіторів) або на електрохімічних методах (наприклад, протекторний захист).

ЗАВДАННЯ

Назвіть кілька виробів із металів, які є у вас вдома і мають сліди корозії.

Сліди корозії можна спостерігати на лезах старих ножів (виготовлених із вуглецевої сталі), на металевих елементах вуличних меблів, інструментах або велосипедних ланцюгах, що зберігалися у вологому приміщенні.

Складіть хімічне рівняння корозії заліза.

Рівняння утворення іржі (гідратованого ферум(ІІІ) оксиду або метагідроксиду) можна записати так:
$4Fe + 3O_2 + 2H_2O = 4FeO(OH)$

Складіть хімічне рівняння корозії міді.

Мідь кородує у вологому повітрі за наявності вуглекислого газу з утворенням патини (основного купрум(ІІ) карбонату):
$2Cu + O_2 + H_2O + CO_2 = (CuOH)_2CO_3$

Складіть хімічне рівняння корозії срібла.

Потемніння срібла відбувається внаслідок взаємодії із сірководнем $H_2S$ за наявності кисню:
$4Ag + 2H_2S + O_2 = 2Ag_2S + 2H_2O$

За матеріалами з інтернету з’ясуйте, для чого використовують титан у медицині.

Титан широко використовують у медицині для виготовлення ендопротезів (суглобів), зубних імплантатів, пластин для остеосинтезу та хірургічних інструментів. Цей метал є біоінертним (не відторгається організмом), легким, міцним та надзвичайно стійким до корозії в біологічних рідинах.

У яких випадках такий спосіб боротьби з корозією не дає позитивного результату?

Ізоляція металу за допомогою лакофарбових або полімерних покриттів стає неефективною у разі порушення цілісності захисного шару. Навіть крізь мікротріщини або подряпини волога та кисень потрапляють до поверхні металу, що спричиняє підплівкову корозію, яка може протікати приховано та інтенсивно.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про корозію металів і захист від неї.

Корозія — це природний окисно-відновний процес руйнування металів під впливом компонентів довкілля. Найбільшої шкоди завдає корозія заліза (іржавіння). Для захисту металевих виробів застосовують:

1. Нанесення захисних покриттів (фарби, емалі, інші метали).
2. Використання корозійностійких сплавів (легування).
3. Введення інгібіторів у середовище.
4. Електрохімічний захист (протектори).

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Запитання: Чому алюміній, будучи активним металом, стійкий до корозії в атмосфері, але швидко руйнується, якщо на його поверхню нанести краплю ртуті?
Відповідь: Алюміній захищений міцною оксидною плівкою $Al_2O_3$. Ртуть утворює з алюмінієм амальгаму, яка перешкоджає утворенню цієї захисної плівки, через що алюміній починає бурхливо реагувати з киснем повітря та вологою.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

120. Фізичним чи хімічним явищем є корозія металу?

Корозія є хімічним (або електрохімічним) явищем, оскільки відбувається зміна складу речовини: атоми металу окиснюються і перетворюються на йони, утворюючи нові сполуки (оксиди, гідроксиди, солі).

121. Який найуживаніший метал кородує найбільшою мірою, а які метали не зазнають корозії?

Найбільше піддається корозії залізо (та його сплави — чавун і сталь). Практично не зазнають корозії благородні метали (золото $Au$, платина $Pt$), а також метали з дуже міцною оксидною плівкою (титан $Ti$, тантал $Ta$).

122. Назвіть способи захисту металів від корозії, які ґрунтуються на використанні хімічних реакцій.

До таких способів належать:

• Оксидування (воронування): хімічна обробка для створення міцної оксидної плівки.
• Фосфатування: створення плівки з нерозчинних фосфатів.
• Протекторний захист: використання активнішого металу, який окиснюється (руйнується) замість основного виробу.
• Використання інгібіторів: речовин, що хімічно взаємодіють із поверхнею металу або середовищем, сповільнюючи корозію.

АНАЛІЗУЙМО

123. Чим можна пояснити те, що залізо майже не трапляється в природі?

Залізо є хімічно активним металом (має середню активність). Протягом геологічної історії Землі воно прореагувало з киснем, водою та іншими елементами, утворивши стійкі сполуки (оксиди, сульфіди, карбонати). У вільному стані залізо трапляється лише у складі метеоритів.

ПОМІРКУЙТЕ

124. Придивіться до металічної решітки газової плити, на яку ставлять каструлі, сковорідки, або до дверцят пічки. Опишіть, що відбувається з металом і його поверхнею.

Відбувається газова (хімічна) корозія за високих температур. Поверхня металу реагує з киснем, утворюючи темний шар окалини (суміш оксидів $FeO$, $Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$). З часом метал стоншується, стає крихким і розшаровується.

125. Чому у великих містах, промислових центрах корозія металевих конструкцій є інтенсивнішою, ніж у приміській місцевості?

Атмосфера промислових міст містить підвищену концентрацію оксидів Сульфуру ($SO_2$, $SO_3$) та Нітрогену ($NO_2$). Взаємодіючи з вологою повітря, ці гази утворюють кислоти (кислотні дощі), які є сильними електролітами. Це значно пришвидшує електрохімічну корозію металів.

126. Майстер приєднав сантехнічне обладнання до залізної труби мідними гайками. Він пояснив, що мідь досить стійка до корозії. Чи варто було так робити? Дайте аргументовану відповідь.

Це помилкове рішення. У місці контакту заліза ($Fe$) та міді ($Cu$) за наявності води (електроліту) утворюється гальванічна пара. Оскільки залізо є активнішим металом (стоїть лівіше від міді в ряду активності), воно виконуватиме роль анода і руйнуватиметься значно швидше, ніж без контакту з міддю. Це призведе до швидкого протікання з’єднання.

СТВОРЮЙМО

127. Основа неіржавної сталі — залізо. Ця сталь містить інші метали, стійкіші до корозії. За матеріалами з інтернету з’ясуйте склад одного із видів неіржавної сталі. У зошиті чи на комп’ютері побудуйте діаграму кількісного складу цієї сталі.

Розглянемо популярну харчову неіржавну сталь марки 12Х18Н10 (аналог AISI 304).
Її орієнтовний склад:

• Залізо ($Fe$): $\approx 69\%$
• Хром ($Cr$): $18\%$ (забезпечує стійкість до корозії)
• Нікель ($Ni$): $10\%$
• Вуглець ($C$) та домішки: $\le 3\%$

Примітка: Діаграму можна зобразити у вигляді кругової або стовпчастої діаграми, де сектори відповідають наведеним відсоткам.

ШАНС ДЛЯ ТВОРЧОСТІ

128. Зобразіть схему «Способи захисту металів від корозії».

СХЕМА: ЗАХИСТ МЕТАЛІВ ВІД КОРОЗІЇ

1. Ізоляція від середовища:
   • Неметалічні покриття (фарби, лаки, мастила, емалі, полімери).
   • Металічні покриття (цинкування, лудіння, хромування, нікелювання).
2. Зміна властивостей металу:
   • Легування (додавання $Cr$, $Ni$ тощо — створення неіржавних сталей).
3. Зміна властивостей середовища:
   • Інгібітори корозії (добавки, що сповільнюють реакцію).
   • Видалення кисню (деаерація води).
4. Електрохімічний захист:
   • Протекторний захист (приєднання активнішого металу, наприклад $Mg$ або $Zn$).
   • Катодний захист (підключення до джерела струму).

У КОМАНДІ

129. Використавши відомості з інтернету, підготуйте повідомлення на тему «Як очистити виріб зі срібла (обручку, ланцюжок, ложку) від продукту корозії».

Ефективний домашній спосіб — електрохімічне відновлення.
Метод:

1. У ємність покласти алюмінієву фольгу ($Al$).
2. На фольгу покласти срібний виріб (контакт обов’язковий).
3. Залити гарячим розчином харчової соди ($NaHCO_3$) та солі ($NaCl$).
   Хімізм процесу: Алюміній, як активніший метал, відновлює йони Аргентуму із сульфідного нальоту ($Ag_2S$). Срібло очищується, а алюміній окиснюється. Сірководень виділяється або зв’язується.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

130. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Корозія — Corrosion
• Іржа — Rust
• Інгібітор — Inhibitor
• Сплав — Alloy
• Покриття — Coating
• Оксидна плівка — Oxide film
• Протекторний захист — Sacrificial protection
• Гальванічна пара — Galvanic pair
• Неіржавна сталь — Stainless steel

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

131. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.