Сегодня с образованием ржавчины на металлических поверхностях сталкиваются многие люди. Она образуется под воздействием окружающей среды. Процесс образования ржавого налета может иметь разную продолжительность. Она зависит от того, в каких условиях окружающей среды находится тот или иной металлический предмет.

С химической точки зрения ржавчина представляет собой оксид железа. Он образуется путем влияния кислорода на железо в условиях высокой влажности. С физической точки зрения данное образование на металлической поверхности представляет собой налет насыщенного оранжевого цвета, который обладает достаточно хрупкой консистенцией. Цвет ржавчины при некоторых условиях может быть и зеленым.

На сегодняшний день встречается несколько видов ржавчины. Они зависят от того, каким образом образуется налет.

К видам данного типа коррозии относятся:

• Красные окислы. Они образуются под воздействием кислорода на железо под воздействием воды.
• Зеленая ржавчина. Она образуется под воздействием на железо хлора без участия в процессе кислорода. В современно мире не редко встречается такой тип ржавчины. Он известен многим благодаря налету, который образуется на арматуре, которая применяется для сооружения бетонных морских столбов.

Существует еще несколько видов и форм ржавчины. Все он отличаются визуально. В некоторых случаях для определения типа коррозии используется метод спектроскопии. Образование коррозии на железе практически неизбежно. Постепенно любое количество данного металла под воздействием кислорода и воды превращается в груду, которая полностью покрыта налетом насыщенного оранжевого цвета. В последующем это может привести к разрушению железа. Под воздействием ржавчины данный металл начинает приобретать не плотную структуру, что приводит к тому, что ржавчина его разъедает и уничтожает.

Ржавчина принадлежит к одному из продуктов такого процесса, как коррозия. В результате него повреждаются различные виды металлов. Коррозии подвержены металлы, которые образуются из сплавов железа. Сталь в некоторых случаях тоже подвергается данному процессу, если она не относится к разряду нержавеющих. Однако ржавчиной называется именно процесс образования оксида железа.

Причиной ржавления железа чаще всего является наличие воды, доступа к кислороду и к другим сильным окислителям. Под их воздействием железо начинает покрываться ржавым налетом. Для того чтобы ускорить этот процесс достаточно только добавить соли. В результате электрохимической реакции железо начнет ржаветь сильнее и быстрее произойдет разрушение предмета, который сделан из данного металла.

В некоторых случаях железо начинает покрываться ржавчиной, если оно находится в агрессивной среде. Такой средой может быть раствор, состоящий из воды диоксида серы и углекислого газа.

Таблица. Основные количественные показатели коррозии и коррозионной стойкости.

Вид коррозии	Основные количественные показатели коррозии и коррозионной стойкости
	Коррозионный эффект (интегральный показатель коррозии)	Скоростной (дифференциальный) показатель коррозии	Показатель коррозионной стойкости
Сплошная коррозия		Линейная скорость коррозии	Время проникновения коррозии на допустимую (заданную) глубину*
	Потеря массы на единицу площади	Скорость убыли массы	Время до уменьшения массы на допустимую (заданную) величину*
Коррозия пятнами	Степень поражения поверхности
Питтинговая коррозия	Максимальная глубина питтинга	Максимальная скорость проникновения питтинга	Минимальное время проникновения питтингов на допустимую (заданную) глубину*
	Максимальный размер поперечника питтинга в устье		Минимальное время достижения допустимого (заданного) размера поперечника питтинга в устье*
	Степень поражения поверхности питтингами		Время достижения допустимой (заданной) степени поражения*
Межкристаллитная коррозия	Глубина проникновения коррозии		Время проникновения на допустимую (заданную) глубину*
	Снижение механических свойств (относительного удлинения, сужения, ударной вязкости, временного сопротивления разрыву)		Время снижения механических свойств до допустимого (заданного) уровня*
Коррозионное растрескивание	Глубина (длина) трещин	Скорость роста трещин	Время до появления первой трещины**
	Снижение механических свойств (относительного удлинения, сужения)		Время до разрушения образца** Уровень безопасных напряжений** (условный предел длительной коррозионной прочности**) Пороговый коэффициент интенсивности напряжений при коррозионном растрескивании**
Коррозионная усталость	Глубина (длина) трещин	Скорость роста трещин	Количество циклов до разрушения образца** Условный предел коррозионной усталости** Пороговый коэффициент интенсивности напряжений при коррозионной усталости**
Расслаивающая коррозия	Степень поражения поверхности отслоениями Суммарная длина торцов с трещинами		-
	Глубина проникновения коррозии	Скорость проникновения коррозии

В современном мире производится большое количество изделий из железа. Они представлены и товарами промышленного назначения, и продукцией для использования в быту. Всегда хочется, чтобы они прослужили длительное время. Образование ржавчины не является полезным для предметов, сделанных из железа. Она приводит к их поломке и выходу из строя. Именно по этой причине следует знать о том, как убрать ржавчину, и как противостоять ее появлению.

Для того чтобы ржавчина не нанесла вред изделиям необходимо использовать специальные средства для того, чтобы на поверхности объектов из железа образовалась пленка, защищающая от проникновения в структуру металла воздуха и воды.

На сегодняшний день для защиты от ржавчины используются следующие методы:

• Гальванизация. Данный метод применяется при производстве нержавейки. На металл наносится слой меди или цинка. Также в некоторых случаях применяется кадмий. Данные вещества образуют на поверхности не видную пленку, которая придает материалу железа плотность и высокую устойчивость к влаге и к кислороду.
• Катодная защита. Данный метод применяется преимущественно для труб, которые прокладываются глубоко под землей. К ним проводится электрический заряд, который вызывает электрохимическую реакцию, предотвращаю появление ржавого налета на поверхности труб.
• Нанесение на поверхность предметов из железа лакокрасочных изделий. Данный метод заключается в том, чтобы помимо декорирования изделия, защитить его от налета ржавчины. Краска тонким слоем покрывает металла и не дает возможности влаге и воздуху добраться до структуры железа.

Важно: Для того чтобы на окрашенном изделии не образовалось ржавчины необходимо следить, чтобы краска лежала ровным слоем и не имела никаких сколов. Иначе на поверхность металла будет влиять влажность и воздух.

В настоящее время имеются средства для удаления ржавчины. Их можно использовать, когда налет уже образовался. Они направлены на то, чтобы сделать структуру налета более хрупкой для получения возможности снятия его с поверхности металла.

Самым популярным средством устранения ржавого налета является преобразователь ржавчины. Он представляет собой раствор, который превращает налет в вещество, которое легко поддается устранению. Многие такие средства делают структуру ржавчины более однородной, что позволяет оставлять ее на поверхности металла для проведения лакокрасочных работ, если она не нарушает ее ровность.

Сегодня не редко встречается специальная краска по ржавчине. Она представлена на отечественном рынке большим количеством марок. Ее достоинством является то, что, она дает достаточно плотное покрытие. Она обладает тройным действием.

В последнее годы обретает все большую популярность ржавый цвет. Добиться такой расцветки можно одним из двух способов: имитировать ржавление или же заржавить металл естественным образом. О том, как сделать ржавчину различными способами, пойдет речь ниже.

Натуральная ржавчина

В данной статье не берется в расчет естественное ржавление металла, которое постепенно происходит с ним под действием окружающей среды. Ускорить появление натуральной ржавчины можно путем химической реакции, которая вызовет коррозию металла.

Прежде всего, нужно убедиться, что металл, который нужно заржавить, подвержен коррозии. Ржавлению подвержены металлы с содержанием железа. Однако многие материалы устойчивы к появлению ржавчины, например, нержавейка или хромовые сплавы. Хорошо поддаются коррозии кованое железо и чугун.

Медно-кислотный раствор

Инструкция:

Раствор уксуса и отбеливателя

Данная методика лучше всего подходит для металлов на основе железа или олова. Обязательное условие: поверхность не должна быть прогрунтованной или покрытой герметиком.

Инструкция:

1. Перемешиваем в емкости часть уксуса с двумя частями хлорной извести.
2. Размещаем металл в емкости так, чтобы он был полностью погружен. Ждем примерно полчаса. По истечении этого срока на поверхности появится ржавчина.
3. Обтираем материал тряпкой.
4. Пока предмет не высохнет полностью, следует избегать прямых контактов с ним, чтобы не повредить кожу хлором.
5. Закрепляем ржавчину с помощью грунтовки. Проще всего будет применить грунтовочный состав в аэрозольном баллончике.

Другие способы

Выше перечислены наиболее распространенные методы ускорения коррозийных процессов. Однако существуют и другие способы.

Ржавление с помощью перекиси водорода и соли:

1. Заливаем перекись в емкость. Желательно использовать бутылку с распылителем, так как подобным способом легче всего наносить жидкость на материал.
2. Хорошо опрыскиваем металл.
3. Посыпаем мокрую поверхность солью. Металл начнет ржаветь почти сразу. Интенсивность ржавления зависит от количества соли.
4. Даем высохнуть металлу на свежем воздухе. Поверхность нельзя вытирать до ее высыхания, иначе ржавление будет очень неравномерным. Протереть поверхность можно только после ее полного высыхания.

Ржавление с помощью перекиси водорода и уксуса:

1. Зачищаем поверхность (в случае надобности).
2. Распыляем перекись по поверхности из пульверизатора.
3. Распыляем уксус по металлу.
4. Ждем несколько часов, пока появится ржавчина.

Ржавление с помощью лимонного сока и соли:

1. Смешиваем 4 части лимонного сока с 1 частью поваренной соли.
2. Обрабатываем раствором зачищенную поверхность. Вскоре появятся следы ржавления.

Для того, чтобы получить эффект ржавчины необязательно портить материал. Можно имитировать ржавление. Причем придать заржавленный вид можно как металлу, так и другим материалам, в частности древесине.

Краска под ржавчину

Ржавый оттенок образуется смешением красного, желтого и коричневого пигментов. Также можно добавить немного синего - это позволит придать покрытию яркости и глубины.

Существует природный пигмент, который без всякого смешивания разных цветов дает возможность получить ржавый оттенок. Называется этот пигмент - охра (другое название - сурик железный), которая представляет собой смесь глины и гидрата окиси железа.

Природная охра не является самостоятельным видом красок. Это лишь компонент, который в том или ином количестве добавляется в лакокрасочные материалы (краски, эмали) и грунтовки. Помимо этого компонента, в красках присутствуют и другие вещества.

Пигмент отличается следующими характеристиками:

• укрывистость - от 60 до 80 граммов на квадратный метр;
• маслоемкость - от 25 до 35 граммов на 100 граммов вещества;
• PH водной вытяжки - от 7 до 8.

Охра характеризуется стойкостью к агрессивным химическим веществам (органическим растворителям, кислотам, щелочам), а также устойчивостью к свету и влажности.

Имитирующая пленка

Придать металлу ржавый вид можно с помощью специальной пленки. Ниже приведена инструкция по ее применению:

1. Обезжириваем поверхность спиртом.
2. Примеряем элементы пленки к поверхности.
3. Увлажняем металл из специального пульверизатора. К влажной поверхности пленка приклеится более качественно.
4. Отрываем пленку от подложки.
5. Приклеиваем вначале среднюю часть полотна, а затем разравниваем края по поверхности.
6. Сушим приклеенную пленку феном.

Эффект ржавчины на деревянной мебели

Имитация ржавчины может быть осуществлена не только на металле, но и на дереве.

Необходимые материалы:

• краска (2 вида);
• поваренная соль;
• наждачка;

Одна из красок должна иметь цвет, максимально схожий с ржавчиной. Вторая краска выступает в качестве основной, она должна подходить под мебель и другие аксессуары в помещении.

Прежде чем наносить краску ржавого цвета, зачищаем поверхность древесины от всех дефектов. Можно также отлакировать дерево. Далее окрашиваем мебель краской под ржавчину и дожидаемся, пока поверхность слегка подсохнет. На еще невысохшую поверхность наносим слой поваренной соли.

Когда поверхность с нанесенной на нее солью высохнет, наносим основную краску. Дожидаемся высыхания поверхности. После этого снимаем соль мелкозернистой наждачкой. Если удалить всю соль не получится, образуется эффект легкой шероховатости, который сильнее подчеркнет ржавый цвет. Последний шаг – обработка дерева защитным слоем лака.

Эффект ржавчины придаст любому изделию совершенно уникальный, неповторимый вид. Причем сделать все это можно своими руками. Главное в процессе работы – соблюдать технологический процесс и придерживаться защитных мер, так как во многих случаях придется работать с небезопасными для здоровья химикатами.

XV Городская научно-практическая конференция школьников

«Юность. Наука. Творчество»,

Секция начальной школы

Исследовательская работа

« Что такое ржавчина и её роль в экологии»

Выполнила:

ученица 4 «З» класса

МБОУ СОШ №3

Консультант:

педагог дополнительного

образования Центра

внешкольной работы

ЗАТО г. Межгорье

ВВЕДЕНИЕ. 3

РОЛЬ МЕТАЛЛОВ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА.. 6

МЕТАЛЛЫ И РЖАВЧИНА.. 7

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 9

ЖЕЛЕЗО И ЭКОЛОГИЯ.. 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 15

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 19

ПРИЛОЖЕНИЕ. 20

ВВЕДЕНИЕ

5) водопроводная вода.

Поместив железные гвозди в различные среды на длительный срок (4 месяца) и наблюдая за ними, получил такие результаты:

1. В щелочной среде гвоздь остался без изменений.

2. В кислой среде гвоздь изъеден уксусной кислотой.

3. В дистиллированной воде гвоздь покрылся тонким слоем рыхлой ржавчины.

4. В водопроводной воде гвоздь покрылся толстым плотным слоем ржавчины.

5. В водопроводной воде окрашенный гвоздь остался без изменения.

Вывод:

· водопроводная вода - самая благоприятная среда для возникновения ржавчины , так как в ней содержится много примесей;

· самая благоприятная среда предохранения железа от ржавчины – щелочная, так как добавление соды к воде, ослабило коррозию металла;

· окрашенный гвоздь, покрытый эмалью, не ржавеет, так как слой эмали является защитным покрытием.

Проблема защиты металлов от коррозии возникла очень давно, почти сразу же как человек начал их использовать. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел или покрытием другими металлами. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до н. э.) уже упоминается о применении олова для защиты железа от коррозии.

А какие ещё металлы могут защитить железо от разложения?

Для этого я решила узнать, как различные металлы противостоят коррозии и провести следующий опыт.

ОПЫТ 2. «Как различные металлы противостоят коррозии»

Цель опыта: выяснить, какой металл и при каких условиях подвергается коррозии быстрее всего.

Материалы и оборудование: для проведения эксперимента понадобилось 5 гвоздей, 5 пробирок, 5 стаканов с различными растворами:

1) соль + сода + железный гвоздь;

2) соль + железный гвоздь;

3) соль + железный гвоздь, обмотанный медной проволокой;

4) соль + железный гвоздь, обмотанный алюминиевой проволокой;

5) простая водопроводная вода + железный гвоздь.

В каждом растворе находится гвоздь, закрытый пробиркой. Внутри пробирки остается пространство с воздухом.

Через некоторое время мои наблюдения привели к следующим результатам :

1. Сравним стаканы № 2 и № 3. В обоих случаях железо находилось в одном и том же растворе, только в стакане № 3 оно соприкасалось с медью. В обоих случаях произошла коррозия, и появился бурый осадок ржавчины. Только в стакане № 3 ржавчины получилось много, а в стакане № 2 - мало. Поэтому и расход кислорода в № 3 большой, вода в пробирке поднялась высоко, во 2-ом расход кислорода мал, поэтому вода поднялась немного.

2. Сравним стакан № 1 с раствором соли и соды со стаканом № 2 с раствором соли. В обоих случаях произошла коррозия, но добавление соды к раствору соли, ослабило коррозию. Из-за создания щелочной среды, ржавчины образовалось мало, кислорода в пробирке использовалось меньше, вода вверх не поднялась.

3. Сравним стаканы № 2 и № 4. Оба гвоздя находились в одном растворе, только теперь гвоздь соприкасался с алюминиевой проволокой. В обоих случаях произошла коррозия, только осадки получились разного цвета. Следовательно, в опыте № 4 коррозировало не железо, а алюминий.

Вывод: большое количество ржавчины образовалось в стаканах № 2, 3, 5, незначительное количество ржавчины – в стакане № 1, а в стакане № 4 ржавчина не образовалась.

Разобраться с данным результатом помогла учитель химии. Она показала электрохимический ряд активности металлов и объяснила, что чем левее находится металл в этом ряду, тем он активнее.

Алюминий Al находится левее, чем железо Fe , поэтому его активность больше. В стакане № 4 ржавчины нет, произошла коррозия - образовался оксид алюминия.

Медь Cu находится правее от железа Fe и менее активен, в стакане № 3 произошла коррозия железа и образовался оксид меди.

Вывод:

1. Коррозия металлов (разрушение) не имеет положительных эффектов, и поэтому весь научный мир усиленно ищет способы защиты металлических конструкций от любых видов коррозии.

2. Коррозия металла резко усиливается , если железо соприкасается с менее активным металлом, расположенным правее, чем железо.

3. Коррозия замедляется , если железо соприкасается с более активным металлом, расположенным левее, чем железо.

4. Скорость коррозии металла зависит от состава омывающей металл среды. Одни из сред усиливают коррозию, а другие - ослабляют.

4. Чем больше в железе примесей , тем легче оно покрывается ржавчиной и постепенно разрушается.

Получить полный текст

5. Легче предупредить ржавчину , чем остановить её, когда она появилась.

ЖЕЛЕЗО И ЭКОЛОГИЯ

Человечество в процессе жизнедеятельности влияет на различные экологические системы. Примером отрицательных воздействий являются несанкционированные свалки металлолома. В процессе своей эксплуатации изделия из металла покрываются различными химическими составами: красителями, растворителями, машинными маслами, моющими средствами , антикоррозийными покрытиями и выбрасываются в окружающую среду (см. Приложение).

Они наносят вред естественным местам обитания животных и растений, изменяют природные ландшафты, вызывают осложнение экологической и санитарной обстановки в населенных пунктах.

Изменения, происходящие в природе, в результате образования свалки влекут за собой следующие последствия:

1) опасные вещества с поверхности металла просачиваются в почву и подземные воды и являются угрозой заражения почвы, питьевой воды ;

2) изменяется микроклимат вокруг свалки, который отрицательно влияет на растительный и животный мир (куски металлов травмируют животных).

Время, затраченное для разложения железа, составляет: на землелет, в пресной воде – около 3 – 5 лет, в солёной воде – 1 - 2 года.

Наиболее эффективным способом решения проблемы является вторичная переработка (переплавка) металла. Для этого нужно возобновлять сборы металлолома, макулатуры, стеклопосуды. В решении этой проблемы активно могут участвовать и школьники и взрослые. Каждый человек с детских лет должен уважительно относиться к окружающей его природе, земле, почве.

Вывод:

1. Современное состояние почвенного покрова нашей страны неудовлетворительное и продолжает ухудшаться.

2. Человек разрушает сложившиеся связи в природной экосистеме. Это может привести к экологической катастрофе.

3. Возобновление сбора металлолома для вторичной переработки сохранит окружающую экосистему.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исходя из выводов, можно перечислить следующие способы предупреждения и борьбы с коррозией на практике.

Способы предупреждения и борьбы с коррозией на практике:

l взаимодействие с более активными металлами (например, к трубопроводам и корпусам судов при длительной стоянке присоединяют слитки из магния или цинка);

l покрытие лаками, красками, смазками, защитными слоями из других металлов (установлено, что идеальная защита от коррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20 % качеством используемых лакокрасочных материа­лов и способом их нанесения);

l добавление специальных веществ (ингибиторов), которые замедляют коррозию.

Например:

1. Знаменитая Эйфелева башня, покрыта защитной краской. Общий вес краски превышает несколько тонн.

2. Ядро планеты Земля состоит на 35% из железа и никеля.

3. Около города Дели в Индии стоит железная колонна, которая не ржавеет, хотя её возраст почти 2800 лет. Это знаменитая Кутубская колонна высотой около семи метров и массой 6,5 тонн. Надпись на колонне говорит о том, что она была поставлена в IX веке до нашей эры. Колонна была изготовлена из очень чистого металла: железа в колонне оказалось 99,72%. Этим и объясняется её долговечность.

Изучая и рассматривая литературу, я узнала, что железо не причисляют к «благородным» металлам. Но благодаря свойству ржаветь железо и есть самый «благородный» металл, самый настоящий из всех. Если бы железо, подобно серебру и золоту, не ржавело, то есть не окислялось, то мы не существовали бы, и ни одно растение не зеленело бы на Земле. Все краски, какими обладает наша Земля, все цвета, которыми блещет рубин, зависят от присутствия в нем окисленного железа.

Растворенная в воде ржавчина составляет часть пищи растений и придает им зеленый цвет. Из-за недостатка ионов железа растения бледнеют. Та же «ржавчина» (ионы железа) снабжает нашу кровь и придает ей красный цвет.

Подбирая информацию о ржавчине, я узнала, что у растений существует болезнь, вызываемая ржавчинными грибами. Она поражает многие сельскохозяйственные, лесные и декоративные культуры. На растениях образуются споры гриба, из которых высыпается ржавый порошок. Урожайность резко снижается.

Существуют также ржавчинные грибы. Насчитывается свыше 5 000 видов. Некоторые из них являются возбудителями ржавчины растений. Например, споры хлебной ржавчины. Грибок зимует в виде черной гнили. Зимние споры прорастают весной на барбарисе, откуда болезнь переносится на злаки.

Споры хлебной ржавчины (вид под микроскопом)

Лист, пораженный ржавчинным грибом

А это - золотистая ржавчина хвои ели. Развивается на листьях багульника, затем переходит на ель. Пораженная отмирающая хвоя ярко-оранжевой окраски четко выделяется на темно-зеленом фоне здоровой кроны.

http://pandia.ru/text/77/498/images/image022_2.jpg" alt="John Ruskin.jpg" width="233" height="231">

Исходя из выше сказанного, я могу утверждать, что, несмотря на все потери и ущерб, которые наносит ржавчина деятельности человека, без нее мы не смогли бы существовать. Значит, моя гипотеза нашла свое подтверждение: если железо ржавеет, то есть разлагается, значит, это необходимое явление для всего живого в природе. Но это не говорит о том, что человек должен бесконечно добывать из недр земли все её богатства и расточительно их использовать. Мы должны научиться беречь природу и её богатства, она не прощает ошибок.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ненси К. О"Лири, Сьюзен Шелли. Увлекательные опыты. Перевод с английского А. Галыгина, В. Герцика, Н. Харламовой.– М.: АСТ», «Издательство Астель», 2009

2. Большая энциклопедия «Почемучек».- М.: «РОСМЭН», 2006

3. Я познаю мир. АСТ», 1999

4. Познавательный журнал «Детская энциклопедия» № 12-97: «Металлы от А до Я». Москва, 1996

5. За страницами учебника географии. Просвещение, 1988

6. Интернет – сайт «Википедия»

7. Интернет – сайт «Почемучки. ru»

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ РЖАВЧИНЫ

http://pandia.ru/text/77/498/images/image024_3.jpg" alt="http:///rwx/crust02.jpe" width="257" height="270">

1 этап 2 этап

Приложение

РЕЗУЛЬТАТ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

Загрязнение природы отходами жизнедеятельности человека

http://pandia.ru/text/77/498/images/image028_1.png" alt="G:\Грамота\свалка1.jpg" align="left" width="592 height=380" height="380" style="margin-top: 1px;margin-bottom:2px">Отечественный автомобиль «Победа»

Легендарная подводная лодка «Курск»

Что есть общего между ржавым гвоздем, проржавевшим мостом или прохудившимся железным забором? Отчего вообще ржавеют железные конструкции и изделия из железа? Что такое ржавчина как таковая? На эти вопросы постараемся дать ответы в нашей статье. Рассмотрим причины ржавления металлов и способы защиты от этого вредного для нас природного явления.

Причины ржавления

Все начинается с добычи металла. Не только железо, но и, например, и магний - добывают изначально в виде руды. Алюминиевая, марганцевая, железная, магниевая руды содержат в себе не чистые металлы, а их химические соединения: карбонаты, оксиды, сульфиды, гидроксиды.

Это химические соединения металлов с углеродом, кислородом, серой, водой и т. д. Чистых металлов в природе раз, два и обчелся — платина, золото, серебро — благородные металлы - они встречаются в форме металлов в свободном состоянии, и не сильно стремятся к образованию химических соединений.

Однако большинство металлов в природных условиях все же не являются свободными, и чтобы высвободить их из исходных соединений, необходимо руды плавить, восстанавливать таким образом чистые металлы.

Но выплавляя металлсодержащую руду, мы хоть и получаем металл в чистом виде, это все же состояние неустойчивое, далекое от естественного природного. По этой причине чистый металл в обычных условиях окружающей среды стремится вернуться назад в исходное состояние, то есть окислиться, а это и есть коррозия металла.

Таким образом, коррозия является естественным для металлов процессом разрушения, происходящим в условиях их взаимодействия с окружающей средой. В частности ржавление — это процесс образования гидроксида железа Fe(ОН)3, который протекает в присутствии воды.

Но на руку людям играет тот естественный факт, что окислительная реакция протекает в привычной нам атмосфере не особо стремительно, она идет с очень небольшой скоростью, поэтому мосты и самолеты не разрушаются мгновенно, а кастрюли не рассыпаются на глазах в рыжий порошок. К тому же коррозию в принципе можно замедлить, прибегнув к некоторым традиционным хитростям.

Например, нержавеющая сталь не ржавеет, хотя и состоит из железа, склонного к окислению, она тем не менее не покрывается рыжим гидроксидом. А дело здесь в том, что нержавеющая сталь — это не чистое железо, нержавеющая сталь — это сплав железа и другого металла, главным образом — хрома.

Кроме хрома в состав стали могут входить никель, молибден, титан, ниобий, сера, фосфор и т. д. Добавление в сплавы дополнительных элементов, ответственных за определенные свойства получаемых сплавов, называется легированием.

Пути защиты от коррозии

Как мы отметили выше, главным легирующим элементом, добавляемым к обычной стали для придания ей антикоррозийных свойств, является хром. Хром окисляется быстрее железа, то есть принимает удар на себя. На поверхности нержавеющей стали, таким образом, появляется сначала защитная пленка из оксида хрома, которая имеет темный цвет, и не такая рыхлая как обычная железная ржавчина.

Оксид хрома не пропускает через себя вредные для железа агрессивные ионы из окружающей среды, и металл оказывается защищенным от коррозии, словно прочным герметичным защитным костюмом. То есть оксидная пленка в данном случае несет защитную функцию.

Количество хрома в нержавеющей стали, как правило, не ниже 13%, чуть меньше в нержавеющей стали содержится никеля, и в гораздо меньших количествах имеются другие легирующие добавки.

Именно благодаря защитным пленкам, принимающим на себя воздействие окружающей среды первыми, многие металлы получаются стойкими к коррозии в различных средах. Например, ложка, тарелка или кастрюля, изготовленные из алюминия, никогда особо не блестят, они, если присмотреться, имеют белесый оттенок. Это как раз оксид алюминия, который образуется при контакте чистого алюминия с воздухом, и защищает затем металл от коррозии.

Пленка оксида возникает сама, и если зачистить алюминиевую кастрюлю наждачной бумагой, то через несколько секунд блеска поверхность снова станет белесой — алюминий на зачищенной поверхности вновь окислится под действием кислорода воздуха.

Поскольку пленка оксида алюминия образуется на нем сама, без особых технологических ухищрений, она называется пассивной пленкой. Такие металлы, на которых оксидная пленка образуется естественным образом, называются пассивирующимися. В частности алюминий — пассивирующийся металл.

Некоторые металлы принудительно переводят в пассивное состояние, например высший оксид железа — Fe2О3 способен защитить железо и его сплавы на воздухе при высоких температурах и даже в воде, чем не может похвастаться ни рыжий гидроксид, ни низшие оксиды все того же железа.

Есть в явлении пассивации и нюансы. Например, в крепкой серной кислоте мгновенно пассивированная сталь оказывается устойчивой к коррозии, а в слабом растворе серной кислоты тут же начнется коррозия.

Почему так происходит? Разгадка кажущегося парадокса состоит в том, что в крепкой кислоте на поверхности нержавеющей стали мгновенно образуется пассивирующая пленка, поскольку кислота большей концентрации обладает ярко выраженными окислительными свойствами.

В то же время слабая кислота не окисляет сталь достаточно быстро, и защитная пленка не формируется, начинается просто коррозия. В таких случаях, когда окисляющая среда не достаточно агрессивна, для достижения эффекта пассивации прибегают к специальным химическим добавкам (ингибиторам, замедлителям коррозии), помогающим образованию пассивной пленки на поверхности металла.

Так как не все металлы склонны к образованию на их поверхности пассивных пленок, даже принудительно, то добавление замедлителей в окисляющую среду попросту приводит к превентивному удержанию металла в условиях восстановления, когда окисление энергетически подавляется, то есть в условиях присутствия в агрессивной среде добавки оказывается энергетически невыгодным.

Есть и другой путь удержания металла в условиях восстановления, если нет возможности использовать ингибитор, - применить более активное покрытие: оцинкованное ведро не ржавеет, поскольку цинк покрытия корродирует при контакте с окружающей средой вперед железа, то есть принимает удар на себя, являясь более активным металлом, цинк охотнее вступает в химическую реакцию.

Днище корабля часто защищено аналогичным образом: к нему крепят кусок протектора, и тогда протектор разрушается, а днище остается невредимым.

Электрохимическая антикоррозийная защита подземных коммуникаций — также весьма распространенный путь борьбы с образованием на них ржавчины. Условия восстановления создаются подачей отрицательного катодного потенциала на металл, и в таком режиме процесс окисления металла уже не сможет протекать просто энергетически.

Кто-то может спросить, почему подверженные риску коррозии поверхности просто не красят краской, почему бы просто не покрывать каждый раз эмалью уязвимую к коррозии деталь? Для чего нужны именно разные способы?

Ответ прост. Эмаль может повредиться, например автомобильная краска может в неприметном месте отколоться, и кузов начнет постепенно но непрерывно ржаветь, поскольку сернистые соединения, соли, вода, кислород воздуха, - станут поступать к этому месту, и в итоге кузов будет разрушаться.

Чтобы такое развитие событий предотвратить, прибегают к дополнительной антикоррозийной обработке кузова. Автомобиль — это не эмалированная тарелка, которую можно в случае повреждения эмали просто выбросить, и купить новую..

Текущее положение дел

Несмотря на кажущуюся изученность и проработанность явления коррозии, несмотря на применяемые разносторонние методы защит, коррозия по сей день представляет определенную опасность. Трубопроводы разрушаются и это приводит к выбросам нефти и газа, падают самолеты, терпят крушение поезда. Природа более сложна, чем может показаться на первый взгляд, и человечеству предстоит изучить еще многие стороны коррозии.

Так, даже коррозиестойкие сплавы оказываются стойкими лишь в некоторых предсказуемых условиях, для работы в которых они изначально предназначены. Например, нержавеющие стали не терпят хлоридов, и поражаются ими — возникает язвенная, точечная и межкристальная коррозия.

Внешне без намека на ржавчину конструкция может внезапно рухнуть, если внутри образовались мелкие, но очень глубокие поражения. Микротрещины, пронизывающие толщу металла незаметны снаружи.

Даже сплав не подверженный коррозии может внезапно растрескаться, будучи под длительной механической нагрузкой — просто огромная трещина внезапно разрушит конструкцию. Такое уже случалось по всему миру с металлическими строительными конструкциями, механизмами, и даже с самолетами и вертолетами.

Андрей Повный (Google+ ,

При отсутствии кислорода. Такое вещество образуется, в частности, в арматуре , используемой в подводных бетонных столбах, и называют его зелёной ржавчиной . Несколько видов коррозии различимы зрительно или с помощью спектроскопии , они образуются при разных внешних условиях. Ржавчина состоит из гидратированного оксида железа(III) Fe 2 O 3 ·nH 2 O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH) 3). При наличии кислорода и воды и достаточном времени любая масса железа в конечном итоге преобразуется полностью в ржавчину и разрушается. Поверхность ржавчины не создаёт защиту для нижележащего железа, в отличие от образования патины на медной поверхности.

Ржавчиной, как правило, называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких как сталь. Многие другие металлы тоже подвергаются коррозии, но именно окислы железа обычно называют ржавчиной.

Химические реакции

Причины ржавления

Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, углерод), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, то оно начинает ржаветь. Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате электрохимических реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода. Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе (слой пассивации) защищает основную массу железа от дальнейшего окисления. Превращение же пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину является результатом комбинированного действия двух реагентов, как правило, кислорода и воды. Другими разрушающими факторами являются диоксид серы и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа. В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы.

Происходящие реакции

Ржавление железа - это электрохимический процесс, который начинается с переноса электронов от железа к кислороду. Скорость коррозии зависит от количества имеющейся воды, и ускоряется электролитами , о чём свидетельствуют последствия применения дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановление кислорода:

O 2 + 4 e − + 2 H 2 O → 4 OH −

Поскольку при этом образуются гидроксид-анионы , этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении . Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:

Fe → Fe 2+ + 2 e −

Следующая окислительно-восстановительная реакция происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для формирования ржавчины:

4 Fe 2+ + O 2 → 4 Fe 3+ + 2 O 2−

Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:

Fe 2+ + 2 H 2 O ⇌ Fe(OH) 2 + 2 H + Fe 3+ + 3 H 2 O ⇌ Fe(OH) 3 + 3 H +

что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:

Fe(OH) 2 ⇌ FeO + H 2 O Fe(OH) 3 ⇌ FeO(OH) + H 2 O 2 FeO(OH) ⇌ Fe 2 O 3 + H 2 O

Из приведённых выше уравнений видно, что формирование продуктов коррозии обусловлено наличием воды и кислорода. С ограничением растворённого кислорода на передний план выдвигаются железо(II)-содержащие материалы, в том числе FeO и чёрный магнит (Fe 3 O 4). Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH) 3-x O x/2 . Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.

Кроме того, эти сложные процессы зависят от присутствия других ионов, таких как Ca 2+ , которые служат в качестве электролита, и таким образом, ускоряют образование ржавчины, или в сочетании с гидроксидами и оксидами железа образуют различные осадки вида Ca-Fe-O-OH.

Более того, цвет ржавчины можно использовать для проверки наличия ионов Fe2+, которые меняют цвет ржавчины с жёлтого на синий.

Предотвращение ржавления

Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующий слой оксида хрома(III) . Подобное проявление пассивации происходит с магнием , титаном , цинком , оксидом цинка , алюминием , полианилином и другими электропроводящими полимерами.

Гальванизация

Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод гальванизации , который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом горячего цинкования , либо методом гальванотехники . Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей адгезией к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее кадмий . Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает катодную защиту металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия. В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется цинк-алюм . Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту. Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные покрытия , чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

Катодная защита

Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи электрического заряда, который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью. В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс. Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным электродным потенциалом , чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

Лакокрасочные и другие защитные покрытия

От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды. История красок для нанесения на ржавчину насчитывает 50 лет, когда в Англии была изобретена краска Hammerite . Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы от коррозии. Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким рН. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё является проблемой.

Покрытие слоем металла

• Оцинковка (оцинкованное железо/сталь): железо или сталь покрываются слоем цинка. Может использоваться метод горячего цинкования или метод цинкового дутья.
• Лужение : мягкая листовая сталь покрывается слоем олова.
• Хромирование : тонкий слой хрома наносится электролитическим способом на сталь, обеспечивая как защиту от коррозии, так и яркий, полированный внешний вид. Часто используется в блестящих компонентах велосипедов, мотоциклов и автомобилей.