Наряду с ответами на эти вопросы, попробуем ответить на другой: — Как с ней можно бороться?
«Наука и жизнь»
Давайте вспомним, откуда берется железо или, например, алюминий. Правильно, их выплавляют из руды — железной, марганцевой, магниевой, алюминиевой и др. Металлы в рудах содержатся в основном в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов, сульфидов, то есть в виде химических соединений с кислородом, водой, серой и пр.
В природе в металлическом, или свободном состоянии в основном можно встретить лишь золото, платину, иногда серебро. Эти металлы устойчивы, то есть не стремятся (или слабо стремятся) образовывать химические соединения. Наверное, по этой причине они получили название благородных.
Что же до подавляющего большинства металлов, то чтобы они находились в свободном состоянии, их надо восстановить из природных рудных соединений, то есть выплавить. Выходит, выплавляя металл, мы переводим его из устойчивого состояния в неустойчивое. Вот он и стремится вернуться в исходное состояние — окислиться. Это и есть коррозия — естественный для металлов процесс разрушения при взаимодействии с окружающей средой. Частный случай коррозии — ржавление — образование на железе гидроксида железа Fe(OH) 3. Этот процесс может протекать только в присутствии влаги (воды или водяных паров).
Но почему же тогда не рушатся в одночасье мосты, не рассыпаются мгновенно самолеты и автомобили? Да и кастрюльки со сковородками не превращаются на наших глазах в рыжий, черный или серый порошок. К счастью, реакции окисления металлов протекают не столь стремительно. Как и любой процесс, они идут с определенной скоростью, порою очень небольшой. Более того, есть много способов замедлить коррозию.
Вы замечали, что на нержавеющей стали не бывает ржавчины, хотя ее основу составляет то же самое железо, которое при окислении (в присутствии воды или водяного пара) превращается в рыжий мохнатый гидроксид. Тут есть одна хитрость: нержавеющая сталь — это сплав железа с другими металлами. Введение в металлические сплавы элементов для придания им тех или иных свойств называется легированием.
Основной легирующий элемент, который добавляют к обычной (углеродистой) стали, чтобы получить нержавеющую, — хром. Этот металл тоже стремится окислиться, что он с успехом и делает гораздо охотнее и быстрее, чем само железо. При этом на поверхности нержавеющей стали быстро образуется пленка из оксида хрома.
В отличие от рыхлой ржавчины компактный темный оксид хрома не дает агрессивным ионам окружающей среды проникать к поверхности металла, то есть оксид попросту прикрывает собой металл, и процесс коррозии прекращается. Такие оксидные пленки называются защитными. В нержавеющих сталях хрома должно быть строго определенное количество, но не менее 13 %. Кроме хрома в нержавеющие стали часто добавляют никель, молибден, ниобий и титан.
Благодаря защитным пленкам многие металлы неплохо выдерживают воздействие различных сред. Возьмем, к примеру, алюминиевую кастрюльку, в какой кипятят молоко или варят манную кашу.
Обычно такая кастрюлька не блестит, подобно хрому или нержавеющей стали, и имеет слегка белесый цвет. Дело в том, что на алюминии, как и на других металлах, на воздухе всегда образуется белесая оксидная пленка (оксид алюминия), которая отлично защищает металл от коррозии. Такие пленки называются пассивными, а металлы, на которых они самопроизвольно образуются, — пассивирующимися. Если же алюминиевую кастрюльку почистить металлической щеткой, налет исчезнет и появится металлический блеск. Но очень быстро поверхность вновь покроется пленкой оксида алюминия и станет белесой.
Перевести металл в пассивное состояние можно принудительным образом. Например, железо помимо незащитных гидроксида железа или же низших оксидов (закиси и закиси-окиси) при определенных условиях образует высший оксид — окись железа (Fe 2О 3). Этот оксид неплохо защищает металл и его сплавы при высоких температурах на воздухе, он же (одна из его форм) «ответственен», как считают специалисты, за пассивное состояние железных сплавов во многих водных средах.
Устойчивость нержавеющей стали в крепкой серной кислоте связана именно с пассивированием стали в этой весьма агрессивной среде. Если же поместить нержавейку в слабый раствор серной кислоты, сталь начнет корродировать.
Парадокс объясняется просто: крепкая серная кислота обладает сильными окислительными свойствами, благодаря чему на поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующая пленка, а в слабой кислоте не образуется.
В случаях, когда агрессивная среда недостаточно «окислительная», используют специальные химические добавки, помогающие образованию на поверхности металла пассивной пленки. Такие добавки называют ингибиторами или замедлителями коррозии.
Не все металлы способны образовывать пассивные пленки, даже принудительно. В этом случае добавление в агрессивную среду ингибитора, напротив, удерживает металл в «восстановительных» условиях, в которых его окисление подавляется (оно энергетически невыгодно).
Искусственно поддерживать металл в «восстановительных» условиях можно и иным способом, ведь не всегда есть возможность добавить ингибитор. Возьмем, к примеру, обычное оцинкованное ведро. Оно сделано из углеродистой стали, а сверху покрыто слоем цинка. Цинк — более активный металл, чем железо, значит, он охотнее вступает в химические реакции. Поэтому цинк не просто механически изолирует стальное ведро от окружающей среды, но и «принимает огонь на себя», то есть корродирует вместо железа.
Похожим способом нередко защищают днища кораблей. Только их не покрывают сплошным слоем цинка, марганца или алюминия — это было бы очень дорого, да и сложно, а прикрепляют к днищу солидный кусок более активного металла (протектора). В итоге протектор разрушается, а днище корабля остается целым и невредимым.
Для подземных коммуникаций «восстановительные» условия создают с помощью электрохимической защиты: накладывают на защищаемый металл отрицательный (катодный) потенциал от внешнего источника тока, так что на металле прекращается процесс окисления.
Однако зачем нужно столько разных сложных способов защиты металлов? Разве нельзя просто покрасить металл или нанести на него эмаль?
Во-первых, все покрасить невозможно. А во-вторых… Возьмем для примера эмалированную кастрюлю или автомобиль. Если кастрюля, вырвавшись из рук, с грохотом упадет на пол и отшибет себе эмалированный бочок, то под отколовшейся эмалью будет зиять «черный глаз», края которого постепенно окрасятся в предательский рыжий цвет — скол покроется ржавчиной. Не лучшая судьба ждет и автомобиль, если вдруг в его лаковом боку (а чаще на стыке с днищем) образуется небольшая дырочка в слое лака. Этот канал поступления к корпусу агрессивных агентов — воды, кислорода воздуха, сернистых соединений, соли — немедленно заработает, и корпус начнет ржаветь. Вот и приходится владельцам автомобилей делать дополнительную антикоррозионную обработку.
Так, может, проблема коррозии металлов решена? Увы, не все так просто. Любые коррозиестойкие сплавы устойчивы только в определенных средах и условиях, для которых они разработаны. Например, большинство нержавеющих сталей отлично выдерживают кислоты, щелочи и очень «не любят» хлориды, в которых они часто подвергаются местным видам коррозии — язвенной, точечной и межкристаллитной. Это очень коварные коррозионные разрушения. Конструкция из красивого, блестящего металла без намека на ржавление может однажды рухнуть или рассыпаться. Все дело в мельчайших точечных, но очень глубоких поражениях. Или же в микротрещинах, не видимых глазом на поверхности, но пронизывающих буквально всю толщу металла. Не менее опасно для многих сплавов, не подверженных общей коррозии, так называемое коррозионное растрескивание, когда внезапно конструкцию пронизывает огромная трещина. Такое случается с металлами, испытывающими длительные механические нагрузки — в самолетах и вертолетах, в различных механизмах и строительных конструкциях.