Definicja pojęcia:

korozja

Korozja – proces stopniowego niszczenia materiałów (głównie metali i ich stopów) w wyniku reakcji chemicznych lub elektrochemicznych zachodzących na granicy zetknięcia powierzchni tych materiałów z otaczającym środowiskiem; terminem korozji określa się niekiedy również degradację materiałów niemetalicznych (np. betonu, żelbetu, drewna, tworzyw sztucznych). Procesy korozyjne metali ich stopów, w zależności od mechanizmu, obejmują procesy korozji chemicznej i korozji elektrochemicznej. Korozja chemiczna zachodzi wskutek zetknięcia się powierzchni metalu (lub stopu) z suchym gazem (np. tlenem, chlorem, tlenkiem siarki (IV), chlorowodorem, siarkowodorem) pod wpływem wysokiej temperatury, bądź kontaktu ich powierzchni z płynnym nieelektrolitem (np. tetrachlorometanem). Korozja elektrochemiczna spowodowana jest przepływem ładunków elektrycznych pomiędzy powierzchnią metalu (lub stopu metali) oraz przewodzącym prąd elektryczny elektrolitem (np. wodnym roztworem soli, kwasu lub zasady, wilgotnym powietrzem atmosferycznym), który wynika z obecności ogniw galwanicznych na granicy styku ich powierzchni z roztworem elektrolitu. Korozja może obejmować całą powierzchnię metali lub ich stopów (korozja równomierna) lub występować miejscowo na powierzchni tych materiałów (korozja lokalna, korozja miejscowa).
  1. Rodzaje korozji
  2. Korozja chemiczna
  3. Korozja elektrochemiczna
  4. Ochrona przed korozją

Rodzaje korozji

Korozja (łac. corrodere – zżerać; corrosio – zżeranie) jest procesem stopniowego niszczenia materiałów (głównie metali i ich stopów) będącym wynikiem reakcji chemicznych lub reakcji  elektrochemicznych, zachodzących na granicy zetknięcia się powierzchni tych materiałów z otaczającym je środowiskiem zewnętrznym, np. rdzewienie żelaza i stopu żelaza z węglem (stali), śniedzenie miedzi i stopu miedzi z cynkiem (mosiądzu) i czernienie srebra. Mianem korozji określa się niekiedy również degradację materiałów niemetalicznych (np. betonu, żelbetu i innych materiałów konstrukcyjnych, drewna, tworzyw i wyrobów ceramicznych, szkła, tworzyw sztucznych), której przyczyną są różne procesy chemiczne, elektrochemiczne, fizykochemiczne, mikrobiologiczne i mechaniczne. Procesy korozyjne prowadzące m.in. do osłabienia trwałości konstrukcji stalowych, zniszczenia podzespołów maszyn, sprzętów oraz przedmiotów metalowych (np. opakowań żywności), obejmują degradację tych materiałów na drodze reakcji chemicznych bądź reakcji elektrochemicznych. Korozja chemiczna zachodzi w wyniku zetknięcia się powierzchni metalu z suchym gazem (np. tlenem, chlorem i innymi fluorowcami, tlenkiem siarki (IV)) bądź płynnym nieelektrolitem (np. tetrachlorometanem). Korozja elektrochemiczna spowodowana jest przez przepływ ładunków elektrycznych między metalem i elektrolitem przewodzącym prąd elektryczny (np. wodnym roztworem soli, kwasu lub zasady, wilgotnym powietrzem), wynikający z obecności lokalnych ogniw galwanicznych na granicy styku powierzchni tego metalu z elektrolitem.

Korozja może obejmować całą powierzchnię metalu lub stopu metali, nie wpływając istotnie na spadek ich wytrzymałości (korozja równomierna), lub występować miejscowo jako zmiany powierzchniowe o różnej głębokości, wpływając na znaczne zmniejszenie ich wytrzymałości oraz trwałości wykonanych z nich konstrukcji (korozja lokalna). Korozja lokalna (miejscowa) na powierzchni metalu lub stopu metali może przyjmować postać plam (korozja plamowa), punktów (korozja punktowa) lub wżerów (korozja wżerowa); może również pojawiać się w trudno dostępnych szczelinach i zagłębieniach (korozja szczelinowa), wzdłuż granic ziaren metalu (korozja międzykrystaliczna) bądź miejscu styku dwóch metali o różnych potencjałach standardowych (korozja galwaniczna). Szybkość procesu korozyjnego zależy od czynników wewnętrznych (m.in. rodzaju, składu chemicznego, struktury i naprężenia metalu bądź stopu metali) oraz czynników zewnętrznych (temperatury, ciśnienia atmosferycznego, wilgotności powietrza, odczynu środowiska korozyjnego, obecności zanieczyszczeń i stężenia czynnika korozyjnego). Korozja często jest także wynikiem jednoczesnego oddziaływania środowiska korozyjnego oraz czynników mechanicznych, np. naprężeń (korozja naprężeniowa, korozja zmęczeniowa) bądź siły tarcia pomiędzy elementami metalowymi (korozja erozyjna). Procesy korozyjne obejmują również selektywne rozpuszczanie danego składnika stopu, np. cynku stanowiącego składnik mosiądzu (korozja selektywna), niszczenie struktury metalu przez gromadzące się wewnątrz atomy wodoru (kruchość wodorowa) oraz degradację metali zachodzącą w ich warstwie podpowierzchniowej (korozja podpowierzchniowa, eksfoliacja).
Korozja wżerowa. Źródło: shutterstock

Korozja chemiczna

Korozja chemiczna jest procesem niszczenia powierzchni metali lub ich stopów polegającym głównie na reakcji chemicznej zachodzącej w wyniku zetknięcia się ich powierzchni z suchym gazem – tlenem atmosferycznym (O₂), chlorem (Cl₂) i innymi fluorowcami, tlenkiem siarki (IV) (SO₂), suchym chlorowodorem (HCl), siarkowodorem (H₂S), wodorem (H₂), suchą parą wodną (H₂O) i parami siarki (S₂) pod wpływem wysokiej temperatury, która uniemożliwia kondensację par tych substancji na ich powierzchni (korozja gazowa, np. utlenianie żelaza, czernienie srebra, reakcje żelaza i aluminium z fluorowcami). Proces korozyjny może również  zachodzić wskutek kontaktu powierzchni metali lub ich stopów z płynnym nieelektrolitem, który nie przewodzi prądu elektrycznego (korozja wywołana przez nieelektrolity, np. reakcja aluminium z tetrachlorometanem, CCl₄). Szczególnym przykładem korozji chemicznej, która zachodzi wewnątrz struktury metali, jest korozja wodorowa (kruchość wodorowa). Proces ten polega na niszczeniu metali (miedzi, stali) oraz obniżaniu ich wytrzymałości przez atomy wodoru przenikające na drodze dyfuzji do ich wnętrza. Akumulacja atomów wodoru (H) i ich łączenie się w cząsteczki wodoru (H₂) prowadzi do powstawania naprężeń wewnętrznych, czego konsekwencją jest pojawianie się pęknięć w strukturze krystalicznej metalu.

Korozja gazowa, czyli proces degradacji metali i ich stopów w suchych gazach pod wpływem działania wysokiej temperatury, polega na ich bezpośredniej reakcji chemicznej z czynnikiem korozyjnym. Powszechnie występującymi reakcjami tego typu są reakcje utleniania metali (np. glinu, żelaza) zachodzące w wyniku kontaktu ich powierzchni z cząsteczkami utleniacza (np. tlenu) w wysokich temperaturach. Produktami reakcji utleniania są tlenki metali, które pokrywają powierzchnię korodujących metali ciągłą warstwą (tzw. zgorzeliną) o budowie jednofazowej bądź wielofazowej (w zależności od ilości termodynamicznie trwałych tlenków metali powstających w reakcji utleniania). Zgorzelina jednofazowa powstaje m.in. w procesie utleniania glinu (Al), który w wyniku reakcji z tlenem (O₂) pokrywa się warstwą tlenku glinu (Al₂O₃); zgorzelina wielofazowa powstaje w procesie utleniania żelaza (Fe), który pokrywa się warstwą tlenków złożoną z tlenku żelaza (II) (Fe₂O), tlenku żelaza (III) (Fe₂O₃) i tlenku żelaza (II) diżelaza (III) (Fe₃O₄). Zwarta warstwa tlenku ściśle przylegająca do powierzchni metali lub stopów metali, np. glinu (tlenek glinu, Al₂O₃) lub stali chromowej (tlenek chromu (III), Cr₂O₃) stanowi warstwę ochronną chroniącą te materiały dalszym przed działaniem utleniającym czynników korozyjnych; zjawisko to zwane jest pasywacją metali.
Mechanizm pasywacji stali chromowej. Źródło: Mecanisme_passivation_inox.svg: Cdangderivative work: Joanna Kośmider, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Korozja elektrochemiczna

Korozja elektrochemiczna jest procesem niszczenia powierzchni metali lub stopów metali spowodowanym przez przepływ ładunków elektrycznych pomiędzy ich powierzchnią tych materiałów i przewodzącym prąd elektryczny elektrolitem (np. wodnym roztworem soli, kwasu lub zasady, wodą słodką lub wodą morską, wilgotną glebą, wilgotnym powietrzem atmosferycznym). Przepływ ładunków elektrycznych wynika z obecności lokalnych ogniw galwanicznych tworzących się na granicy styku powierzchni metali lub stopów z elektrolitem głównie wskutek niejednorodności ich powierzchni – niejednorodności składu chemicznego (makroogniwa galwaniczne) lub niejednorodności strukturalnej (mikroogniwa galwaniczne) bądź niejednorodności elektrolitu – niejednorodności chemicznej lub nierównomiernego napowietrzenia elektrolitu (ogniwa stężeniowe). Korozja elektrochemiczna zachodząca na granicy styku dwóch metali o różnym potencjale standardowym, pomiędzy którymi znajduje się roztwór elektrolitu, jest wynikiem przepływu ładunków elektrycznych w utworzonym ogniwie korozyjnym (makroogniwie galwanicznym). Na anodzie ogniwa następuje utlenianie metalu o niższym potencjale standardowym (), który przechodzi do roztworu elektrolitu w postaci jonów () oddając  elektronów ; np. dla metalu dwuwartościowego proces ten przebiega zgodnie z poniższą reakcją:

M → M2+ + 2e

Na katodzie ogniwa korozyjnego uwolnione w procesie utleniania elektrony wykorzystywane są do redukcji tlenu (korozja tlenowa w roztworach obojętnych lub zasadowych):

1/2O₂ + H₂O+2e⁻ → 2OH⁻

bądź wykorzystywane są do redukcji jonów wodorowych (korozja wodorowa w roztworach kwasowych o pH≤4):

2H++ 2e⁻ → H₂

Rdzewienie żelaza i jego stopów (np. stali), stanowiące przykład korozji elektrochemicznej, może zachodzić pod wpływem utleniającego czynnika korozyjnego (tlenu atmosferycznego, O₂) w przykładowym makroogniwie galwanicznym utworzonym przez żelazo (Fe) i drobne wtręty miedzi (Cu) oraz elektrolit przewodzący ładunki elektryczne, który stanowi skroplona para wodna z powietrza (H₂O). Żelazo jako metal o niższym potencjale standardowym (anoda) ulega utlenieniu, przechodząc do elektrolitu w postaci jonów żelaza Fe²⁺. Uwolnione w procesie utleniania elektrony przepływają do miedzi (katody), gdzie wykorzystywane są do redukcji tlenu (O₂) do jonów wodorotlenkowych (OH⁻), w wyniku której powstaje trudno rozpuszczalny wodorotlenek żelaza (II) (Fe(OH)₂:

2Fe + 2H₂O + O₂ → 2Fe²⁺ + 4OH⁻ → 2Fe(OH)₂

Wodorotlenek żelaza (II) w obecności tlenu może podlegać dalszemu utlenianiu tworząc wodorotlenek żelaza (III); związki te mogą przechodzić częściowo w tlenki żelaza (np. tlenek żelaza (III), Fe₂O₃) oraz węglany żelaza (w obecności atmosferycznego dwutlenku węgla, CO₂). Mieszanina wodorotlenków, tlenków i węglanów żelaza tworzy na powierzchni tego metalu rdzawobrunatną warstwę, określaną mianem rdzy.
Rdzewienie powierzchni stali – przykład równomiernej korozji elektrochemicznej. Źródło: Roger McLassus, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Proces rdzewienia żelaznej kłódki. Źródło: shutterstock

Ochrona przed korozją

Ochrona metali i ich stopów przed korozją chemiczną polega głównie na stosowaniu powłok ochronnych oddzielających ich powierzchnię od działania czynników korozyjnych (np. powłok tlenkowych, fosforanowych, malarskich, metalicznych, powłok z tworzyw sztucznych, emalii) i wzbogacaniu metali i stopów w dodatki łatwo ulegające pasywacji (np. chrom, glin, krzem), które tworzą na powierzchni tych materiałów ściśle przylegającą warstwę tlenków, chroniąc je przed dalszym utlenianiem, np. warstwę złożoną z tlenku chromu (III) (Cr₂O₃), tlenku glinu (Al₂O₃) lub tlenku krzemu (II) (SiO₂). Ochrona metali i stopów metali przed procesami korozji elektrochemicznej polegają na stosowaniu powłok ochronnych izolujących powierzchnię tych materiałów od wilgoci i dostępu czynników utleniających (np. tlenu); wykorzystuje się w tym celu powłoki niemetaliczne (np. farby olejne, lakiery, emalie, powłoki tlenkowe), ochronne powłoki metaliczne wykonane z metali o niższym potencjale standardowym od chronionego metalu (powłoki czynne) (np. powłoki cynkowe i chromowe stosowane w ochronie żelaza), ochronne powłoki metaliczne wykonane z metali o wyższym potencjale standardowym od metalu chronionego (np. powłoki cynowe i niklowe stosowane w ochronie antykorozyjnej żelaza lub stali) oraz powłoki adsorpcyjne utworzone przez inhibitory (substancje hamujące korozję).

Ochrona metali i ich stopów przed korozją elektrochemiczną obejmuje również metody elektrochemiczne, które uniemożliwiają utlenianie metalu chronionego przez chemicznie aktywne czynniki korozyjne i zapobiegają jego przejściu do roztworu elektrolitu w postaci jonów. Ochrona katodowa z rozpuszczalną anodą (ochrona katodowa galwaniczna, ochrona protektorowa) polega na połączeniu chronionego metalu (stopu metali) z protektorem, czyli metalem o niższym potencjale standardowym (metalem nieszlachetnym). Protektor staje się anodą i ulega procesowi korozji, na powierzchni metalu chronionego (czyli katody) zachodzi proces redukcji czynnika utleniającego, co zapobiega korozji tego metalu. Ochrona katodowa z zewnętrznym źródłem napięcia (ochrona katodowa elektrolityczna) polega na włączeniu chronionego metalu (stopu metali) do bieguna ujemnego źródła prądu, dzięki czemu staje się katodą i nie ulega korozji; anodę w utworzonym ogniwie stanowi anoda grafitowa, na której  zachodzą procesy utleniania. Ochrona anodowa bez zewnętrznego źródła napięcia (ochrona anodowa galwaniczna) polega na dodaniu do ogniwa galwanicznego niewielkiej ilości metalu o wyższym potencjale standardowym (metalu szlachetnego, np. platyny). Metal chroniony staje się anodą, na jego powierzchni zachodzą procesy utleniania, prowadzące do powstania warstwy tlenkowej (pasywacja). Ochrona anodowa z zewnętrznym źródłem prądu (ochrona anodowa elektrolityczna) polega na podłączeniu metalu chronionego do dodatniego bieguna źródła prądu. Metal chroniony staje się anodą, zaś na jego powierzchni zachodzi pasywacja.
Ochrona anodowa elektrolityczna. Źródło: Joanna Kośmider, Public domain, via Wikimedia Commons

Bibliografia

  1. Gavin Whittaker, Andy Mount, Matthew Heal; “Chemia fizyczna – krótkie wykłady”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006.;
  2. Julio de Paula, Peter Atkins; “Chemia fizyczna”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.;
  3. Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price; “Chemistry. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, ”; Oxford University Press, 2017.;
  4. K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger ; “Nowoczesne kompendium chemii”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
  5. K.M. Pazdro; “Podstawy chemii dla kandydatów na wyższe uczelnie”; Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1991.;
  6. Denny Jones, Upper Saddle River, ; “Principles and Prevention of Corrosion (2nd ed.)”; New Jersey: Prentice Hall, 1996. ;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.5
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź