Понимание ржавчины: какие металлы корродируют и как это происходит

Что такое ржавчина?

Ржавчина, обычно называемая окислением, происходит, когда железо или металлические сплавы, содержащие железо, такие как сталь, подвергаются воздействию кислорода и воды в течение длительного периода времени.

Ржавчина образуется, когда железо проходит процесс окисления, но не все окисление образует ржавчину. Как указано ранее, только железо или сплавы, содержащие железо, могут ржаветь, но другие металлы могут корродировать похожим образом.

Что такое коррозия?

Коррозия происходит, когда элемент, который легко теряет свои электроны (как некоторые металлы), соединяется с элементом, который поглощает лишние электроны (кислород), а затем контактирует с электролитическим раствором (водой). Работа воды в процессе коррозии — ускорить поток электронов от металла к кислороду.

Этот процесс называется реакцией оксидоредукции (redox) и на самом деле представляет собой два химических процесса, происходящих одновременно: восстановление и окисление.

Что такое восстановление?

Восстановление — это название химической реакции, происходящей, когда молекула получает электрон. Это роль кислорода в коррозии металла.

Что такое окисление?

Окисление — противоположность восстановлению и название химической реакции, происходящей, когда молекула теряет электрон. Это роль металла в коррозии металла. Ржавчина и патина (странный зеленый цвет) меди — видимые результаты потери металлами своих электронов воздуху.

Ржавеют ли медь, железо и алюминий?

Технически, только железо и сплавы, содержащие железо, могут ржаветь. Другие металлы, включая благородные металлы вроде золота и серебра, могут корродировать похожим образом.

Что отличает определенные металлы — это длительность времени, необходимая для начала ржавления или корродирования.

Вот несколько самых распространенных металлов и как они противостоят ржавлению и коррозии.

Ржавеет ли медь?

Медь не ржавеет, однако она корродирует. Медь естественно бурая и становится ярко-зеленой по мере коррозии. Хотя некоторые считают реакцию меди потемнением (tarnish) а не окислением, металл все еще проходит похожий процесс «ржавления».

В естественной среде медь крайне неохотно корродирует. Тип коррозии, который в конечном счете ломает медные трубы для питьевой воды, называется эрозионной коррозией и происходит только из-за воздействия текущей турбулентной воды в течение длительного периода времени.

Часто видимая на старых монетах, знаменитая, красивая зеленая «патина» на самом деле может занять до 20 лет для полного формирования.

Это один из немногих металлов, которые встречаются в природе как непосредственно пригодный металл, в отличие от добычи из руды (хотя он может быть создан и другими способами). Это, и тот факт, что медь очень мягка и легка в обработке, привели к тому, что она стала одним из первых металлов, с которыми люди работали в истории человечества.

Фактически, медь была настолько важна, что у нас на самом деле есть период в истории, называемый Медным веком.

Медь высокопроводима для тепла и электричества, она обычно используется в электропроводке по этой причине.

Она также очень низка в ряду реактивности, инструменте в химии, который является прогрессией металлов, расположенных от высшей к низшей реактивности к кислотам, воде, извлечению металлов из их руд и другим реакциям. Благодаря своей низкой реактивности, специфический сплав меди (90% меди и 10% никеля) используется для деталей на лодках, которые будут подвергаться морской воде, или как трубы для транспортировки питьевой воды. Если вы посмотрите вокруг вашего дома или здания, вы заметите, что многие из ваших приборов используют медные трубы для ввода или вывода воды.

Согласно Министерству жилищного строительства и городского развития США, средняя медная водопроводная труба должна служить 50-70 лет.

Ржавеет ли железо?

Да. Помните, что технически только железо и сплавы, содержащие железо, могут ржаветь.

По сравнению с коррозией других металлов, железо ржавеет относительно быстро, особенно если оно подвергается воздействию воды и кислорода. Фактически, когда железо подвергается воздействию воды и кислорода, оно может начать ржаветь в течение нескольких часов.

Железо также будет ржаветь быстро, если оно подвергается высоким температурам. Экстремальные температуры могут изменять химический состав металла, делая его экстремально склонным к рекомбинации с кислородом в окружающей среде.

Ржавеет ли алюминий?

Алюминий — один из наиболее широко используемых металлов на планете, и он, пожалуй, наиболее известен тем, что не ржавеет. Алюминий не ржавеет, только специфическое окисление железа называется ржавчиной, и железо не используется при создании алюминия. Однако, как и все металлы, алюминий восприимчив к коррозии.

Алюминий производится в 3 этапа:
Этап 1. Добыча
Этап 2. Обработка
Этап 3. Электролитическое восстановление (которое создает фактический алюминий)

Алюминий получается из минерала боксита. Боксит чаще всего встречается в субтропических местах, таких как Африка, Вест-Индия, Южная Америка и Австралия — хотя есть небольшие залежи в других местах, مثل Европа. Австралия — крупнейший производитель боксита, поставляющий около 23% мирового производства.

Этот боксит затем обрабатывается в оксид алюминия, который состоит просто из атомов алюминия и кислорода, связанных вместе.

Оксид алюминия затем пропускает через себя электрический ток, который разделяет разные компоненты друг от друга. Пузыри кислорода образуются на одном конце, а чистые расплавленные капли алюминия собираются на другом конце.

Около 4-5 тонн боксита обрабатывается в 2 тонны оксида алюминия, что создает 1 тонну чистого алюминия.

Алюминий корродирует гораздо медленнее других металлов, вроде железа. Согласно Стэнфорду, причина, почему алюминий не корродирует так легко, как другие металлы — особенная реакция, которую он имеет с водой.

Обычно, когда вода контактирует с металлом, она поощряет металл быстрее отдавать свои электроны кислороду вокруг него.

Алюминий имеет особую реакцию на воду. Когда вода касается алюминия, атомы алюминия и кислорода (содержащиеся в металле — не кислород в окружающем воздухе) отодвигаются дальше друг от друга.

Они окажутся почти на 50% дальше друг от друга, чем где они начинали. Эта реакция отодвигания меняет молекулярную структуру алюминия настолько немного, что он становится химически инертным, означая, что он не корродирует так легко.

Как предотвратить ржавление металлов

Ржавчина — естественно возникающая химическая реакция. Несмотря на то, что некоторые металлы ржавеют быстрее других, это не должно отводить вас от использования этих металлов для определенных целей. Существует много способов предотвратить ржавление ваших металлов, таких как металлические краски и покрытия, жертвенные барьеры, барьерные пленки, а также многочисленные антикоррозийные решения и оловянное покрытие. Каждый метод использует разные соединения и материалы для создания защитного барьера между металлом и элементами, вызывающими ржавчину и коррозию.

Узнайте, какие металлы НЕ ржавеют здесь.

Для дополнительной информации о том, как предотвратить ржавчину, ознакомьтесь с нашими блогами: Как защитить сталь и железо от ржавления и Антикоррозийные решения для ваших нержавеющих стальных изделий