Основные случаи возникновения коррозионных гальванических пар

а) Коррозия при контакте двух металлов

В результате соприкосновения разных металлов в присутствии электролита возникает электрохимическая коррозия. Электролитом может быть морская или природная вода, в которой всегда присутствуют соли, растворенные газы (CO₂, SO₂) и т.д. Сплав эвтектического типа из двух различных металлов.

Рассмотрим возможность коррозии изделия из железа, находящегося в контакте с медью, в растворе электролита (рН = 10), содержащего O₂.

На любом металле, находящемся в электролите, за счет процессов обмена возникает электродный потенциал, величина которого отражает физико-химическую природу металла и электролита. В большинстве случаев состав электролита и внешние условия отличаются от стандартных, поэтому возникающие потенциалы не будут стандартными. Однако, в первом приближении, для ответа на поставленный вопрос можно пользоваться значениями стандартных электродных потенциалов.

Так как в контакте находятся железо и медь со стандартными электродными потенциалами:

= -0, 44 В; = +0, 34 В,

то при замыкании в электролите двух тел, имеющих различные потенциалы, пойдет электрический ток - перемещение электронов от более отрицательного электрода (железа) к более положительному электроду (меди). При этом железо будет разрушаться: ионы Fe²⁺ переходят из металлической решетки в электролит. Электроны, поступающие к меди, расходуются в процессе восстановления. Какой именно процесс восстановления будет протекать на поверхности меди, зависит от состава электролита.

Таким образом, при контакте железа и меди, находящихся в электролите, возникает коррозионная гальваническая пара:

(-) Fe | водный раствор электролита | Cu (+)

при работе которой возможно протекание следующих электрохимических реакций:

(-) A (Fe): = -0, 44 В

(+) K (Cu): (рН = 10) = -0, 59 В

(рН = 10) = +0, 64 В

С термодинамической точки зрения в таких условиях возможна коррозия железа только с кислородной деполяризацией, так как < . Как и для любого химического источника электрической энергии, можно, суммируя анодный и катодный процессы, получить уравнение окислительно-восстановительной реакции, самопроизвольное протекание которой обусловливает коррозию металла:

2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂¯

Образующийся гидроксид железа (II) подвергается последующему окислению:

4Fe(OH)₂ + O₂ + H₂O = 4Fe(OH)₃¯

При этом образуется ржавчина (xFe₂O₃× yH₂O).

Антикоррозионные свойства существенно зависят от чистоты металла и однородности сплава. Так наличие примеси (Ме₂) на поверхности основного металла (Ме₁) при контакте с электролитом обусловливает возникновение гальванических микроэлементов вида:

Me₁ | электролит | Me₂

В этих элементах металл с меньшей величиной электродного потенциала выполняет функцию анода и разрушается.

б) Коррозия металла с токопроводящими неметаллическими примесями

Если в металле имеются включения неметаллов, оксидов, нитридов или карбидов, также протекает электрохимическая коррозия. Например, сталь наряду с кристаллами собственно железа содержит кристаллы цементита Fe₃C, которые по отношению к железу выступают в роли катода в микрогальваническом элементе:

Чугун легко ржавеет в присутствии влаги из-за образования в наружном слое микроэлементов из железа и графита (в ряду электродных потенциалов углерод стоит после железа). В этих случаях микровключения как химически неактивные по сравнению с металлом образования выполняют функцию катода, а металл - анода. Схема такого микрогальванического элемента имеет вид:

металл | электролит | неметаллические включения

В ходе работы этого гальванического элемента на электродах протекают следующие электрохимические реакции:

(-) A (металл): Me - n = Meⁿ⁺

(+) K (неметаллические включения) 2H₂O + 2 = H₂ + 2OH^-

O₂ + 2H₂O + 4 = 4OH^-

в) Разрушение металлов при неодинаковой аэрации

Коррозия металлов возможна при неодинаковом доступе воздуха (аэрации) к его различным частям. Поверхность металла, находящегося во влажном воздухе, бывает покрыта каплями воды из-за конденсации водяного пара. В этом случае возможно возникновение гальванического элемента за счет неодинакового окисления металла. По краям капли (хорошо аэрируемый участок) за счет взаимодействия с кислородом образуется оксидный слой, пассивирующий металл и выполняющий роль катода. В середине капли доступ воздуха к металлу затруднен, и этот участок (менее окисленный) выполняет функцию анода, т.е. образуется микрогальванический элемент:

По этой причине наблюдается ржавление проволочных тросов изнутри, а не снаружи.

г) Разрушение металлов при неодинаковой концентрации электролита

Различные концентрации электролита могут вызвать коррозию, создавая гальваническую пару даже на одном металле. При этом функцию анода выполняет участок металла, погруженный в раствор с меньшей концентрацией электролита.

д) Различный уровень механических напряжений в одной и той же детали