Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия — это процесс разрушения металлов под действием окислительно-восстановительных реакций, происходящих на поверхности металла в присутствии электролита. Коррозия представляет собой результат сочетания анодных и катодных процессов, протекающих на границе металл–электролит.

Анодная реакция характеризуется окислением металла:

M → Mn+ + ne−

где M — металл, Mn+ — ионы металла в растворе, e− — электроны, высвобождающиеся на поверхности анода.

Катодная реакция сопровождается восстановлением ионов или молекул из электролита, чаще всего кислорода или водорода:

O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O  (кислый электролит)

O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−  (щелочной или нейтральный электролит)

Электроны, выделяемые на аноде, переходят на катод и участвуют в восстановлении окислителей. Этот процесс образует замкнутую электрическую цепь, ключевую для электрохимической коррозии.

Виды электрохимической коррозии

  1. Гальваническая коррозия Происходит при контакте двух металлов с различным электродным потенциалом в присутствии электролита. Металл с более отрицательным потенциалом становится анодом и растворяется быстрее, в то время как металл с положительным потенциалом служит катодом и защищается.

Пример: сталь в контакте с медью в морской воде.

  1. Коррозия из-за разности потенциалов в одном металле Местная коррозия возникает из-за неоднородностей поверхности, включений, трещин, различий толщины защитной пленки. В таких точках формируются микроаноды и микрокатоды, ускоряя разрушение.

  2. Коррозия под напряжением (стесс-коррозия) Совместное действие механического напряжения и агрессивного электролита вызывает ускоренное разрушение. Характерна для конструкционных сталей и сплавов, используемых в химических аппаратах.

  3. Коррозия в кислых и щелочных средах

  • В кислых средах катодная реакция чаще всего — восстановление водородных ионов (2H+ + 2e− → H2).
  • В щелочных или нейтральных средах основным катодным процессом является восстановление растворенного кислорода (O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−).

Факторы, влияющие на скорость электрохимической коррозии

  • Электрохимический потенциал металла: чем более активен металл, тем быстрее протекает анодная реакция.
  • Состав электролита: концентрация кислорода, ионов хлора, кислотность или щёлочность существенно ускоряют процессы.
  • Температура: повышение температуры ускоряет как диффузионные процессы, так и электрохимические реакции.
  • Состояние поверхности металла: шероховатость, наличие оксидных пленок или механических повреждений формирует локальные гальванические элементы.
  • Степень протекания электролита: стоячие жидкости способствуют образованию концентрационных градиентов, усиливающих локальную коррозию.

Электрохимические законы и расчет коррозионного тока

Скорость коррозии определяется законой Фарадея:

$$ m = \frac{I \cdot t \cdot M}{n \cdot F} $$

где m — масса растворившегося металла, I — ток коррозии, t — время, M — молярная масса металла, n — число электронов, участвующих в реакции, F — постоянная Фарадея.

Потенциометрия и поляризационные методы позволяют определять скорость коррозии и характеристики анодно-катодных процессов на поверхности металлов. Поляризационные кривые показывают зависимость тока от электродного потенциала и позволяют выделить режимы активного, пассивного и пассивно-активного состояния металла.

Пассивирование и защитные покрытия

Некоторые металлы, например железо, алюминий, хром, при взаимодействии с электролитом формируют плотные оксидные пленки, препятствующие дальнейшему растворению. Пассивирование снижает скорость электрохимической коррозии на несколько порядков.

Методы защиты:

  • Анодирование и оксидирование поверхности.
  • Применение катодной защиты (подача тока для снижения анодного растворения).
  • Использование ингибиторов, замедляющих анодные и катодные реакции.

Микроэлектрохимические аспекты

На микроуровне электрохимическая коррозия зависит от локальных различий потенциалов, концентрации кислорода и подвижности ионов. Появление микропустот, включений или границ зерен металла создаёт локальные аноды и катоды, что приводит к точечной коррозии и образованию сквозных дефектов. Моделирование таких процессов требует учета диффузии ионного потока, локального перенапряжения и кинетики электрохимических реакций.

Коррозионные ячейки

Электрохимическая коррозия протекает в рамках гальванических ячеек, где анод и катод могут находиться как на одной поверхности, так и на разных металлах. Основные компоненты ячейки:

  • Анод — участок металла, где происходит растворение.
  • Катод — участок, где происходит восстановление.
  • Электролит — проводник ионов между анодом и катодом.
  • Соединение внешней цепи (для замкнутого тока).

Эффективность коррозионной защиты зависит от снижения разности потенциалов между анодом и катодом, уменьшения проводимости электролита и барьерных свойств поверхности.

Методы изучения электрохимической коррозии

  • Потенциостатическое измерение позволяет фиксировать зависимость тока от заданного потенциала.
  • Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) оценивает сопротивление пленок и интерфейсов.
  • Масс-спектрометрия и микроаналитические методы позволяют локализовать зоны активной коррозии и определить химический состав продуктов.

Эти методы обеспечивают количественную характеристику скорости коррозии и механизма её протекания, что критично для проектирования антикоррозионных систем и материалов с высокой стойкостью.

Оглавление