Почему ржавеет железо: химия коррозии

Ржавчина — это уже не железо. Когда металл ржавеет, часть железа превращается в новые химические соединения. Поэтому рыжий слой нельзя считать обычной грязью: если его убрать, под ним окажется поверхность, которая уже потеряла часть металла.

В учебниках состав ржавчины часто упрощённо записывают как Fe₂O₃·nH₂O — гидратированный оксид железа. Но в действительности у ржавчины нет одной точной формулы. Это смесь разных соединений железа. В неё могут входить оксигидроксиды железа — гётит α-FeOOH и лепидокрокит γ-FeOOH, — а также магнетит Fe₃O₄ и другие вещества.

Состав этой смеси зависит от условий, в которых находится металл, и меняется со временем. Поэтому ржавчина на разных предметах может отличаться по составу, цвету и структуре.

Для него нужна влага: на поверхности металла образуется тонкая плёнка воды, в которой растворяются соли, газы и другие вещества. В такой плёнке могут перемещаться ионы — заряженные частицы. Поэтому она работает как электролит.

Представим поверхность железа под каплей воды. На одних её участках атомы железа отдают электроны и превращаются в ионы Fe²⁺. Такие участки называют анодными:

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

Освободившиеся электроны не исчезают. Они перемещаются по самому металлу к другим участкам — катодным. Там электроны участвуют в реакции с кислородом, растворённым в воде:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

Благодаря этому реакции на разных участках оказываются связаны между собой. Анодные и катодные участки возникают из-за небольших различий в составе, структуре и условиях на поверхности железа.

Там, где железо отдаёт электроны, металл постепенно расходуется. Образовавшиеся ионы железа вступают в дальнейшие реакции, и со временем появляются оксиды и оксигидроксиды железа — вещества, из которых состоит ржавчина.

Ржавчина бывает не только рыжей. Её цвет может меняться от жёлтого и оранжевого до красного, бурого и тёмного. Оттенок зависит от того, какие соединения железа входят в состав ржавчины, в каком соотношении они смешаны и какую структуру имеют. Например, гётит α-FeOOH имеет жёлто-бурые оттенки, лепидокрокит γ-FeOOH — оранжевые и красновато-бурые, а магнетит Fe₃O₄ — тёмный, почти чёрный цвет.

Слой ржавчины на углеродистой стали часто получается пористым. Он не закрывает металл плотной защитной оболочкой: вода, кислород и растворённые вещества могут проникать к железу, поэтому коррозия продолжается и под ржавчиной. Более плотные слои продуктов коррозии могут частично замедлять разрушение металла. Но обычная ржавчина не создаёт надёжной защиты. Этим железо отличается от некоторых других металлов и сплавов.

Алюминий тоже окисляется на воздухе, но на его поверхности быстро появляется очень тонкая защитная плёнка из оксида алюминия. Её толщина — всего несколько нанометров. Эта плёнка покрывает металл и сильно замедляет дальнейшую коррозию. Если она повреждается, во многих условиях защитный слой может образоваться снова. Такой процесс называют пассивацией.

Похожая защита есть у нержавеющей стали. Благодаря хрому на её поверхности образуется тонкая защитная оксидная плёнка, которая при наличии кислорода может восстанавливаться после повреждения. Поэтому нержавеющая сталь гораздо лучше сопротивляется коррозии. Но защита не абсолютна: например, среда с хлоридами может повредить пассивную плёнку.

Скорость коррозии зависит от условий, в которых находится металл. На неё влияют влажность, температура, кислотность среды, количество кислорода, соли и загрязнения, а также свойства самого металла.

Особенно заметно действие хлоридных солей. Они делают тонкую водную плёнку на поверхности железа более электропроводной, помогают влаге дольше сохраняться и влияют на продукты коррозии.

Большую роль играет и влажность. Пока на поверхности есть водная плёнка, в ней могут идти электрохимические реакции. Чем дольше сохраняется влага, тем больше времени для коррозии. Соли и загрязнения могут способствовать появлению такой плёнки даже при сравнительно невысокой влажности воздуха.

Температура тоже влияет на ржавление, но здесь всё зависит от условий. При изменении температуры одновременно меняются скорость химических реакций, испарение воды и растворимость кислорода. Поэтому нельзя считать, что чем теплее, тем железо обязательно ржавеет быстрее.

Защитить металл от коррозии можно разными способами. Один из самых простых — нанести покрытие, которое не даёт воде, кислороду и солям контактировать с поверхностью металла. Например, нанести краску, лак или эмаль.

Такое покрытие создаёт барьер между металлом и окружающей средой. Пока слой остаётся целым, воде, кислороду и солям сложнее добраться до поверхности стали. Если покрытие повреждается, открытый участок снова начинает контактировать со средой. Поэтому имеет значение не только наличие краски, но и состояние покрытия, а также подготовка поверхности перед его нанесением.

Он не только создаёт защитный слой, но и может защищать сталь при повреждении покрытия. Если цинк и сталь контактируют с электролитом, цинк выступает более активным металлом и окисляется как анод. Сталь при этом становится катодом и корродирует медленнее. Такой механизм называют протекторной катодной защитой.

Цинк можно наносить разными способами. При горячем цинковании стальное изделие погружают в расплавленный цинк, а при электроцинковании цинк осаждают на поверхности электрохимическим способом.

В быту достаточно соблюдать несколько простых правил. Если велосипед попал под дождь или его помыли, лучше не оставлять его мокрым — особенно цепь и другие стальные детали. Цепь после очистки и высыхания нужно смазать подходящей смазкой. На тормозные поверхности смазка попадать не должна.

То же правило работает с инструментами, садовым инвентарём и другими металлическими вещами: после воды их лучше вытереть и убрать в сухое место. Если предмет окрашен, стоит следить за покрытием — царапины и сколы открывают металлу контакт с влагой. Неокрашенные инструменты при длительном хранении можно защитить тонким слоем подходящего масла или воска.

Ржавчина — результат коррозии железа. Для её образования нужна влага: тонкая плёнка воды на поверхности металла создаёт условия для электрохимических реакций. Постепенно железо превращается в новые соединения — оксиды и оксигидроксиды, смесь которых мы и называем ржавчиной.

На скорость коррозии влияют влажность, температура, кислород, соли и другие условия. Чтобы металл прослужил дольше, его защищают от контакта с влагой, используют краски и другие покрытия или цинкование. А некоторые металлы и сплавы, например алюминий и нержавеющая сталь, защищает собственная тонкая оксидная плёнка.