Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о химическом составе. Для использования в других целях, см Rust (значения) .
Стали
FagerstaRAÄ2.jpg
Фазы
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа

Ржавчина - это оксид железа , обычно красновато-коричневый оксид, образующийся в результате реакции железа и кислорода в каталитическом присутствии воды или влаги воздуха . Ржавчина состоит из водного железа (III) , оксиды (Fe 2 O 3 · нГн 2 O) и железа (III) , оксид-гидроксид (FeO (OH), Fe (OH) 3 ), и , как правило , ассоциируется с коррозией из рафинированного железа .

При наличии достаточного времени любая масса железа в присутствии воды и кислорода может в конечном итоге полностью превратиться в ржавчину. Поверхностная ржавчина обычно бывает шелушащейся и рыхлой и не обеспечивает пассивной защиты лежащего под ней железа, в отличие от образования патины на медных поверхностях. Ржавчина - это общий термин для обозначения коррозии элементарного железа и его сплавов, таких как сталь . Многие другие металлы подвергаются аналогичной коррозии, но образующиеся оксиды обычно не называют «ржавчиной». [1]

Несколько форм ржавчины можно различить как визуально, так и с помощью спектроскопии , и они образуются в различных условиях. [2] Другие формы ржавчины включают результат реакции между железом и хлоридом в среде, лишенной кислорода. Примером может служить арматура, используемая в подводных бетонных столбах , которая вызывает зеленую ржавчину . Хотя ржавчина , как правило, является отрицательным аспектом железа, особая форма ржавчины, известная как устойчивая ржавчина , приводит к тому, что объект имеет тонкий слой ржавчины сверху, и, если он хранится при низкой относительной влажности, делает «устойчивый» слой защитным. ниже железа, но не до степени других оксидов, таких какоксид алюминия на алюминии . [3]

Химические реакции [ править ]

Сильная ржавчина на звеньях цепи возле моста Золотые Ворота в Сан-Франциско ; он постоянно подвергался воздействию влаги и солевых брызг , что приводило к разрушению поверхности, растрескиванию и отслаиванию металла
Открытая Ржавчина Клин дисплей на Exploratorium показывает огромную силу экспансивного ржавления железа после 3 -х лет и 4 месяцев после облучения
Образование окалины ржавчины и отслаивание стального прутка, нагретого до температуры ковки 1200 ° C. Быстрое окисление происходит, когда нагретая сталь подвергается воздействию воздуха.

Ржавчина - это общее название комплекса оксидов и гидроксидов железа [4], которые возникают, когда железо или некоторые сплавы, содержащие железо, подвергаются воздействию кислорода и влаги в течение длительного периода времени. Со временем кислород соединяется с металлом, образуя новые соединения, которые вместе называются ржавчиной. Хотя ржавчину обычно можно назвать «окислением», этот термин является гораздо более общим и описывает огромное количество процессов, включающих потерю электронов или повышение степени окисления как часть реакции . Наиболее известная из этих реакций связана с кислородом , отсюда и название «окисление». Термины «ржавчина» и «ржавчина» означают только окисление железа и его продуктов. Многие другие реакции окислениясуществуют, которые не содержат железа и не образуют ржавчины. Но ржаветь может только железо или сплавы, содержащие железо. Однако другие металлы могут подвергаться аналогичной коррозии.

Главный катализатор процесса ржавления - вода. Железные или стальные конструкции могут казаться твердыми, но молекулы воды могут проникать в микроскопические ямки и трещины в любом обнаженном металле. Атомы водорода, присутствующие в молекулах воды, могут объединяться с другими элементами, образуя кислоты, что в конечном итоге приведет к открытию большего количества металла. Если присутствуют ионы хлорида, как в случае с соленой водой, коррозия, вероятно, произойдет быстрее. Между тем атомы кислорода соединяются с атомами металла, образуя деструктивное оксидное соединение. Когда атомы соединяются, они ослабляют металл, делая структуру хрупкой и рассыпчатой.

Окисление железа [ править ]

При контакте железа с водой и кислородом оно ржавеет. [5] Если присутствует соль , например, в морской воде или соляном тумане , железо имеет тенденцию к более быстрой ржавчине в результате электрохимических реакций. Металлическое железо относительно не подвержено влиянию чистой воды или сухого кислорода. Как и в случае с другими металлами, такими как алюминий, плотно прилегающее оксидное покрытие, пассивирующий слой , защищает массивное железо от дальнейшего окисления. Превращение пассивирующего слоя закиси железа в ржавчину происходит в результате совместного действия двух агентов, обычно кислорода и воды.

Другие разлагающие растворы - это диоксид серы в воде и диоксид углерода в воде. В этих коррозионных условиях образуются частицы гидроксида железа . В отличие от оксидов железа, гидроксиды не прилипают к основному металлу. Когда они образуются и отслаиваются от поверхности, свежее железо обнажается, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока не будет израсходовано все железо, либо весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы в системе не будут удалены или израсходованы. [6]

Когда железо ржавеет, оксиды занимают больше объема, чем исходный металл; это расширение может создавать огромные силы, повреждая конструкции из железа. Подробнее см. Экономический эффект .

Связанные реакции [ править ]

Ржавление железа - это электрохимический процесс, который начинается с переноса электронов от железа к кислороду. [7] Железо является восстановителем (отдает электроны), а кислород - окислителем (приобретает электроны). Скорость коррозии зависит от воды и ускоряется электролитами , о чем свидетельствует влияние дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановление кислорода:

О 2 + 4  е - + 2  Н 2О → 4  ОН - 

Поскольку он образует ионы гидроксида , на этот процесс сильно влияет присутствие кислоты. Точно так же коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при низком pH . Предоставлением электронов для вышеуказанной реакции является окисление железа, которое можно описать следующим образом:

Fe → Fe 2+ + 2  e - 

Следующая окислительно-восстановительная реакция также происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для образования ржавчины:

4 Fe 2+ + O 2 → 4 Fe 3+ + 2 O 2−

Кроме того, на процесс образования ржавчины влияют следующие многоступенчатые кислотно-основные реакции :

Fe 2+ + 2 H 2 O ⇌ Fe (OH) 2 + 2  H + 
Fe 3+ + 3 H 2 O ⇌ Fe (OH) 3 + 3  H + 

как и следующие равновесия дегидратации :

Fe (OH) 2 ⇌ FeO + H2О
Fe (OH) 3 ⇌ FeO (OH) + H2О
2 FeO (OH) ⇌ Fe 2 O 3 + H2О

Из приведенных выше уравнений также видно, что продукты коррозии зависят от наличия воды и кислорода. С ограниченным растворенным кислородом, железа (II) , отработанных материалы являются предпочтительными, в том числе FeO и черный магнитом или магнетита (Fe 3 O 4 ). Высокие концентрации кислорода способствуют трехвалентного материалам с номинальной формулой Fe (OH) 3- х О х / 2 . Природа ржавчины меняется со временем, отражая медленную скорость реакции твердых тел. [5]

Кроме того, на эти сложные процессы влияет присутствие других ионов, таких как Ca 2+ , которые служат электролитами, ускоряющими образование ржавчины, или объединяются с гидроксидами и оксидами железа с осаждением различных Ca, Fe, O, OH. разновидность.

Начало ржавчины можно также обнаружить в лаборатории с помощью индикаторного раствора ферроксила . Раствор обнаруживает как ионы Fe 2+ , так и ионы гидроксила. Образование ионов Fe 2+ и гидроксильных ионов обозначено синими и розовыми пятнами соответственно.

Профилактика [ править ]

Cor-Ten - это специальный сплав железа, который ржавеет, но при этом сохраняет свою структурную целостность.

Из-за широкого использования и важности изделий из чугуна и стали предотвращение или замедление образования ржавчины является основой основных видов экономической деятельности в ряде специализированных технологий. Здесь представлен краткий обзор методов; для более подробной информации см. статьи, на которые имеются перекрестные ссылки.

Ржавчина проницаема для воздуха и воды, поэтому внутреннее металлическое железо под слоем ржавчины продолжает разъедать. Таким образом, для предотвращения ржавчины необходимы покрытия, предотвращающие образование ржавчины.

Нержавеющие сплавы [ править ]

Смотрите также: нержавеющая сталь и атмосферостойкая сталь

Нержавеющая сталь образует пассивирующий слой оксида хрома (III) . [8] [9] Аналогичное поведение пассивирования происходит с магнием , титаном , цинком , оксидами цинка , алюминием , полианилином и другими электропроводящими полимерами. [ необходима цитата ]

Специальные сплавы " атмосферостойкой стали ", такие как Cor-Ten, ржавеют гораздо медленнее, чем обычно, потому что ржавчина прилипает к поверхности металла в виде защитного слоя. Конструкции, в которых используется этот материал, должны включать меры, позволяющие избежать наихудшего воздействия, поскольку материал все равно продолжает медленно ржаветь даже в почти идеальных условиях. [ необходима цитата ]

Гальванизация [ править ]

Основная статья: Гальванизация
Внутренняя ржавчина в старых водопроводных трубах из оцинкованного железа может привести к коричневой и черной воде.

Гальванизация заключается в нанесении на защищаемый объект слоя металлического цинка путем горячего цинкования или гальваники . Традиционно используется цинк, потому что он дешев, хорошо сцепляется со сталью и обеспечивает катодную защиту стальной поверхности в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (например, соленая вода) предпочтительнее кадмиевое покрытие. Гальванизация часто дает сбой на швах, отверстиях и стыках, где есть зазоры покрытия. В этих случаях покрытие по-прежнему обеспечивает некоторую частичную катодную защиту железа, действуя как гальванический анод.и корродирует сам себя, а не лежащий под ним защищенный металл. При этом расходуется защитный цинковый слой, поэтому гальванизация обеспечивает защиту только на ограниченный период времени.

Более современные покрытия добавляют в покрытие алюминий в виде цинк-алюм ; алюминий будет мигрировать, чтобы покрыть царапины и, таким образом, обеспечить защиту в течение более длительного периода. Эти подходы основаны на том, что оксиды алюминия и цинка восстанавливают некогда поцарапанную поверхность, а не окисляются в качестве расходуемого анода, как в традиционных гальванических покрытиях. В некоторых случаях, например, в очень агрессивных средах или при длительном расчетном сроке службы, для обеспечения повышенной защиты от коррозии наносят цинк и покрытие .

Типичная гальванизация стальных изделий, которые должны подвергаться нормальным повседневным атмосферным воздействиям во внешней среде, состоит из горячего цинкования толщиной 85  мкм . В нормальных погодных условиях он будет ухудшаться со скоростью 1 мкм в год, что дает примерно 85 лет защиты. [ необходима цитата ]

Катодная защита [ править ]

Основная статья: Катодная защита

Катодная защита - это метод, используемый для предотвращения коррозии заглубленных или погруженных конструкций путем подачи электрического заряда, подавляющего электрохимическую реакцию. При правильном применении коррозию можно полностью остановить. В простейшем виде это достигается путем присоединения расходуемого анода, в результате чего железо или сталь становятся катодом в сформированной ячейке. Жертвенный анод должен быть изготовлен из чего-то с более высоким потенциалом отрицательного электрода, чем железо или сталь, обычно из цинка, алюминия или магния. Жертвенный анод в конечном итоге разъедет, прекратив свое защитное действие, если его не заменить своевременно.

Катодная защита также может быть обеспечена с помощью специального электрического устройства для надлежащего наведения электрического заряда. [10]

Покрытия и покраска [ править ]

Основная статья: Антикоррозионная защита
Отслаивающаяся краска, обнажающая пятно ржавчины на листовом металле

Образование ржавчины можно контролировать с помощью покрытий, таких как краска , лак , лак или восковые ленты [11], которые изолируют железо от окружающей среды. В большие конструкции с закрытыми коробчатыми секциями, такие как корабли и современные автомобили, часто в эти секции вводят продукт на основе воска (технически «густое масло»). Такие обработки обычно также содержат ингибиторы ржавчины. Покрытие стали бетоном может обеспечить некоторую защиту стали из-за щелочной среды pH на границе раздела сталь-бетон. Однако ржавление стали в бетоне все еще может быть проблемой, так как расширяющаяся ржавчина может разрушить или медленно «взорвать» бетон изнутри. [ необходима цитата ]

Как тесно связанный пример, железные прутья использовались для усиления каменной кладки Парфенона в Афинах, Греция , но нанесли значительный ущерб из-за ржавчины, набухания и разрушения мраморных компонентов здания. [ необходима цитата ]

Ржавчина, самый известный пример коррозии

Когда для хранения или транспортировки требуется только временная защита, на поверхность железа можно нанести тонкий слой масла, смазки или специальной смеси, такой как Cosmoline . Такие методы обработки широко используются при « консервации » стального корабля, автомобиля или другого оборудования для длительного хранения.

Доступны специальные противозадирные смазочные смеси, которые наносятся на металлическую резьбу и другие прецизионные обработанные поверхности, чтобы защитить их от ржавчины. Эти составы обычно содержат жир, смешанный с порошком меди, цинка или алюминия, а также другими запатентованными ингредиентами. [ необходима цитата ]

Синение [ править ]

Основная статья: Воронение (сталь)

Воронение - это метод, который может обеспечить ограниченную устойчивость к ржавлению небольших стальных предметов, таких как огнестрельное оружие; для достижения успеха водовытесняющее масло натирают вороненую сталь и другую сталь.

Ингибиторы [ править ]

Основная статья: Ингибитор коррозии

Ингибиторы коррозии, такие как газофазные или летучие ингибиторы, могут использоваться для предотвращения коррозии внутри герметичных систем. Они неэффективны, если циркуляция воздуха рассеивает их и приносит свежий кислород и влагу.

Контроль влажности [ править ]

Смотрите также: Осушитель и Desiccant

Ржавчины можно избежать, контролируя влажность в атмосфере. [12] Примером этого является использование пакетов с силикагелем для контроля влажности оборудования, отправляемого морем.

Лечение [ править ]

Удаление ржавчины с небольших железных или стальных предметов с помощью электролиза может быть выполнено в домашней мастерской с использованием простых материалов, таких как пластиковое ведро, заполненное электролитом, состоящим из промывочной соды, растворенной в водопроводной воде , или отрезок арматуры, вертикально подвешенный в растворе, чтобы действовать как анода , другой положил в верхней части ведра , чтобы действовать в качестве опоры для подвешивания объекта, пакетирования проволоки , чтобы приостановить объект в растворе от горизонтальной арматуры, а также зарядное устройство в качестве источника энергии , в которой зажат положительный вывод к аноду, а отрицательный вывод прикреплен к обрабатываемому объекту, который становится катодом. [13]

Ржавчину можно обработать коммерческими продуктами, известными как преобразователь ржавчины, которые содержат дубильную кислоту или фосфорную кислоту, которая сочетается с ржавчиной; удаляется органическими кислотами, такими как лимонная кислота и уксус или более сильной соляной кислотой ; или удаляется хелатирующими агентами, как в некоторых коммерческих составах, или даже раствором мелассы . [14]

Экономический эффект [ править ]

Основная статья: Коррозия
Из-за ржавчины арматура расширилась и отслаивала бетон от поверхности этой железобетонной опоры.

Ржавчина связана с деградацией инструментов и конструкций на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объем, чем исходная масса железа, ее накопление также может вызвать разрушение из-за разрыва соседних частей - явление, иногда известное как «уплотнение ржавчины». Это стало причиной обрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда подшипники заржавели внутри и оттолкнули один угол дорожной плиты от ее опоры.

Ржавчина была важным фактором в катастрофе Серебряного моста 1967 года в Западной Вирджинии , когда стальной подвесной мост рухнул менее чем за минуту, в результате чего на мосту погибли 46 водителей и пассажиров. Мост Кинзуа в Пенсильвании был разрушен смерчем в 2003 году, главным образом потому, что центральные болты основания, удерживающие конструкцию на земле, проржавели, оставив мост закрепленным только под действием силы тяжести.

Железобетон также подвержен ржавчине. Внутреннее давление, вызванное расширяющейся коррозией покрытых бетоном стали и железа, может вызвать растрескивание бетона , создавая серьезные структурные проблемы. Это один из самых распространенных видов разрушения железобетонных мостов и зданий.

  • Разрушения конструкции из-за ржавчины

  • Разрушилась Silver Bridge , как видно из Огайо стороны

  • Мост Кинзуа после обрушения

Культурный символизм [ править ]

Ржавчина - часто используемая метафора для медленного разложения из-за пренебрежения, поскольку она постепенно превращает прочное железо и сталь в мягкий рассыпающийся порошок. Широкий участок в промышленно американский Средний Западе и американский северо - восток , когда доминируют сталелитейные заводы , в автомобильной промышленности , а также другими производителями, испытали тяжелые экономические сокращения , которые привели к региону быть окрестили « Rust Belt ».

В музыке, литературе и искусстве ржавчина ассоциируется с образами увядшей славы, забвения, разложения и разорения.

Галерея [ править ]

  • Ржавые и покрытые ямками опоры 70-летнего железного моста через реку Нанду

  • Концентрические узоры ржавчины, пробивающие окрашенную поверхность

  • Ржавая, но в остальном неповрежденная граната "Ананас" , ранее закопанная в земле недалеко от Офойсдена , Нидерланды.

  • Цвета и пористая текстура поверхности ржавчины

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Ржавчина, п.1 и прил ." OED Online . Издательство Оксфордского университета. Июнь 2018 . Проверено 7 июля 2018 .
  2. ^ "Интервью, Дэвид Де Марэ" . НАСА . 2003. Архивировано 13 ноября 2007 года.
  3. ^ Анкерсмит, Барт; Гриссер-Стермшег, Мартина; Селвин, Линдси; Сазерленд, Сюзанна. «Ржавчина никогда не спит: распознавание металлов и продуктов их коррозии» (PDF) . Depotwijzer . Парки Канады. Архивировано (PDF) из оригинала 9 августа 2016 года . Проверено 23 июля 2016 года .
  4. ^ Сунд, Роберт Б .; Епископ, Жанна (1980). Акцент на науку . CE Merrill. ISBN 9780675075695. Архивировано 30 ноября 2017 года.
  5. ^ a b «Реакции восстановления окисления» . Bodner Research Web . Проверено 28 апреля 2020 .
  6. ^ Holleman, AF; Виберг, Э. (2001). Неорганическая химия . Сан-Диего: Academic Press. ISBN 0-12-352651-5.
  7. ^ Gräfen, H .; Рог, EM; Schlecker, H .; Шиндлер, Х. (2000). «Коррозия». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.b01_08 . ISBN 3527306730.
  8. ^ Ramaswamy, Hosahalli S .; Маркотт, Микеле; Састри, Судхир; Абдельрахим, Халид (14 февраля 2014 г.). Омический нагрев в пищевой промышленности . CRC Press. ISBN 9781420071092. Архивировано 02 мая 2018 года.
  9. ^ Хайнц, Норберт. «Профилактика коррозии - HomoFaciens» . www.homofaciens.de . Архивировано 01 декабря 2017 года . Проверено 30 ноября 2017 .
  10. ^ "Системы катодной защиты - Matcor, Inc" . Matcor, Inc . Архивировано 30 марта 2017 года . Проверено 29 марта 2017 .
  11. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 23 марта 2018 года . Проверено 22 марта 2018 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  12. ^ Гупта, Лоррейн Мирза, Кришнакали. Серия молодых ученых ICSE Chemistry 7 . Pearson Education India. ISBN 9788131756591. Архивировано 30 ноября 2017 года.
  13. ^ «Удаление ржавчины с помощью электролиза» . antik-engines.com . Архивировано 30 марта 2015 года . Проверено 1 апреля 2015 года .
  14. ^ "Удаление ржавчины патокой" . Архивировано 25 сентября 2016 года . Проверено 29 ноября 2017 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Уолдман Дж. (2015): Ржавчина - самая долгая война. Саймон и Шустер, Нью-Йорк. ISBN 978-1-4516-9159-7 

Внешние ссылки [ править ]

  • тематические исследования коррозии Анализ коррозии
  • Доктора Коррозии Ржавчина статья