Что вообще такое ржавчина
Ржавление — электрохимическая реакция. На поверхности влажного железа одновременно идут два процесса: в одних точках атомы железа отдают электроны и переходят в раствор в виде ионов, в других — кислород из воздуха эти электроны принимает и превращается в гидроксид-ионы. Продукты обеих реакций соединяются и образуют гидратированный оксид железа — ту самую рыжую ржавчину. Вода в этой схеме работает электролитом, переносящим заряд между точками поверхности, поэтому сухое железо в безводной среде ржавеет крайне медленно.
Главная беда ржавчины — её структура. Слой оксида получается пористым и рыхлым, легко крошится и отслаивается, обнажая свежий металл под собой. Реакция не останавливается сама по себе и продолжает есть железо вглубь, пока не закончится металл или вода с кислородом. Именно поэтому старая труба или кузов автомобиля со временем буквально теряют вещество: дыры в металле появляются там, где ржавчина шла особенно долго.
Почему у одних металлов защита возникает сама
У алюминия, хрома, титана и цинка реакция с кислородом идёт совершенно иначе. Свежая поверхность этих металлов окисляется почти мгновенно, но получившийся оксидный слой — плотный, тонкий и прочно сцепленный с металлом под ним. Толщина такой плёнки обычно измеряется нанометрами, однако она полностью перекрывает доступ кислорода и влаги к металлу под собой. Химики называют это явление пассивацией, а сам защитный слой — пассивирующей плёнкой.
Алюминиевая посуда и оконные рамы не ржавеют именно поэтому: оксид алюминия образуется за доли секунды после контакта с воздухом и сразу останавливает дальнейшее окисление. Повредите плёнку царапиной — новый слой оксида нарастёт на этом месте почти так же быстро, и металл снова окажется под защитой.
Нержавеющая сталь работает по тому же принципу
Обычная сталь — это железо с примесью углерода, и она ржавеет так же, как чистое железо. Нержавеющую сталь делают, добавляя в сплав хром — не меньше десяти с половиной процентов по массе. Хром на поверхности сплава образует собственную плотную оксидную плёнку, покрывающую заодно и железо рядом с ним, и вся поверхность стали оказывается защищена тем же способом, что и чистый алюминий.
Благородные металлы почти не реагируют
Золото, платина и в значительной степени серебро находятся на другом краю химической активности. В электрохимическом ряду металлов они стоят настолько далеко от активных металлов, что при обычных условиях почти не отдают электроны кислороду воздуха — реакция окисления для них попросту невыгодна энергетически. Золотые украшения не темнеют веками именно из-за собственной химической инертности металла — никакой защитной плёнки золоту для этого не требуется.
Серебро всё же теряет блеск со временем, но происходит другая реакция: серебро реагирует с соединениями серы в воздухе и образует тёмный сульфид серебра, а не оксид. Внешне это похоже на ржавчину, однако механизм и продукт реакции совсем другие, и к настоящей коррозии железа это явление отношения не имеет.
Что ускоряет ржавление
- Постоянная влажность в сочетании с доступом кислорода
- Растворённые соли — морской воздух и дорожные реагенты резко ускоряют реакцию
- Повышенная температура, которая ускоряет любую химическую реакцию
- Кислотные осадки и промышленное загрязнение воздуха
- Прямой контакт с более благородным металлом — так называемая контактная коррозия
Последний пункт особенно легко наблюдать на практике: железный гвоздь, прижатый к медной проволоке во влажной среде, ржавеет заметно быстрее такого же гвоздя без контакта с медью. Разные металлы образуют миниатюрный гальванический элемент, и менее благородный металл в этой паре разрушается активнее.
Как металл защищают от ржавчины
Самый простой способ — барьерное покрытие: краска, лак, смазка или масло перекрывают доступ воды и кислорода к поверхности металла. Пока покрытие целое, реакция попросту не может начаться.
Более надёжный приём — оцинковка. Стальные изделия покрывают слоем цинка, а цинк химически активнее железа и отдаёт электроны охотнее него. Даже если покрытие поцарапано и железо обнажилось, коррозия всё равно начнётся в первую очередь на цинке — он жертвует собой ради защиты стали под собой, поэтому такой метод называют протекторной, или жертвенной, защитой. По похожему принципу к днищам кораблей и подземным трубопроводам крепят отдельные бруски цинка или магния: эти металлы разрушаются вместо основной конструкции, а их время от времени просто заменяют на новые.
Частые вопросы
Ржавеет ли нержавеющая сталь вообще?
В обычных условиях защитная плёнка хрома восстанавливается сама, и заметной ржавчины не появляется. При постоянном контакте с солёной водой, хлором или глубоких повреждениях поверхности возможна точечная коррозия, особенно у дешёвых сплавов с низким содержанием хрома.
Почему золото не тускнеет даже спустя века?
Золото стоит в самом конце электрохимического ряда активности металлов и почти не отдаёт электроны кислороду воздуха при обычных условиях. Реакция окисления золота энергетически невыгодна, поэтому оно и остаётся блестящим без всякого защитного покрытия.
Почему оцинкованный гвоздь служит дольше обычного?
Цинк на поверхности гвоздя химически активнее железа и разрушается первым, принимая коррозию на себя. Даже поцарапанное оцинкованное изделие ржавеет заметно медленнее, чем открытая сталь без покрытия.
Правда ли, что ржавчина реально разрушает металл, а не просто портит вид?
Да. Ржавчина — это сам металл, превратившийся в рыхлый оксид: атомы железа переходят в оксидную решётку, а там, где раньше было прочное железо, остаётся пористый порошок. Со временем это ослабляет всю конструкцию — трещины и обрушения старых мостов нередко начинаются именно с ржавчины в незаметных местах.