Как называется ржавчина в химии

Ржавчина

Ржа́вчина является общим термином для определения оксидов железа. В разговорной речи этот термин применяется к красным окислам, образующимся в результате реакции железа с кислородом в присутствии воды или влажного воздуха. Есть и другие формы ржавчины, например, продукт, образующийся в результате реакции железа с хлором при отсутствии кислорода. Такое вещество образуется, в частности, в арматуре, используемой в подводных бетонных столбах, и называют его зелёной ржавчиной. Несколько видов коррозии различимы визуально или с помощью спектроскопии, они формируются при разных внешних условиях. [1] Ржавчина состоит из гидратированного оксида железа(III) Fe₂O₃·nH₂O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH)₃). При наличии кислорода и воды и достаточном времени любая масса железа в конечном итоге преобразуется полностью в ржавчину и разрушается. Поверхность ржавчины не создаёт защиту для нижележащего железа, в отличие от образования патины на медной поверхности.

Ржавчиной как правило называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких как сталь. Многие другие металлы тоже подвергаются коррозии, но именно оксиды обычно не называют ржавчиной.

Содержание

Химические реакции

Причины ржавления

Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, чугун), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, то оно начинает ржаветь. Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате электрохимических реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода. Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе (слой пассивации) защищает основную массу железа от дальнейшего окисления. Превращение же пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину является результатом комбинированного действия двух агентов, как правило, кислорода и воды. Другими разрушающими факторами являются диоксид серы и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа. В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы. [2]

Происходящие реакции

Ржавление железа — это электрохимический процесс, который начинается с переноса электронов от железа к кислороду. [3] Скорость коррозии зависит от количества имеющейся воды, и ускоряется электролитами, о чём свидетельствуют последствия применения дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановления кислорода:

Поскольку при этом образуются ионы гидроксидов, этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении pH. Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:

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

4 Fe 2+ + O₂ → 4 Fe 3+ + 2 O 2−

Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:

Fe 2+ + 2 H₂O ⇌ Fe(OH)₂ + 2 H + Fe 3+ + 3 H₂O ⇌ Fe(OH)₃ + 3 H +

что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:

Из приведённых выше уравнений видно, что формирование продуктов коррозии обусловлено наличием воды и кислорода. С ограничением растворённого кислорода на передний план выдвигаются железо(II)-содержащие материалы, в том числе FeO и чёрный магнит (Fe₃O₄). Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH)_3-xO_x/2. Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.

Более того, цвет ржавчины можно использовать для проверки наличия ионов Fe2+, которые меняет цвет ржавчины с жёлтого на синий.

Предотвращение ржавления

Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности нержавеющей стали формируется пассивирующий слой оксида хрома(III). Подобное проявление пассивации происходит с магнием, титаном, цинком, оксидом цинка, алюминием, полианилином и другими электропроводящими полимерами.

Гальванизация

Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод гальванизации, который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом горячего цинкования, либо методом гальванотехники. Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей адгезией к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее является кадмий. Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает катодную защиту металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия. В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется цинк-алюм. Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту. Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные покрытия, чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

Катодная защита

Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи электрического заряда, который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью. В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс. Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным электродным потенциалом, чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

Лакокрасочные и другие защитные покрытия

От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды. История красок для нанесения на ржавчину насчитывает 50 лет, когда в Англии была изобретена краска Hammerite. Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы от коррозии. Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким рН. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё ​​является проблемой.

Покрытие слоем металла

Воронение

Снижение влажности

Ржавчины можно избежать, снижая влажность окружающей железо атмосферы. Этого можно добиться, например, с помощью силикагеля.

Ингибиторы

Ингибиторы коррозии, как, например, газообразные или летучие ингибиторы, можно использовать для предотвращения коррозии в закрытых системах.

Экономический эффект

Ржавчина вызывает деградацию инструментов и конструкций, изготовленных из материалов на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходное железо, её нарост ведёт к быстому разрушению конструкции, усиливая коррозию на прилегающих к нему участках — явление, называемое «поеданием ржавчиной». Это явление стало причиной разрушения моста через реку Мианус (штат Коннектикут, США) в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма полностью проржавели изнутри. В результате этот механизм зацепил за угол одной из дорожных плит и сдвинул её с опор. Ржавчина была также главным фактором разрушения Серебряного моста в Западной Вирджинии в 1967 году, когда стальной висячий мост рухнул меньше, чем за минуту. Погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.

Мост Кинзу в штате Пенсильвания была снесён торнадо в 2003 году в значительной степени потому, что центральные базовые болты, соединяющие конструкцию с землёй, проржавели, предоставив мосту возможность держаться просто под действием силы тяжести.

Кроме того, коррозия покрытых бетоном стали и железа может вызвать раскалывание бетона, что создает серьёзные конструкторские проблемы. Это один из наиболее распространённых отказов железобетонных мостов.

Источник

Ржавчина представляет собой оксид железа, обычно красновато-коричневый оксид, образующийся в результате реакции утюг и кислород в присутствии воды или же влажность воздуха. Ржавчина состоит из гидратированных оксиды железа (III) Fe₂О₃· НГн₂O и оксид-гидроксид железа (III) (FeO (ОН), Fe (ОН)₃). Обычно это связано с коррозия рафинированного железа.

Некоторые формы ржавчины различимы как визуально, так и по спектроскопия, и формируются при разных обстоятельствах. [2] Другие формы ржавчины включают результат реакций между железом и хлористый в среде, лишенной кислорода. Арматура используется в подводных конкретный столбы, который генерирует зеленая ржавчина, это пример. Хотя ржавчина обычно является отрицательным аспектом железа, особая форма ржавчины, известная как устойчивая ржавчина, вызывает появление тонкого слоя ржавчины на поверхности объекта и, если его хранить при низкой относительной влажности, делает «стабильный» слой защитным для железа под ним, но не до степени других оксидов, таких как алюминий. [3]

Содержание

Химические реакции

Окисление железа

При контакте железа с водой и кислородом оно ржавеет. [5] Если соль присутствует, например, в морская вода или же Распылитель соли, железо быстро ржавеет из-за электрохимический реакции. 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, слой пассивации, защищает железо от дальнейшего окисления. Преобразование пассивирующего закись железа слой ржавчины является результатом комбинированного действия двух агентов, обычно кислорода и воды.

Другие унизительные решения: диоксид серы в воде и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях гидроксид железа виды образуются. 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. Видеть экономический эффект Больше подробностей.

Связанные реакции

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

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

4 Fe 2+ + O₂ → 4 Fe 3+ + 2 O 2−

Кроме того, следующий многошаговый кислотно-основные реакции влияют на ход образования ржавчины:

Fe 2+ + 2 часа₂О ⇌ Fe (ОН)₂ + 2 ЧАС + Fe 3+ + 3 часа₂О ⇌ Fe (ОН)₃ + 3 ЧАС +

как и следующие обезвоживание равновесия:

Из приведенных выше уравнений также видно, что продукты коррозии зависят от наличия воды и кислорода. При ограниченном количестве растворенного кислорода предпочтительны материалы, содержащие железо (II), в том числе FeO и черный магнит или же магнетит (Fe₃О₄). Высокая концентрация кислорода способствует железо материалы с номинальной формулой Fe (OH)_3−ИксО_{​ Икс ⁄2} . Природа ржавчины меняется со временем, отражая медленную скорость реакции твердых тел. [5]

Начало ржавления также можно обнаружить в лаборатории с помощью индикаторный раствор ферроксила. Решение обнаруживает как Fe 2+ ионы и гидроксильные ионы. Образование Fe 2+ ионы и ионы гидроксила обозначены синими и розовыми пятнами соответственно.

Профилактика

Из-за широкого распространения 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 проницаемый к воздуху и воде, поэтому внутреннее металлическое железо под слоем ржавчины продолжает разъедать. Таким образом, для предотвращения ржавчины необходимы покрытия, предотвращающие образование ржавчины.

Нержавеющие сплавы

Нержавеющая сталь образует пассивация слой оксид хрома (III). [8] [9] Подобное поведение пассивации происходит с магний, титан, цинк, оксиды цинка, алюминий, полианилини другие электропроводящие полимеры. [ нужна цитата ]

Специальный «атмосферостойкая сталь«сплавы, такие как Cor-Ten, ржавеют гораздо медленнее, чем обычно, потому что ржавчина прилипает к поверхности металла в защитном слое. Конструкции, в которых используется этот материал, должны включать меры, позволяющие избежать воздействия наихудшего случая, поскольку материал все еще продолжает оставаться медленно ржавеет даже в почти идеальных условиях. [ нужна цитата ]

Цинкование

Гальванизация заключается в нанесении на защищаемый объект слоя металлического покрытия. цинк либо горячее цинкование или же гальваника. Цинк традиционно используется, потому что он дешев, хорошо сцепляется со сталью и обеспечивает катодная защита к стальной поверхности в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (например, в соленой воде), кадмий покрытие является предпочтительным. 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 как 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 однажды поцарапанную поверхность, а не окисляются как жертвенный анод как в традиционных гальванических покрытиях. В некоторых случаях, например, в очень агрессивных средах или длительном расчетном сроке службы, цинк и покрытие применяются для обеспечения повышенной защиты от коррозии.

Типичное цинкование стальных изделий, которые должны ежедневно подвергаться нормальным атмосферным воздействиям в условиях внешней среды, состоит из горячеоцинкованного 85мкм цинковое покрытие. При нормальных погодных условиях он будет ухудшаться со скоростью 1 мкм в год, что дает примерно 85 лет защиты. [ нужна цитата ]

Катодная защита

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

Покрытия и покраска

Образование ржавчины можно контролировать с помощью покрытий, таких как краска, лак, лак, или восковые ленты [11] которые изолируют утюг от окружающей среды. В большие конструкции с закрытыми коробчатыми секциями, такие как корабли и современные автомобили, часто вводят продукт на основе воска (технически «густое масло») в эти секции. Такие обработки обычно также содержат ингибиторы ржавчины. Покрытие стали бетоном может обеспечить некоторую защиту стали из-за щелочной pH окружающая среда 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. [ нужна цитата ]

В качестве близкого примера, железные прутья использовались для усиления каменной кладки Парфенон в Афины, Греция, но вызвали значительные повреждения из-за ржавчины, разбухания и разрушения мрамор компоненты здания. [ нужна цитата ]

Когда требуется только временная защита для хранения или транспортировки, тонкий слой масла, смазки или специальной смеси, такой как Cosmoline можно наносить на поверхность железа. Такие методы лечения широко используются, когда «консервация«стальной корабль, автомобиль или другое оборудование 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. [ нужна цитата ]

Воронение

Ингибиторы

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

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

Удаление ржавчины с мелких предметов из железа или стали с помощью электролиз можно сделать в домашней мастерской, используя простые материалы, такие как пластиковое ведро, наполненное электролитом, состоящим из стиральная сода растворился в водопроводная вода, длина арматура подвешен вертикально в растворе, чтобы действовать как анод, другой уложен на верхнюю часть ведра, чтобы служить опорой для подвешивания объекта, проволока для тюков подвесить объект в растворе к горизонтальному стержню арматуры и зарядное устройство в качестве источника питания, в котором положительный вывод прикреплен к аноду, а отрицательный вывод прикреплен к обрабатываемому объекту, который становится катод. [13]

Ржавчину можно обработать коммерческими продуктами, известными как преобразователь ржавчины которые содержат дубильная кислота или же фосфорная кислота которая сочетается с ржавчиной; удаляется органическими кислотами, такими как лимонная кислота и уксус или сильнее соляная кислота; или удаляется хелатирующими агентами, как в некоторых коммерческих составах, или даже раствором патока. [14]

Источник

Удаление ржавчины

Сегодня с образованием ржавчины на металлических поверхностях сталкиваются многие люди. Она образуется под воздействием окружающей среды. Процесс образования ржавого налета может иметь разную продолжительность. Она зависит от того, в каких условиях окружающей среды находится тот или иной металлический предмет.

Характеристика ржавчины

С химической точки зрения ржавчина представляет собой оксид железа. Он образуется путем влияния кислорода на железо в условиях высокой влажности. С физической точки зрения данное образование на металлической поверхности представляет собой налет насыщенного оранжевого цвета, который обладает достаточно хрупкой консистенцией. Цвет ржавчины при некоторых условиях может быть и зеленым.

На сегодняшний день встречается несколько видов ржавчины. Они зависят от того, каким образом образуется налет.

К видам данного типа коррозии относятся:

Существует еще несколько видов и форм ржавчины. Все он отличаются визуально. В некоторых случаях для определения типа коррозии используется метод спектроскопии. Образование коррозии на железе практически неизбежно. Постепенно любое количество данного металла под воздействием кислорода и воды превращается в груду, которая полностью покрыта налетом насыщенного оранжевого цвета. В последующем это может привести к разрушению железа. Под воздействием ржавчины данный металл начинает приобретать не плотную структуру, что приводит к тому, что ржавчина его разъедает и уничтожает.

Ржавчина принадлежит к одному из продуктов такого процесса, как коррозия. В результате него повреждаются различные виды металлов. Коррозии подвержены металлы, которые образуются из сплавов железа. Сталь в некоторых случаях тоже подвергается данному процессу, если она не относится к разряду нержавеющих. Однако ржавчиной называется именно процесс образования оксида железа.

Причиной ржавления железа чаще всего является наличие воды, доступа к кислороду и к другим сильным окислителям. Под их воздействием железо начинает покрываться ржавым налетом. Для того чтобы ускорить этот процесс достаточно только добавить соли. В результате электрохимической реакции железо начнет ржаветь сильнее и быстрее произойдет разрушение предмета, который сделан из данного металла.

В некоторых случаях железо начинает покрываться ржавчиной, если оно находится в агрессивной среде. Такой средой может быть раствор, состоящий из воды диоксида серы и углекислого газа.

Таблица. Основные количественные показатели коррозии и коррозионной стойкости.

Борьба с ржавчиной

В современном мире производится большое количество изделий из железа. Они представлены и товарами промышленного назначения, и продукцией для использования в быту. Всегда хочется, чтобы они прослужили длительное время. Образование ржавчины не является полезным для предметов, сделанных из железа. Она приводит к их поломке и выходу из строя. Именно по этой причине следует знать о том, как убрать ржавчину, и как противостоять ее появлению.

Для того чтобы ржавчина не нанесла вред изделиям необходимо использовать специальные средства для того, чтобы на поверхности объектов из железа образовалась пленка, защищающая от проникновения в структуру металла воздуха и воды.

На сегодняшний день для защиты от ржавчины используются следующие методы:

Важно: Для того чтобы на окрашенном изделии не образовалось ржавчины необходимо следить, чтобы краска лежала ровным слоем и не имела никаких сколов. Иначе на поверхность металла будет влиять влажность и воздух.

В настоящее время имеются средства для удаления ржавчины. Их можно использовать, когда налет уже образовался. Они направлены на то, чтобы сделать структуру налета более хрупкой для получения возможности снятия его с поверхности металла.

Самым популярным средством устранения ржавого налета является преобразователь ржавчины. Он представляет собой раствор, который превращает налет в вещество, которое легко поддается устранению. Многие такие средства делают структуру ржавчины более однородной, что позволяет оставлять ее на поверхности металла для проведения лакокрасочных работ, если она не нарушает ее ровность.

Средства для удаления ржавчины

Сегодня не редко встречается специальная краска по ржавчине. Она представлена на отечественном рынке большим количеством марок. Ее достоинством является то, что, она дает достаточно плотное покрытие. Она обладает тройным действием.

Она сочетает в себе функции:

Она не только устраняет следы ржавчины, но и делает покрытие более ровным и привлекательным. Краски для работы с ржавыми предметами обладают высоким уровнем насыщенности цвета, чтобы даже в один слой скрывались все следы наличия ржавого налета. При этом на металле образуется небольшой слой пленки, который не дает ржавчине и дальне распространяться и развиваться новой.

Видео удаления ржавчины

Статьи по теме

Алкидная эмульсия

Требования защиты окружающей среды вызвали интерес к алкидным эмульсиям. Стабильные эмульсии можно получить из большинства алкидов при условии, что вязкость смол не слишком большая и прилагаемых сдвиговых сил достаточно для эмульгирования.

Нейтрализатор ржавчины

Сегодня для защиты металлов от образования коррозии создано большое количество средств. Одни из направлены на то, чтобы предотвратить образование на металлической поверхности коррозийного налета. Другие же используются для его устранения.

Фосфатирование

Сегодня для защиты металлических изделий от образования коррозийного налета применяется большое количество способов. Все они направлены на то, чтобы создать на поверхности тонкий защитный слой, который будет длительное время защищать от процесса окисления металла.

Сегодня производится большое количество смесей для обработки металлических поверхностей. Есть специальные составы, которые помогают бороться с образованием налета коррозии. Они получили названием преобразователи ржавчины.

Марки нержавеющей стали

В начале прошлого столетия специалистам в области металлургической промышленности удалось заметить, что взаимодействие хрома и кислорода является лучше, чем с железом.

Грунтовка по ржавчине

Грунтовка в своем составе содержит: растворитель, связующий компонент и различные добавки для придания ей особых свойств. Цвет грунтовки обычно прозрачный или мутно белый.

Источник