Struktura

Koroze kovů

Koroze kovů

   Většina kovů se v přírodě nachází ve formě rud, sloučenin s kyslíkem, sírou, uhlíkem, fosforem aj. Při hutnickém zpracování byly kovy za dodání velkého množství energie z těchto vazeb uvolněny. V čistém stavu pak v samovolných reakcích s těmito prvky zpětně reagují – korodují.

Co je to tedy koroze?
   Podstatou koroze daného materiálu jsou samovolné chemické reakce s jinými látkami v prostředí, které vedou k jeho znehodnocení.

   Koroze je příčinou značných ekonomických ztrát.
Do ztrát se započítávají veškeré náklady na ochranu proti korozi, náklady na opravy i ekonomické ztráty ze zastavení provozu v důsledku koroze. V průmyslově vyspělých státech se ztráty odhadují na 4–5 % HDP.

   Podle mechanismu rozlišujeme korozi chemickou a elektrochemickou.

Koroze chemická

   Jedná se o korozi, která probíhá v důsledku chemických reakcí kovu například
s kyselinami: Fe + 2 HCl → FeCl2 + H2 
nebo s plyny: 2 Fe + 3 Cl2 → 2 FeCl3 

   Pro průběh reakce není podstatné, zda probíhá v elektricky vodivém či nevodivém prostředí. Korozivním prostředím může být i vzduch. Některé kovy na vzduchu korodují velmi rychle, například alkalické kovy, které zvláště rychle reagují s vlhkým vzduchem, a musejí se proto uchovávat pod petrolejem. Na druhé straně zlato nebo platina na vzduchu ani ve vodě prakticky nekorodují.

Platí tedy tvrzení, že čím je kov ušlechtilejší, tím je odolnější vůči korozi?
 

Obr. 1:  Řada napětí kovů a jejich odolnost vůči korozi

 

  Ze zkušenosti víme, že toto tvrzení neplatí. Kovy se dělí na ušlechtilé a neušlechtilé podle hodnot standardních redoxních potenciálů. Kovy se záporným potenciálem jsou neušlechtilé, kovy s kladným potenciálem ušlechtilé. Redoxní potenciál je dán ustavením rovnováhy mezi kovem a jeho ionty v roztoku. Využít ušlechtilosti k odhadu odolnosti vůči korozi lze jen velmi omezeně, protože za běžných podmínek k ustavení příslušné rovnováhy vůbec nedochází a navíc při korozi kovů vznikají tuhé produkty rozdílných charakterů. Některé kovy se pasivují.

Obr. 2:  Začlenění hliníku a titanu v řadě napětí kovů a jejich korozní vlastnosti


   Pasivace je vytvoření kompaktní, nepropustné vrstvičky oxidačních produktů na povrchu kovu. Typickým neušlechtilým kovem, který se pasivuje, je hliník. Pokrývá se kompaktní vrstvičkou Al2O3, která brání jeho další oxidaci. K pasivaci dochází v neutrálním prostředí. V kyselinách i hydroxidech se však hliník rozpouští. Zvlášť výrazný rozdíl v umístění v řadě potenciálů a v řadě podle korozivnosti nalezneme například právě u hliníku a zvláště u titanu, který je zcela netečný k působení vody a atmosférických plynů. Používá se dokonce k výrobě vnitřků chemických reaktorů, které musejí odolávat velmi agresivním chemikáliím.

Elektrochemická (fyzikálně-chemická) koroze

 
Obr. 3:  Koroze uhlíkaté oceli ve vodě

   Probíhá v elektricky vodivém prostředí. Příčinou koroze je tvorba korozního galvanického článku. Vznikne vodivé spojení mezi látkou, která vystupuje jako anoda, a látkou, která je katodou. Materiál, který je v článku anodou, se oxiduje, a tedy koroduje. Aby mohlo probíhat další rozpouštění, musí být elektrony uvolněné při oxidaci nějakým způsobem spotřebovány, jinak dojde k tzv. polarizaci elektrody. Polarizace vede ke zpomalení či zastavení anodické oxidace. Látky, které elektrony odebírají, plní funkci depolarizátoru. Mohou to být i částice v roztoku schopné elektrony přijímat, například kationty vodíku nebo atomy kyslíku. Katodou v uhlíkové oceli může být také právě prvek uhlík. Při elektrochemické korozi dochází k přenosu elektronů na větší vzdálenost, než činí dva atomy. Příkladem může být koroze oceli v provzdušněné vodě. V kyselém prostředí jsou akceptorem elektronů kationty vodíku, které se redukují na vodík a reagují s rozpuštěným kyslíkem za vzniku vody. Železnaté kationty uvolněné do roztoku reagují za vzniku hydroxidu železnatého, který je dále oxidován na hydroxid železitý. Hydroxid železitý je podstatou rzi, která se odlupuje z povrchu oceli a umožňuje tím další průběh koroze.

 

   Korozní galvanický článek vznikne také spojením dvou různých kovů ve vodivém prostředí. Je tedy zřejmé, proč nelze upevňovat měděný plech ocelovými vruty nebo nýty. Ze stejného důvodu je nutné provést galvanické pokovení ocele mědí naprosto dokonale, jinak by se ve štěrbinách vytvořil mikrogalvanický článek mezi ocelí a mědí. Ocel by se začala o to rychleji rozkládat. 

  Obr. 4:  Elektrochemická koroze ocelových vrutů v měděném plechu

 

 
   Bílý plech je pocínovaný ocelový plech používaný na výrobu konzerv. Pocínování je prováděno galvanicky, přičemž musí být vytvořena dokonale nepropustná vrstva cínu, jinak by koroze železa byla naopak ještě urychlena vytvořením korozního galvanického článku. 
Obr. 5:  Koroze ocele pod porušenou vrstvou cínu  
   

 

 

 
Obr. 6:  Elektrochemická ochrana potrubí

 

Elektrochemické koroze lze využít také k protikorozní ochraně například ocelového potrubí nebo trupů lodí námořních lodí. Provádí se vodivým spojením chráněného ocelového tělesa s tzv. obětovanou elektrodou ze slitiny málo ušlechtilých kovů, např. hořčíku, hliníku a zinku. Tato elektroda ve vodném prostředí koroduje přednostně. Po jejím rozpuštění je na její místo připojena další.

 

 

 

 

Další způsoby ochrany kovů před korozí

Ochrana proti korozi spočívá nejčastěji v zabránění přístupu vzduchu a vlhkosti k povrchu materiálů:

  1. provedením ochranných nátěrů barvami,
  2. opatřením povrchu smalty,
  3. úpravou povrchu kovu naolejováním či namazáním vazelínou – nepolární látky odpuzují vodu,
  4. pokrytím povrchu kovu plasty nebo pryží,
  5. galvanickým pokovováním – elektrolytické pokrytí povrchu kovu vrstvičkou nekorozivního kovu, např. niklem, chromem, zinkem, cínem,
  6. legováním oceli niklem či kobaltem (kovy přidávané do oceli se obecně nazývají legury).

 

Zdroje

Obrázky:

Pokud není uvedeno jinak, autorem obrázků je Jaroslav Svatoň

Zajímavost

Ačkoliv titan patří se svým negativním standardním redoxním potenciálem mezi neušlechtilé kovy, je korozivně velmi odolný.

Titanem jsou opatřeny vnitřky chemických reaktorů, které musejí odolat i velmi agresivnímu prostředí.

Z titanu jsou vzhledem k jeho biokompatibilitě vyráběny různé implantáty, použitelné doslova od hlavy k patě. V dentální chirurgii, různé podpůrné prvky kostry, kardiostimulátory nebo náhrady kloubů aj.

Pokud už se rozhodnete pro piercing, pak titanový povrch je z hygienického hlediska vhodným materiálem pro umístění do nezahojeného vpichu.

Pro svou malou hustotu je titan vhodným materiálem také pro výrobu  špičkového sportovního náčiní, např. rámů jízdních kol či golfových holí.

Obr. 9:  Kolo s titanovým rámem

Tento titanový rám kola byl vytisknut na 3D tiskárně! Přečtěte si více.

 

Kontrolní otázka

  1. Který z kovů je v zemské kůře nejzastoupenější?
  2. Kterého z kovů je na světě vyráběno největší množství? 
  3. Který z kovů titan – stříbro je ušlechtilejší?
  4. Který z kovů titan – stříbro je odolnější vůči korozi?
  5. Chrom se používá také k ochraně vodovodních baterií před korozí. Je chrom ušlechtilým kovem?
  6. Hliník je neušlechtilým kovem. Co je tedy příčinou jeho odolnosti vůči korozi?
  7. Je výhodné přišroubovat pozinkovaný plech bronzovými vruty? Vysvětlete, proč ano, či ne?
  8. Jaký materiál je nazýván "bílý plech" a co se z něj vyrábí?
  9. Co jsou to legované ocele?
  10. Které legury zvyšující odolnost proti korozi se přidávají do ocele?
  11. Co je podstatou elektrochemické koroze? 

 

Logolink