Ржавчина — общий термин для определения оксидов железа. В разговорной речи это слово применяется, прежде всего, к красным окислам, образующимся в ходе реакции железа с кислородом в присутствии воды или влажного воздуха. Общественная служба новостей расскажет, как образуется ржавчина.
Химический состав ржавчины
Ржавчина представляет из себя сложное химическое соединение, образующееся при взаимодействии железа с окружающей средой.
· Основным химическим соединением в ржавчине является оксид железа. В отличие от чистых оксидов, ржавчина содержит гидратированные формы, то есть молекулы воды, встроенные в кристаллическую решётку. Типичная формула ржавчины — Fe₂O₃·nH₂O, где n обозначает переменное количество молекул воды.
· Обычные оксиды железа, такие как FeO (оксид железа(II)) или Fe₃O₄ (магнетит), образуются в условиях высоких температур или отсутствия воды. Ржавчина же формируется при комнатной температуре в присутствии влаги и кислорода. Её структура менее плотная и не обеспечивает защитного слоя, в отличие от оксидных плёнок на алюминии или цинке.
· Включение молекул воды в структуру ржавчины делает её более рыхлой и пористой. Это позволяет кислороду и воде продолжать проникать к поверхности металла, ускоряя дальнейшую коррозию. Гидратация также объясняет характерный красно-коричневый цвет ржавчины, который отличается от чёрного или серого оттенков безводных оксидов железа.
Условия, необходимые для коррозии железа
Железо ржавеет не просто так — данный процесс требует определённых условий.
· Кислород взаимодействует с атомами железа на поверхности металла, образуя оксиды. Без доступа кислорода, даже в присутствии воды, процесс коррозии сильно замедляется или останавливается.
· Bода служит средой для переноса ионов и участвует в химических реакциях. Даже тонкая плёнка влаги на поверхности железа достаточна для начала коррозии. В сухих условиях ржавчина практически не образуется.
· Электролиты увеличивают электропроводность воды, облегчая движение ионов железа и электронов. Например, в морской воде коррозия происходит значительно быстрее, чем в пресной.
· В в условиях повышенной кислотности коррозия ускоряется из-за активного взаимодействия ионов водорода с железом. Щелочная среда может замедлить процесс, но не остановить его полностью.
Этапы образования ржавчины
Процесс образования ржавчины – это целая последовательность химических реакций:
1. На поверхности железа атомы теряют электроны, превращаясь в ионы Fe²⁺. Это анодный процесс, который происходит в участках с повышенной активностью металла, например, в местах царапин или примесей.
2. Высвободившиеся электроны перемещаются по металлу к участкам, где доступен кислород (катодные зоны). Там они взаимодействуют с водой и кислородом, образуя гидроксид-ионы (OH⁻). Ионы Fe²⁺ и OH⁻ соединяются, создавая гидроксид железа(II) — Fe(OH)₂.
3. Гидроксид железа (III) неустойчив и быстро окисляется кислородом до гидроксида железа (III) — Fe(OH)₃. При высыхании он теряет воду, превращаясь в Fe₂O₃·nH₂O. Этот процесс повторяется, образуя многослойную рыхлую структуру ржавчины.
4. Поскольку ржавчина не создаёт никакого барьера, кислород и вода продолжают проникать к металлу. Новые слои оксидов формируются под старыми, что приводит к постепенному разрушению всего объёма железа.
Факторы, влияющие на скорость коррозии
Скорость, с которой железо покрывается ржавчиной, зависит от множества различных условий.
· В регионах с высокой влажностью и загрязнённым воздухом коррозия происходит интенсивнее.
· Железо редко используется в чистом виде. Примеси в нем создают микрогальванические элементы. Участки с разным составом становятся анодами и катодами, ускоряя локальную коррозию.
· Царапины, трещины или какие-либо иные деформации делают металл более уязвимым. В повреждённых зонах быстрее начинается окисление, так как нарушается естественная оксидная плёнка (если она есть).
· Повышение температуры обычно ускоряет химические реакции, в том числе и коррозию металла.
· В местах с ограниченным доступом кислорода может развиваться точечная коррозия.
· Некоторые бактерии и грибки ускоряют коррозию. Например, сульфатвосстанавливающие бактерии производят сероводород, который реагирует с железом образует сульфиды.
Читайте также по теме: