Каждый из нас хотя бы раз сталкивался с неприятным и бесполезным, на первый взгляд, явлением ржавчины. Но если в быту на неё во многих случаях можно «закрыть глаза», то для музейных работников ржавчина — источник больших проблем: она не только портит вид металлических экспонатов, но и может лишить некоторые механизмы способности двигаться. А чтобы эффективно бороться с противником, его нужно хорошо изучить.
Что такое ржавчина и почему она возникает?
Некоторые металлы носят звание благородных: оно дано им в том числе за высокую стойкость к реакциям окисления. Неблагородные металлы таким свойством не обладают: извлечённые из руды, они находятся в нестабильном металлическом состоянии, поэтому с разной степенью активности взаимодействуют с кислородом из воздуха или воды.
Ржавчина — проявление, продукт реакций окисления железа или его сплавов. Другие металлы тоже окисляются, но при этом образуется, например, оксидная плёнка, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода к поверхности металла и его коррозии. Так, кстати, получают нержавейку: добавляя в сталь хром. Окислы железа (ржавчина) могут представлять собой разные формы, но все они пористые, а значит, проницаемы для воды или воздуха. Поэтому ржавчина не только не защищает металл, но и быстро распространяется вглубь конструкций.
Ржавчина — враг? Точно?
Ресурс железа на Земле огромен. Это металл, который используется не только в самых разных конструкциях, но и во многих промышленных процессах. Поэтому на первый взгляд ржавчина — исключительно отрицательное явление. Не раз её возникновение способствовало разрушению мостов или других конструкций.
Однако ржавчину научились использовать. Самое известное и древнее применение ржавчины — краситель, красно-оранжевый, конечно. В наши дни ржавчина используется не только для красок, но и в пищевой промышленности (ищите в составе Е172). А в нефтехимической промышленности оксид железа используется как катализатор.
Ржавые аккумуляторы
Использовать ржавчину можно и в энергетике: на основе окислительно-восстановительных реакций работают металло-воздушные аккумуляторы.
Как? В качестве анода используется железная пластина, в качестве катода — воздух, запасённый в другой пористой пластине. Оба электрода погружаются в электролит, содержащий мембрану: она задерживает железо, но проницаема для ионов OH−.
В цикле разрядки аккумулятора, или производства электричества, железо ржавеет. Изготовители подобных аккумуляторов называют этот процесс «вдохом железа». Кислород из воздушного катода реагирует с электролитом, образуя ионы OH−. Они проходят через проницаемую мембрану и окисляют железо, то есть появляется ржавчина. В этой реакции образуются электроны, тем самым производя электричество. Чтобы зарядить аккумулятор, через железный электрод нужно пропустить ток: это высвобождает кислород из ржавчины, превращая его обратно в железо. Железо «выдыхает», аккумулятор перезаряжается.
Чем хороши «ржавые» аккумуляторы? Во-первых, железо куда более распространённый материал, нежели литий (который широко применяется для изготовления анодов химических источников тока и как один из компонентов щелочного электролита для аккумуляторов). Литий трудно добывать, он токсичен для окружающей среды, да ещё и легко воспламеняется.
Но самое важное достоинство железо-воздушных аккумуляторов перед литиевыми - их гораздо большая плотность энергии (приблизительно 800 против 300 Вт·ч на кг). В литий-ионной батарее ионы лития, двигаясь в электролите между электродами, занимают пустые пространства внутри кристаллических структур электродов. Это означает, что ёмкость батареи ограничена физическим объёмом электродов. Это же приводит к деградированию ёмкости аккумулятора после определённого количества циклов перезарядки.
В железо-воздушной батарее принцип другой: электрохимическая реакция осаждает ржавчину на поверхности железного электрода, то есть ёмкость аккумулятора ограничивается лишь площадью поверхности электрода. Этот же фактор приводит к тому, что такие аккумуляторы по размеру будут сильно превосходить литиевые: разрабатываемый в наши дни прототип имеет размер стиральной машины.
Такие аккумуляторы не сменят литий-ионные в привычных нам небольших устройствах, но они могут отлично подойти для стационарных систем хранения энергии и стать способом использования, на первый взгляд, очень вредного явления.
Так что и ржавчина может быть полезна — если смотреть на неё с научной точки зрения.
На этот непростой вопрос ответила старший научный сотрудник Политехнического музея Майя Коршунова. Если у вас тоже есть вопросы, связанные с устройством мира или человека, вы можете задать их в комментариях или в письме по адресу question@polytech.one