Koroze - Talnet

Koroze
Úvod
Jako téma své seminární práce v T-kurzu jsem si zvolil korozi, zejména korozi železa a oceli.
Větší část práce jsem zpracoval experimentálně, abych zjistil podmínky urychlující nebo naopak
zpomalující rezivění.
Tato otázka je velice důležitá i z praktického hlediska, protože znalost a možnost předpovědi
chování železných a ocelových součástek je v průmyslu velmi cenná. Pokud totiž například není
ocelová konstrukce dostatečně zabezpečena proti účinkům koroze a korozivního prostředí, může se
oslabit a v důsledku způsobit nemalé škody na majetku, nebo dokonce na zdraví lidí.
Proto je nutné tyto konstrukce a součástky chránit.
Vždyť ztráty způsobené korozí jsou obrovské: jen v České republice se odhadují na zhruba 3,5%
HDP, což je cca 50 mld. Korun.
Koroze obecně
Koroze obecně
Ačkoli většinu lidí při vyslovení slova KOROZE napadne okamžitě rezivění železa a železných
konstrukcí, není to úplně přesné. Ve skutečnosti se koroze týká v podstatě všech kovů (až na
výjimky typu Au, Pt).
Přesto zůstává koroze železa nejdůležitější a proto se jí budu nadále věnovat.
Koroze se obvykle rozlišuje na korozi neželezných kovů a železa (a ocelí, aj.).
Koroze se také většinou dělí podle principu na korozi chemickou a elektrochemickou, jejichž
princip je dosti rozdílný, proto je popíšu odděleně.
Koroze chemická
Koroze chemická, jak už sám název napovídá, není spojena s průběhem žádných elektrických
proudů na rozdíl od koroze elektrochemické. Tato koroze nevyžaduje elektrolyt a proto probíhá
zejména v suchých plynech (hlavně za vyšších teplot) a silných kyselinách.
Příkladem může být například koroze železa v kyselině chlorovodíkové:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Tato koroze samozřejmě probíhá i v jiných prostředích – třeba ve vodě nebo na vzduchu. Zde se
ale obvykle kombinuje s korozí elektrochemickou. Také rychlost je v různých kombinacích odlišná
– zlato nebo platina téměř nekorodují na rozdíl od alkalických kovů, které jsou na vzduchu velmi
rychle oxidovány. Zajímavá je také tzv. pasivace některých kovů (měď, hliník, chrom, železo v
koncentrované H2SO4), kdy se kov pokryje souvislou neprodyšnou vrstvičkou oxidu (nebo jiné
stabilní sloučeniny) a tato vrstva působí jako izolace před korozivním prostředím.
Koroze elektrochemická
Koroze elektrochemická, jak už název napovídá, probíhá pouze při průchodu elektrického
proudu. Je tedy zapotřebí elektrolytu a elektrod.
Tato koroze probíhá dvěma na sobě závislými reakcemi – katodovou a anodovou. Nemohou
existovat nezávisle na sobě, přestože katoda od anody může být dosti vzdálena.
Pokud na kov působí elektrolyt, kationty kovu přechází do roztoku a kov se nabíjí záporně. Aby
mohla koroze dále pokračovat, musí se kov vybíjet – buď s kationty roztoku nebo, s přístupem
kyslíku, reakcí s kyslíkem.
Tyto dvě reakce – přechod iontů do roztoku a vybíjení náboje neprobíhá na jednom místě. Vždy
existují tzv. anodová a katodová místa. Ta se tvoří na místech odlišných buď chemicky nebo
fyzikálně (hrany,...). Oba tyto typy odlišností se uplatňují při korozi železa, to totiž nikdy není
chemicky čisté, ale vždy obsahuje příměsi – především uhlík nebo jiné kovy jako legury.
Koroze atmosférická
Někdy se ještě rozlišuje koroze elektrochemická probíhající v malé vrstvičce nebo kapce vody na
povrchu kovu. V takových podmínkách se vodní vrstva chová jinak než „obyčejná“ kapalná voda v
silné vrstvě, protože se výrazněji uplatňují síly povrchového napětí. Korozi tedy podstatně urychluje
vysoká vlhkost vzduchu a jeho znečištění.
Koroze železa
Chemickými reakcemi popíšu korozi železa v kontaktu s vodou – elektrolytem. Vzniká
elektrochemický článek, poločlánkové reakce jsou uvedeny dále.
Nejprve přejdou do roztoku ionty železa Fe2+ :
Fe → Fe2+ + 2ePoté se vybijí přebytečné elektrony tzv. depolarizací kyslíkem:
2e- + H2O + ½ O2 → 2 OHTyto ionty poté reagují s kationty železnatými v roztoku:
Fe2+ + 2 OH- → Fe(OH)2
Hydroxid železnatý dále reaguje s kyslíkem a přechází na stabilnější hydroxid železitý. Mimoto
vzniká mnoho „podivných“ sloučenin, jako hydroxid-oxid, hydratovaný oxid, oxid, …, jejichž směs
označujeme jako „rez“.
2 Fe(OH)2 + H2O + ½ O2 → 2 Fe(OH)3
V silně kyselém prostředí může depolarizace probíhat i vodíkem:
2e- + 2 H+ → H2
Pokud je kterýkoli z těchto dějů přerušen nebo zastaven, koroze přestává probíhat.
Experimentální část
Rozhodl jsem se provést experiment, který měl ukázat, jak souvisí koroze železa s prostředím, v
němž probíhá.
V osmi zkumavkách jsem připravil 5 různých prostředí – postupně od čisté vody, přes suchý
vzduch, vodu bez přístupu vzduchu, kyselé prostředí až po slanou vodu – a 3 různé povrchové
úpravy železa – tukový nátěr, styk s ušlechtilejším kovem (mědí) a styk s méně ušlechtilým kovem
(hliníkem). Pak jsem do každé zkumavky vložil jeden očištěný a odmaštěný hřebík. Poté jsem
všechny zkumavky postavil do stojanu a nechal hřebíky korodovat.
Během celého pokusu jsem pořídil celkem tři série fotografií. První hned při zahájení, kdy byly
hřebíky čisté. Druhou sérii jsem vyfotografoval zhruba v polovině experimentu. Poslední třetí série
byla pořízena na konci pokusu – cca po 1 měsíci.
Provedení experimentu
1.zkumavka byla kontrolní – naplněná destilovanou vodou a s otevřeným hrdlem.
0. den
11. den
28. den
2. zkumavka byla bez roztoku a zazátkovaná – hřebík korodoval pouze vlivem nepříliš vlhkého
vzduchu.
0. den
11. den
28. den
3. zkumavka byla naplněna vodou a neprodyšně uzavřena zátkou a vrstvou oleje na hladině –
koroze probíhala v podstatě bez přístupu kyslíku.
0. den
11. den
28. den
4. zkumavka obsahovala slabý roztok H2SO4 – takové podmínky panují v oblastech, kde jsou v
ovzduší oxidy síry – zplodiny po spalování nekvalitního uhlí, případně v oblastech, kde padají
kyselé deště.
0. den
11. den
28. den
5. zkumavka s roztokem NaCl měla dokumentovat vliv slané „mořské“ vody na rychlost koroze.
0. den
11. den
28. den
V 6. zkumavce byla sice čistá voda, ale hřebík byl chráněn vrstvou bílé vazelíny, tedy tuku.
0. den
11. den
28. den
Do 7. zkumavky byl ponořen hřebík omotaný měděným drátem pro zdokumentování koroze v
přítomnosti ušlechtilejšího kovu – v praxi se toto stává například při špatném zvolení materiálů a
jejich styku.
0. den
11. den
28. den
V 8. zkumavce korodoval hřebík omotaný hliníkovou fólií – styk s méně ušlechtilým kovem.
0. den
11. den
28. den
Vyhodnocení experimentu
První zkumavka byla kontrolní – s tou budu porovnávat všechny ostatní. V této zkumavce hřebík
zkorodoval, přičemž většina rzi se uvolnila do roztoku a usadila se na dně, část rzi se ovšem volně
vznáší v roztoku.
V 2. zkumavce nebyl žádný roztok, pouze vzduch, není tedy překvapivé, že hřebík skoro vůbec
nezkorodoval.
Třetí zkumavka sice byla pod zátkou a vrstvou oleje, přesto hřebík zkorodoval srovnatelně jako v
první. Částečky rzi opadané do vody jsou ale poněkud světlejší. Sice se dalo počítat s korozí vlivem
kyslíku rozpuštěného ve vodě, ale ten se měl brzy vyčerpat.
Ve čtvrté zkumavce naplněné mírně kyselým roztokem hřebík podle očekávání zrezivěl nejvíc
ze všech zkoumaných prostředí. I zde ale mají částečky rzi světlejší barvu než u kontrolního vzorku.
Největším překvapením celého experimentu byla pátá zkumavka, ve které, přes její salinitu,
hřebík zkorodoval jen minimálně. Tento stav nedokážu vysvětlit.
Hřebík v šesté zkumavce byl chráněn vrstvou tuku, která ho chránila před přístupem vody a tedy
před korozí.
Hřebík ze sedmé zkumavky omotaný mědí zkorodoval srovnatelně s kontrolním vzorkem,
zatímco měď nejeví sebemenší známky poškození. Ani to ale není výsledek přesně podle mého
očekávání, železo mělo zkorodovat mnohem více.
V osmé zkumavce jsou sice vidět částečky rzi, ale i hliníková fólie korodovala. Přitom koroze
železa by probíhat vůbec neměla, protože hliník je méně ušlechtilý a tedy reaktivnější kov.
Závěr
Korozi nejvíce urychluje kyselé prostředí, což není žádným překvapením, dále styk s mědí jako
ušlechtilým kovem.
Naopak nejpomalejší bylo rezivění ve vzduchu a pod vrstvou tuku, což byl také očekávaný
výsledek, ale relativně málo korodovala ocel i v slaném prostředí.
Největšími překvapeními jsou rychlá koroze bez přístupu vzduchu a relativně pomalé rezivění v
roztoku NaCl.
Literatura
Chemie kolem nás, Zdeněk Opava, Albatros 1986
Přehled středoškolské chemie, SPN 1993
Praktická a laboratorní výuka chemie, Olga Mokrejšová, Triton 2005