Aluminium i woda destylowana: Doświadczenia i ochrona przed korozją

Szczegóły: Opublikowano: 31. March 2026

Od słowa corrosio (z łac. - zżeranie) pochodzi nazwa procesów powodujących niszczenie materiałów. W dzisiejszym artykule skupimy się na korozji metali i sposobach zapobiegania temu niekorzystnemu zjawisku. Proces spowodowany jest różnorodnymi czynnikami, ale największe straty gospodarcze przynosi jego elektrochemiczna odmiana, niszcząca stopy żelaza. Z tego powodu omówienie procesów korozji stanowi stały punkt każdego podręcznika elektrochemii.

Korozja chemiczna i elektrochemiczna

Korozja chemiczna zachodzi pod wpływem substancji chemicznych (w praktyce najczęściej czynników atmosferycznych). Przebiegającym reakcjom nie towarzyszy przepływ prądu. Jednak nie tylko stopy żelaza ulegają korozji chemicznej. Praktycznie wszystkie metale pokrywają się powłokami tlenków i innych związków.

Korozja elektrochemiczna zachodzi z udziałem ogniw galwanicznych utworzonych na powierzchni metalu. Reakcje są jednak takie same, jak w przypadku korozji chemicznej.

Mechanizm korozji elektrochemicznej stopów żelaza

Czystego żelaza, które koroduje stosunkowo powoli, nie używa się jako materiału konstrukcyjnego. Natomiast stopy żelaza - różne gatunki stali i żeliwa - zawierają dodatek węgla w postaci grafitu, bez którego nie miałyby wielu przydatnych właściwości. Kryształy grafitu oraz cementytu Fe₃C tworzą jednak z żelazem ogniwa o zwartych elektrodach. W obecności elektrolitu (woda wraz z rozpuszczonymi gazami i solami), powodującego zamknięcie obwodu, zaczynają zachodzić niekorzystne procesy.

(-) Anoda: Fe⁰ → Fe²⁺ + 2e^-
(+) Katoda: O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-

Po dodaniu stronami równań obu procesów (przebiegający na anodzie mnożymy przez dwa w celu zbilansowania liczby elektronów) otrzymujemy zapis równania reakcji elektrochemicznej korozji stopów żelaza (pamiętając, że kationy Fe²⁺ wraz z anionami OH^- utworzą osad wodorotlenku żelaza(II):

Przeczytaj także: Normy filtracji powietrza przy spawaniu aluminium

2Fe + O₂ + 2H₂O → 2Fe(OH)₂

Równanie reakcji jest takie samo jak dla korozji chemicznej. Przemiany zachodzące w ogniwach są identyczne z przebiegającymi w probówce - różnicą jest przestrzenne rozdzielenie reakcji utleniania i redukcji podczas procesów elektrochemicznych. Kolejne etapy niszczenia stalowej konstrukcji są już czysto chemiczne i prowadzą do powstania rdzy.

Doświadczenie: Wpływ różnych czynników na korozję elektrochemiczną

W celu zbadania wpływu różnych czynników na szybkość korozji elektrochemicznej, potrzebne będzie sześć probówek, sześć stalowych gwoździ oraz drut miedziany i kawałek blaszki cynkowej. Przed eksperymentem dokładnie oczyszczamy i odtłuszczamy powierzchnię metali.

Probówka 1 - woda destylowana + gwóźdź.
Probówka 2 - roztwór 2% NaCl + gwóźdź.
Probówka 3 - roztwór 2% NaOH + gwóźdź.
Probówka 4 - roztwór 2% kwasu octowego + gwóźdź.
Probówka 5 - woda destylowana + gwóźdź połączony z blaszką cynkową.
Probówka 6 - woda destylowana + gwóźdź owinięty drutem miedzianym.

Następnie wkładamy gwoździe tak, aby część wystawała nad powierzchnię cieczy. W przypadku probówek 5 i 6 gwoździe dodatkowo łączymy z blaszką cynkową albo drutem miedzianym.

Obserwacje

Probówka 1 - żółtawe zabarwienie roztworu, na dnie probówki nieco osadu.
Probówka 2 - żółtobrunatny roztwór, na dnie większa ilość brunatnego osadu.
Probówka 3 - brak oznak korozji.
Probówka 4 - nad powierzchnią roztworu gwóźdź jest wyraźnie skorodowany, natomiast roztwór jest prawie bezbarwny. Brak osadu. Jony wodorowe działają w sposób odwrotny do wodorotlenowych, przyspieszając reakcję katodową.
Probówka 5 - brak oznak korozji gwoździa, na dnie niewielka ilość białego osadu. Połączony z żelazem cynk tworzy ogniwo galwaniczne, w którym (jako metal aktywniejszy) jest anodą, a żelazo - katodą. Taki układ elektrod zapobiega korozji stali.
Probówka 6 - żółtobrunatny roztwór, na dnie duża ilość brunatnego i zielonego osadu. Połączona z żelazem miedź również tworzy ogniwo galwaniczne. Jako metal mniej aktywny od żelaza jest w nim katodą, a żelazo - anodą.

Wyjaśnienie obserwacji

Probówka 1: Woda destylowana zawiera niewiele jonów, co spowalnia proces korozji.
Probówka 2: Duża ilość jonów powstałych z dysocjacji chlorku sodu powoduje zwiększenie przewodnictwa elektrycznego roztworu i przyspieszenie reakcji.
Probówka 3: Dość duże stężenie jonów OH^- hamuje korozję.
Probówka 4: Jony H⁺ działają w sposób odwrotny, przyspieszając reakcję katodową poprzez wiązanie jonów OH^- (tworzą się cząsteczki wody).
Probówka 5: Cynk połączony z żelazem tworzy ogniwo galwaniczne, w którym (jako metal aktywniejszy od żelaza) jest anodą, a żelazo - katodą. Taki układ zwartych elektrod ogniwa zapobiega korozji stali.
Probówka 6: Również miedź połączona z żelazem tworzy ogniwo galwaniczne. Jednak (jako metal szlachetniejszy od żelaza) przyjmuje w nim rolę katody, a żelazo - anody.

Ochrona przed korozją

Ochrona przed korozją to poważny problem gospodarczy. Znajomość mechanizmu korozji elektrochemicznej oraz czynników wpływających na szybkość tego procesu umożliwiają zastosowanie środków zapobiegawczych. Oprócz używania materiałów odpornych na korozję (tworzywa sztuczne, stal nierdzewna, trudno korodujące metale) - tam, gdzie jest to uzasadnione ze względów technologicznych i ekonomicznych - stosuje się następujące metody:

Przeczytaj także: Wpływ wilgotności na aluminium

Izolacja powierzchni stali od czynników środowiskowych za pomocą niemetalicznych powłok ochronnych - farb, lakierów, emalii. Ochrona jest skuteczna pod warunkiem zachowania szczelności powłoki.
Metaliczne powłoki ochronne nanoszone elektrolitycznie lub przez zanurzenie w ciekłym metalu.
- Powłoki ochronne z metali stojących w szeregu napięciowym przed żelazem (cynk, chrom) są skuteczne nawet w przypadku uszkodzenia - pełnią rolę anody w zwartym ogniwie. Ulegają więc zniszczeniu, chroniąc stalowy przedmiot.
- Natomiast warstwy metali mniej aktywnych od żelaza (miedź, nikiel, cyna) spełniają swoje zadanie tylko nieuszkodzone.
Gdy nie jest możliwe pokrycie powłoką metalową całej powierzchni konstrukcji, stosuje się ochronę protektorową. Do elementu narażonego na zniszczenie (np. kadłub statku) przytwierdza się blok metalu bardziej aktywnego niż żelazo (zwykle stop Al-Mg-Zn), który stanowi anodę zwartego ogniwa.
Zarówno w przypadku pokrywania stali powłoką cynkową, jak i ochrony protektorowej żelazo stanowi katodę, do której dostarczane są elektrony. Powstał więc pomysł ochrony katodowej, polegającej na podłączeniu do stalowej konstrukcji ujemnego bieguna źródła napięcia o wartości 1-2 V. Biegun dodatni źródła łączony jest najczęściej z płytą grafitową, umieszczoną w pobliżu chronionego elementu. Metoda zabezpiecza duże konstrukcje zakopane w podłożu.
W przypadku wypełnionych wodą konstrukcji zamkniętych (kotły parowe, instalacje grzewcze i chłodnicze) stosuje się substancje spowalniające procesy niszczenia (inhibitory korozji).

Doświadczenie z inhibitorami korozji

Wykonajmy doświadczenie, które potwierdzi działanie inhibitorów korozji. Trzy probówki napełniamy wodą z kranu. Do jednej z nich dodajemy kilka kryształków azotanu(III) sodu NaNO₂, do drugiej - chromianu(VI) potasu K₂CrO₄, trzecią zaś pozostawiamy bez zmian. Do próbówek wkładamy gwoździe stalowe i spokojnie czekamy na wynik.

Podsumowanie

W skali światowej korozja powoduje ogromne straty - szacuje się, że zniszczeniu ulega rocznie 20-30% wyprodukowanej stali. Co gorsza, przyczyn zachodzenia korozji elektrochemicznej nie sposób zlikwidować - powodami są niska wartość potencjału standardowego żelaza oraz skład stali. Jednak znajomość mechanizmu procesu oraz wpływających nań czynników pozwalają przeciwdziałać temu zjawisku.

Czynniki Wpływające na Korozję

Czynniki powodujące korozję to procesy chemiczne, elektrochemiczne, biologiczne i mechaniczne.

Korozja Chemiczna i Elektrochemiczna

Korozja chemiczna zachodzi pod wpływem tlenu z powietrza atmosferycznego, chloru oraz tlenków siarki i azotu (bezwodników kwasów). W przypadku korozji elektrochemicznej powstają ogniwa galwaniczne. Procesy korozji elektrochemicznej i chemicznej niekiedy przebiegają równocześnie.

Procesy Zachodzące na Powierzchni Korodowanej Stali w Obecności Wody

W przypadku żelaza i jego stopów, na powierzchni, w wyniku korozji, czyli niszczenia, powstaje rdza, czyli mieszanina tlenków, wodorotlenków i węglanów żelaza.

Przeczytaj także: Bezpieczne odpylanie aluminium

Wodorotlenki żelaza częściowo przechodzą w tlenki żelaza lub węglany żelaza pod wpływem CO₂ z powietrza.

2 Fe + 2 H₂O + O₂ → 2 Fe²⁺ + 4 OH^-

Fe²⁺ + 2 OH^- → Fe(OH)₂

4 Fe(OH)₂ + O₂ + 2 H₂O → 4 Fe(OH)₃

Procesy Zachodzące Podczas Korozji Srebra i Miedzi

Innym przykładem korozji może być patyna na miedzi lub czarny osad siarczku srebra na wyrobach ze srebra. Zielonkawa barwa materiałów miedzianych spowodowana jest powstawaniem tzw. śniedzi (patyny) - Cu₂CO₃(OH)₂ na miedzi.

2 CuO + CO₂ + H₂O → Cu₂CO₃(OH)₂

Srebro czernieje w wyniku kontaktu ze związkami zawierającymi siarkę.

16 Ag + S₈ → 8 AgS₂

Procesy Zachodzące Podczas Korozji Aluminium

Glin pod wpływem tlenu pokrywa się warstewką Al₂O₃, która zapobiega procesom utleniania głębszych warstw glinu. Tlenek glinu jest odporny na działanie słabych kwasów i wody:

4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃

Matowienie powierzchni glinu (pasywacja) to rodzaj korozji.

Korozja stali przebiega szybciej w roztworach o odczynie kwasowym, a wolniej w roztworach o odczynie zasadowym, zatem kwaśne deszcze przyspieszają korodowanie konstrukcji stalowych. Natomiast w pojazdach mechanicznych odczyn zasadowy płynów chłodnicowych spowalnia procesy korozji.

Korozja szybciej przebiega w roztworach soli. Solanka stosowana do odladzania dróg przyspiesza korozję elektrochemiczną pojazdów, ponieważ jony soli zwiększają przewodnictwo elektryczne, przyczyniając się do przyspieszenia reakcji elektrodowych.

Korozja Biologiczna

W przypadku korozji biologicznej, istotną rolę odgrywa działanie organizmów żywych (często bakterii). Zarówno beztlenowce, jak i bakterie używające tlenu, mogą powodować korozję biologiczną. Na przykład bakterie redukują w środowisku beztlenowym siarczany do siarkowodoru i siarczków, co przyczynia się do niebezpiecznej korozji niektórych metali, w tym np. stali nierdzewnej. Beztlenowe bakterie redukujące siarczany inicjują i przyspieszają elektrochemiczną korozję kadłubów statków morskich.

Korozja Mechaniczna

Z kolei w przypadku korozji mechanicznej, to na skutek naprężeń mechanicznych, prowadzących do pękania przedmiotów metalowych następuje korozja elektrochemiczna.

Badania korozyjne prowadzone są w celu określenia szybkości korozji metali i stopów metali, właściwości ochronnych powłok, wpływu środowiska na zmiany właściwości mechanicznych materiałów, itp. Bada się oddziaływanie takich czynników jak: temperatura, wilgotność, stężenie składników korozyjnych.

tags: #aluminium #i #woda #destylowana #doświadczenia