Ланцюжок дурних питань
Автомобілі біля моря іржавіють швидше. Металеві пірси доводиться постійно ремонтувати, а до підводних деталей яхт прикручують шматки цинку або алюмінію, які поступово руйнуються.
Причину зазвичай називають двома словами: сіль і волога. Але це ще не пояснення. Дощова вода теж мочить автомобілі, а сталеві конструкції стоять і в прісних річках. Що саме робить сіль?
Сіль у воді не зникає
Розмішаємо ложку солі у склянці води. Кристали зникнуть із поля зору, але сама сіль нікуди не подінеться. Якщо випарувати воду, на дні знову залишаться кристали.
Поки сіль розчинена, вона розподілена по всій воді у вигляді іонів — частинок з електричним зарядом. Іон натрію заряджений позитивно, а іон хлориду — негативно. У твердому кристалі вони тримаються разом, бо протилежні заряди притягуються.
Молекула води теж має трохи позитивний і трохи негативний боки. Вони чіпляються за протилежно заряджені іони й розтягують кристал на окремі частинки. Після цього іони можуть вільно рухатися у воді.
Вода із сіллю — це розчин. Вода тут є розчинником, а сіль — розчиненою речовиною. Розчин, у якому заряд переносять рухомі іони, називають електролітом.
Не кожна речовина робить воду електролітом. Цукор теж розчиняється, але не розпадається на іони. Тому цукрова вода не отримує стільки рухомих зарядів, як солона.
У солоній воді є багато частинок, здатних переносити електричний заряд. Їхня роль стане зрозумілою, якщо простежити, куди зникає саме залізо.
Чому залізо іржавіє
У воді біля поверхні сталі є розчинений кисень. Він може забирати електрони в атомів заліза.
Коли атом заліза втрачає два електрони, він стає позитивно зарядженим іоном. Молекули води повертаються до нього своїми негативними боками, оточують і відривають від поверхні. Так атом заліза переходить із металу у воду.
Кисень, який отримав електрони, теж реагує з водою й утворює негативно заряджені частинки. Вони зустрічаються з позитивними іонами заліза та з’єднуються з ними.
Утворені сполуки погано розчиняються, тому випадають із води твердим осадом. Цю суміш сполук ми й називаємо іржею.
Отже, залізо не зникає. Кисень забирає в його атомів електрони, вода переносить утворені іони, а потім ті осідають на поверхні у складі іржі.
Для цього потрібні і кисень, і вода. У звичайних умовах саме кисень біля мокрої сталі забирає електрони й підтримує процес. Без води утворений іон не зможе відокремитися від металу й зустрітися з іншими частинками. Тому сухе залізо іржавіє дуже повільно.
Іржа не створює надійного захисту. Вона займає більше місця, ніж залізо, з якого виникла, тріскається й відпадає. Під нею відкривається новий метал, і все починається знову.
Дистильована вода практично не проводить струм, бо в ній майже немає рухомих іонів. У прісній воді вони вже є, тому залізо іржавіє і в річці, і під дощем. Але в морській воді розчинених солей набагато більше. Їхні іони переносять заряд, тому реакції між залізом, водою та киснем можуть відбуватися інтенсивніше.
У зоні хвиль метал то занурюється у воду, то знову опиняється на повітрі. На ньому лишається солона вода, а кисень постійно надходить і з води, і з повітря. Сіль, волога та доступ до кисню разом прискорюють іржавіння.
Хлорид-іони створюють ще одну проблему. На деяких металах і сплавах виникає щільна захисна плівка, але хлориди можуть пошкоджувати її й відкривати метал для подальшої корозії.
Якщо корозії потрібен контакт із водою та киснем, метал можна спробувати відгородити від них фарбою. Але покриття працює лише тоді, коли міцно тримається на поверхні.
Чому не можна просто зафарбувати іржу
Фарба захищає сталь, відділяючи її від води та кисню. Але іржа — це пухкий пористий шар. Він погано тримається на металі й утримує вологу та солі.
Якщо нанести звичайну фарбу просто поверх іржі, вона приклеїться не до міцної сталі, а до цього нестійкого шару. Вода проникатиме крізь дефекти, корозія триватиме й поступово підніматиме покриття.
Тому перед фарбуванням прибирають слабко зв’язану іржу та солі, а вже потім наносять суцільне покриття. Воно не пускає до сталі воду й кисень.
Та на яхті є ще одна проблема. Під водою можуть бути електрично з’єднані деталі з різних металів.
Чому гвинт перетворює підводні деталі на батарейку
Гребний гвинт не роблять зі звичайної сталі. Біля його лопатей постійно виникають і схлопуються бульбашки. Їхні удари пошкоджують поверхню — це називають кавітацією. До того ж гвинт безперервно працює в морській воді.
Тому для гвинтів вибирають матеріали, які краще витримують і воду, і кавітацію. Наприклад, бронзу або спеціальну морську латунь. Ці сплави також зручно відливати у складну форму лопатей.
Але гвинт не висить у воді сам по собі. Він прикріплений до металевого вала. Через вал він може бути електрично з’єднаний з іншими металевими деталями човна, які теж занурені у воду.
Якщо гвинт і ці деталі зроблені з різних металів, виникає класична батарейка. Два метали з’єднані між собою, а навколо них є солона вода — електроліт.
У такому колі починає текти струм. Але він не виникає з нічого. Його створюють дві хімічні реакції.
На одному металі атоми віддають електрони й переходять у воду як іони. Ця деталь поступово розчиняється. Її називають анодом.
На іншому металі електрони забирає розчинений кисень. Цю деталь називають катодом. Вона приймає електрони й сама майже не витрачається.
Електрони проходять від анода до катода через металевий вал та інші з’єднані деталі. У солоній воді заряд між ними переносять іони. Разом обидва шляхи утворюють замкнене коло.
Навіщо до яхти прикручують цинк
Який метал стане анодом, можна передбачити. У морській воді різні метали віддають електрони з різною легкістю. Цю схильність називають корозійним потенціалом.
Для нашого прикладу достатньо знати: цинк віддає електрони найлегше, сталь — важче, а бронза — найважче.
Якщо бронзовий гвинт з’єднаний зі сталевою деталлю, анодом стає сталь. Її атоми переходять у воду, а електрони течуть до гвинта. Гвинт може виглядати неушкодженим і водночас прискорювати руйнування сталі.
Перша очевидна відповідь — розділити метали ізолятором. Якщо електрони не можуть пройти між сталлю та гвинтом, батарейка не працює. Так справді роблять. Але у валу, двигуні та кріпленнях легко залишається інший металевий контакт.
Є інший спосіб: навмисно додати метал, який руйнується легше за сталь. Для цього використовують цинк.
Цинковий блок прикручують безпосередньо до металу й не фарбують. Він має одночасно торкатися сталі та морської води. Розмір і кількість блоків підбирають під конструкцію, яку треба захистити.
Після приєднання цинку саме він віддає електрони легше за сталь і бронзу. Але чому через це сталь припиняє бути головним джерелом електронів, а не просто руйнується одночасно із цинком?
Усі з’єднані металеві деталі мають спільний рухомий запас електронів. Кисень на поверхні сталі та бронзи постійно забирає з нього електрони.
Без цинку ці втрати поповнює сталь. Атом заліза переходить у воду, а два його електрони залишаються в металі. Після приєднання цинку з’являється легше джерело: атоми цинку охочіше переходять у воду й залишають свої електрони всій з’єднаній конструкції.
Можна сказати, що цинк підтримує у сталі високий «тиск» електронів. Атому заліза тепер важче залишити там ще два електрони, тому йому важче стати іоном і перейти у воду.
Це лише аналогія: електрони не тиснуть на сталь, як газ на стінки посудини. Насправді цинк зміщує електричний потенціал усієї з’єднаної конструкції. За такого потенціалу реакція, в якій атом заліза віддає електрони й переходить у воду, відбувається набагато повільніше.
Кисень продовжує забирати електрони, але їхню втрату тепер переважно поповнює цинк. Тому корозія сталі різко сповільнюється, а основні втрати бере на себе цинк.
Цинк, який стає анодом замість сталі й навмисно витрачається, називають жертовним анодом.
Зробити з цинку сам гвинт не можна. Він надто швидко руйнувався б і погано витримував навантаження. Натомість окремий цинковий блок легко оглянути й замінити.
Захист працює, поки цинк має чистий металевий контакт із конструкцією, торкається тієї самої води й ще не витратився. Тому його не фарбують і регулярно замінюють.
Що відбувається з автомобілем біля моря
Автомобіль не занурений у море, але бризки й морський аерозоль залишають сіль на кузові та днищі. Дрібні краплі осідають також у подряпинах і мікротріщинах фарби. Під час дощу або за високої вологості сіль розчиняється, і солона вода дістається крізь ці дефекти до сталі. У ній багато рухомих іонів, тому іржавіння відбувається швидше, ніж під звичайною дощовою водою.
Коли кузов висихає, вода зникає, але сіль залишається, зокрема під пошкодженим покриттям. Наступного вологого дня вона розчиняється знову, і процес повторюється.
Отже, сіль не забирає атоми металу сама. Вона створює умови, в яких реакція заліза з водою та киснем відбувається інтенсивніше.
Джерела й фактчек
Механізм корозії, покриття та катодний захист
- U.S. Bureau of Reclamation: Coatings and Cathodic Protection
- U.S. Bureau of Reclamation: Corrosion and Cathodic Protection
- FHWA: Steel, Welding, and Coatings
- AMPP: Forms of Corrosion
Солоність, провідність і потенціали