Гальваническая коррозия (также называемая биметаллической коррозией или коррозией разнородных металлов ) — это электрохимический процесс, при котором один металл разъедает преимущественно, когда он находится в электрическом контакте с другим, в присутствии электролита . Подобная гальваническая реакция используется в первичных элементах для генерации полезного электрического напряжения для питания портативных устройств. Это явление названо в честь итальянского врача Луиджи Гальвани (1737–1798).
Разнородные металлы и сплавы имеют разные электродные потенциалы , и когда два или более металла вступают в контакт в электролите, один металл (более реакционноспособный ) действует как анод , а другой (менее реакционноспособный ) — как катод . Разность электропотенциалов между реакциями на двух электродах является движущей силой ускоренного воздействия на анодный металл, который растворяется в электролите. Это приводит к тому, что металл на аноде разъедается быстрее, чем в противном случае, и коррозия на катоде подавляется. Наличие электролита и электропроводящего пути между металлами необходимо для возникновения гальванической коррозии. Электролит обеспечивает возможность миграции ионов , благодаря чему ионы движутся, предотвращая накопление заряда, которое в противном случае остановило бы реакцию. Если электролит содержит только ионы металлов, которые трудно восстанавливаются (например, Na + , Ca 2+ , K + , Mg 2+ или Zn 2+ ), катодная реакция представляет собой восстановление растворенного H + до H 2 или O. 2 к ОН - . [1] [2] [3] [4]
В некоторых случаях такой тип реакции намеренно поощряется. Например, недорогие бытовые батареи обычно содержат углеродно-цинковые элементы . Являясь частью замкнутой цепи (электронный путь), цинк внутри элемента будет корродировать преимущественно (ионный путь), поскольку он является важной частью батареи, производящей электричество. Другим примером является катодная защита подземных или затопленных сооружений, а также резервуаров для хранения горячей воды . В этом случае жертвенные аноды работают как часть гальванической пары, способствуя коррозии анода, одновременно защищая катодный металл.
В других случаях, например, при наличии в трубопроводах смешанных металлов (например, меди, чугуна и других литых металлов), гальваническая коррозия будет способствовать ускоренной коррозии частей системы. Ингибиторы коррозии , такие как нитрит натрия или молибдат натрия, могут вводиться в эти системы для снижения гальванического потенциала. Однако применение этих ингибиторов коррозии необходимо тщательно контролировать. Если применение ингибиторов коррозии увеличивает проводимость воды в системе, потенциал гальванической коррозии может значительно увеличиться.
Кислотность или щелочность ( pH ) также является важным фактором в отношении биметаллических циркуляционных систем с замкнутым контуром. Если pH и дозы ингибирования коррозии неправильны, гальваническая коррозия будет ускоряться. В большинстве систем отопления , вентиляции и кондиционирования использование расходных анодов и катодов не является возможным, поскольку их необходимо будет применять в водопроводной системе системы, и со временем они будут разъедать и выделять частицы, которые могут вызвать потенциальное механическое повреждение циркуляционных насосов. теплообменники и т.п. [5]
Типичным примером гальванической коррозии является оцинкованное железо , лист железа или стали, покрытый цинковым покрытием. Даже когда защитное цинковое покрытие разрушается, лежащая под ним сталь не подвергается воздействию. Вместо этого цинк подвергается коррозии, поскольку он менее «благороден». Только после его израсходования может произойти ржавление основного металла. Напротив, в случае с обычной консервной банкой происходит эффект, противоположный защитному: поскольку олово более благородно, чем сталь под ним, при разрушении оловянного покрытия сталь под ним немедленно подвергается преимущественному воздействию.
Яркий пример гальванической коррозии произошел на Статуе Свободы , когда регулярные проверки технического обслуживания в 1980-х годах показали, что коррозия произошла между внешней медной обшивкой и опорной конструкцией из кованого железа . Хотя проблему можно было предвидеть, когда Гюстав Эйфель построил конструкцию по проекту Фредерика Бартольди в 1880-х годах, изоляционный слой шеллака между двумя металлами со временем разрушился, что привело к ржавчине железных опор. Был проведен обширный ремонт с заменой оригинальной изоляции на ПТФЭ . Конструкция была далеко не небезопасной из-за большого количества незатронутых соединений, но ее рассматривали как меру предосторожности, направленную на сохранение национального символа Соединенных Штатов. [6]
В 1681 году Сэмюэл Пепис (тогда занимавший пост секретаря Адмиралтейства ) согласился снять свинцовую обшивку с кораблей английского королевского флота , чтобы предотвратить загадочное разрушение их рулей и головок болтов, хотя он и признавался, что был озадачен причиной появления свинца. вызвал коррозию. [7] [8]
Проблема повторилась, когда суда были покрыты медью, чтобы уменьшить накопление морских водорослей и защитить от корабельных червей . В ходе эксперимента Королевский флот в 1761 году попытался оснастить корпус фрегата HMS Alarm медным покрытием толщиной 12 унций. По ее возвращению из путешествия в Вест-Индию было обнаружено, что, хотя медь оставалась в хорошем состоянии и действительно отпугивала корабельных червей, во многих местах она также оторвалась от деревянного корпуса, потому что железные гвозди, использованные при ее установке, «были найден растворенным в своего рода ржавой пасте». [9] Однако, к удивлению инспекционных групп, некоторые железные гвозди остались практически неповрежденными. Более тщательный осмотр показал, что водостойкая коричневая бумага, застрявшая под шляпкой гвоздя, случайно защитила некоторые ногти: «Там, где это покрытие было идеальным, утюг был защищен от повреждений». Медная обшивка была доставлена на верфь завернутой в бумагу, которую не всегда удаляли до того, как листы были прибиты к корпусу. Поэтому в 1763 году Адмиралтейству был сделан вывод, что нельзя допускать прямого контакта железа с медью в морской воде. [10] [11]
Сообщалось о серьезной гальванической коррозии на последнем боевом прибрежном корабле ВМС США « Индепенденс » , вызванной стальными водометными двигательными установками, прикрепленными к алюминиевому корпусу. Без электрической изоляции между сталью и алюминием алюминиевый корпус действует как анод для нержавеющей стали, что приводит к агрессивной гальванической коррозии. [12]
Неожиданное падение в 2011 году тяжелого светильника с потолка автомобильного туннеля Big Dig в Бостоне показало, что коррозия ослабила его опору. Неправильное использование алюминия в контакте с нержавеющей сталью привело к быстрой коррозии в присутствии соленой воды. [13] Разность электрохимических потенциалов между нержавеющей сталью и алюминием находится в диапазоне от 0,5 до 1,0 В, в зависимости от конкретных сплавов, и может вызвать значительную коррозию в течение нескольких месяцев при неблагоприятных условиях. Придется заменить тысячи вышедших из строя лампочек, ориентировочная стоимость которых составит 54 миллиона долларов. [14]
« Ячейка лазаньи » случайно образуется, когда соленая влажная пища, такая как лазанья, хранится в стальной форме для выпечки и накрыта алюминиевой фольгой. Через несколько часов в фольге появляются небольшие дырочки в местах соприкосновения с лазаньей, а поверхность продукта покрывается небольшими пятнами из проржавевшего алюминия. [15] В этом примере соленая пища (лазанья) является электролитом, алюминиевая фольга — анодом, а стальная кастрюля — катодом. Если алюминиевая фольга соприкасается с электролитом лишь на небольших участках, гальваническая коррозия носит концентрированный характер и коррозия может произойти довольно быстро. Если алюминиевая фольга не использовалась с другим металлическим контейнером, реакция, вероятно, была химической. Большие концентрации соли, уксуса или некоторых других кислотных соединений могут привести к распаду фольги. Продуктом любой из этих реакций является соль алюминия. Это не вредит пище, но любой отложения могут придать нежелательный вкус и цвет. [16]
Распространенный метод очистки столового серебра путем погружения серебра или стерлингового серебра (или даже просто посеребренных предметов) и куска алюминия (фольга предпочтительнее из-за ее гораздо большей площади поверхности, чем у слитков, хотя, если фольга имеет " поверхность с антипригарным покрытием, ее необходимо сначала удалить стальной ватой) в горячей электролитической ванне (обычно состоящей из воды и бикарбоната натрия , т. е. бытовой пищевой соды) является примером гальванической коррозии. Серебро темнеет и корродирует в присутствии находящихся в воздухе молекул серы, а медь в стерлинговом серебре корродирует при различных условиях. Эти слои коррозии можно в значительной степени удалить за счет электрохимического восстановления молекул сульфида серебра: присутствие алюминия (который менее благороден, чем серебро или медь) в ванне с бикарбонатом натрия удаляет атомы серы с сульфида серебра и переносит их на и тем самым разъедает кусок алюминиевой фольги (гораздо более химически активный металл), оставляя после себя элементарное серебро. Серебро при этом не теряется. [17]
Существует несколько способов уменьшения и предотвращения этой формы коррозии.
Все металлы можно разделить на гальванические ряды , представляющие электрический потенциал, который они развивают в данном электролите по отношению к стандартному электроду сравнения. Относительное положение двух металлов в таком ряду дает хорошее представление о том, какой металл подвержен коррозии быстрее. Однако другие факторы, такие как аэрация воды и скорость потока, могут заметно влиять на скорость процесса.
Совместимость двух разных металлов можно предсказать, учитывая их анодный индекс. Этот параметр является мерой электрохимического напряжения, которое будет возникать между металлом и золотом. Чтобы найти относительное напряжение пары металлов, необходимо лишь вычесть их анодные индексы. [18]
Чтобы уменьшить гальваническую коррозию металлов, хранящихся в обычных условиях, например, на складах или в помещениях без контроля температуры и влажности, разница в анодном индексе двух металлов, находящихся в контакте, не должна превышать 0,25 В. Для контролируемых сред, в которых контролируются температура и влажность, допустимо напряжение 0,50 В. В суровых условиях, таких как открытый воздух, высокая влажность и соленая среда, разница анодного индекса не должна превышать 0,15 В. Например: золото и серебро имеют разницу в 0,15 В, поэтому эти два металла не будут подвергаться значительной коррозии даже в суровых условиях. [19] [ нужна страница ]
Когда конструктивные соображения требуют контакта разнородных металлов, разница в анодном показателе часто компенсируется отделкой и покрытием. Выбранная отделка и покрытие позволяют разнородным материалам контактировать, одновременно защищая более простые материалы от коррозии более благородными. [19] [ нужна страница ] Всегда будет металл с наиболее отрицательным анодным индексом, который в конечном итоге будет страдать от коррозии, когда возникает гальваническая несовместимость. Вот почему столовую посуду из стерлингового серебра и нержавеющей стали никогда не следует помещать в посудомоечную машину одновременно, так как стальные предметы, скорее всего, подвергнутся коррозии к концу цикла (мыло и вода служат химическим электролитом, а тепло оказывает ускорил процесс).
При действии простого круга, например цинка и меди, возбужденного разбавленной серной кислотой, весь водород, образующийся при гальваническом действии, выделяется на поверхности меди.
