Гальваническая коррозия (также называемая биметаллической коррозией или коррозией разнородных металлов ) — это электрохимический процесс, при котором один металл корродирует 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 контактируют в электролите, один металл (более реактивный ) действует как анод , а другой (менее реактивный ) как катод . Разность электропотенциалов между реакциями на двух электродах является движущей силой для ускоренной атаки на металл анода, который растворяется в электролите. Это приводит к тому, что металл на аноде корродирует быстрее, чем это было бы в противном случае, и коррозия на катоде ингибируется. Наличие электролита и электрического проводящего пути между металлами необходимо для возникновения гальванической коррозии. Электролит обеспечивает средство для миграции ионов , посредством которого ионы перемещаются, предотвращая накопление заряда, которое в противном случае остановило бы реакцию. Если электролит содержит только ионы металлов, которые нелегко восстанавливаются (например, Na + , Ca 2+ , K + , Mg 2+ или Zn 2+ ), катодная реакция представляет собой восстановление растворенного H + до H 2 или O 2 до OH − . [1] [2] [3] [4]
В некоторых случаях этот тип реакции намеренно поощряется. Например, недорогие бытовые батареи обычно содержат углеродно-цинковые элементы . Как часть замкнутой цепи (электронный путь), цинк внутри элемента будет корродировать преимущественно (ионный путь) как существенная часть батареи, вырабатывающей электричество. Другим примером является катодная защита заглубленных или подводных конструкций, а также резервуаров для хранения горячей воды . В этом случае жертвенные аноды работают как часть гальванической пары, способствуя коррозии анода, одновременно защищая металл катода.
В других случаях, например, при использовании смешанных металлов в трубопроводах (например, меди, чугуна и других литых металлов), гальваническая коррозия будет способствовать ускоренной коррозии частей системы. Для снижения гальванического потенциала в эти системы можно вводить ингибиторы коррозии , такие как нитрит натрия или молибдат натрия . Однако применение этих ингибиторов коррозии должно тщательно контролироваться. Если применение ингибиторов коррозии увеличивает проводимость воды в системе, потенциал гальванической коррозии может быть значительно увеличен.
Кислотность или щелочность ( pH ) также является важным фактором в отношении замкнутых биметаллических циркуляционных систем. Если pH и дозы ингибирования коррозии будут неправильными, гальваническая коррозия будет ускорена. В большинстве систем HVAC использование жертвенных анодов и катодов не является вариантом, поскольку их необходимо будет применять в водопроводной системе системы, и со временем они будут подвергаться коррозии и выделять частицы, которые могут вызвать потенциальное механическое повреждение циркуляционных насосов, теплообменников и т. д. [5]
Распространенный пример гальванической коррозии происходит в оцинкованном железе , листе железа или стали, покрытом цинковым покрытием. Даже когда защитное цинковое покрытие разрушается, лежащая под ним сталь не подвергается воздействию. Вместо этого корродирует цинк, потому что он менее «благороден». Только после того, как он был израсходован, может произойти ржавление основного металла. Напротив, с обычной консервной банкой происходит обратный защитному эффект: поскольку олово более благородно, чем лежащая под ним сталь, когда оловянное покрытие разрушается, сталь под ним немедленно подвергается преимущественному воздействию.
Яркий пример гальванической коррозии произошел в Статуе Свободы , когда регулярные проверки технического обслуживания в 1980-х годах показали, что коррозия произошла между внешней медной оболочкой и опорной конструкцией из кованого железа . Хотя проблема была предвидена, когда конструкция была построена Гюставом Эйфелем по проекту Фредерика Бартольди в 1880-х годах, изоляционный слой шеллака между двумя металлами со временем вышел из строя, что привело к ржавлению железных опор. Была проведена масштабная реконструкция с заменой оригинальной изоляции на ПТФЭ . Конструкция была далека от небезопасной из-за большого количества неповрежденных соединений, но это рассматривалось как мера предосторожности для сохранения национального символа Соединенных Штатов. [6]
В 1681 году Сэмюэл Пипс (тогда занимавший пост секретаря Адмиралтейства ) согласился на удаление свинцовой обшивки с судов английского Королевского флота , чтобы предотвратить загадочное разрушение их рулей и головок болтов, хотя он и признался, что был озадачен причиной коррозии, вызванной свинцом. [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 установить на корпус фрегата HMS Alarm 12-унциевое медное покрытие. По возвращении из плавания в Вест-Индию было обнаружено, что хотя медь оставалась в прекрасном состоянии и действительно отпугивала корабельных червей, она также отслоилась от деревянного корпуса во многих местах, потому что железные гвозди, использованные при ее установке, «были обнаружены растворенными в своего рода ржавой пасте». [9] Однако, к удивлению инспекционных групп, некоторые из железных гвоздей были практически неповрежденными. Более тщательный осмотр показал, что водостойкая коричневая бумага, попавшая под шляпку гвоздя, непреднамеренно защитила некоторые из гвоздей: «Там, где это покрытие было идеальным, железо было сохранено от повреждений». Медная обшивка была доставлена на верфь, завернутая в бумагу, которую не всегда снимали перед тем, как листы прибивали к корпусу. Поэтому в 1763 году Адмиралтейству был сделан вывод о том, что не следует допускать прямого контакта железа с медью в морской воде. [10] [11]
Серьезная гальваническая коррозия была зарегистрирована на последнем боевом корабле ВМС США USS Independence , вызванная стальными водометными движителями, 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 вызвало быструю коррозию в присутствии соленой воды. [13] Электрохимическая разность 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 месяцев при неблагоприятных условиях. Тысячи вышедших из строя светильников придется заменить, что обойдется примерно в 54 миллиона долларов. [14]
« Лазанья -ячейка» случайно образуется, когда соленая влажная пища, такая как лазанья, хранится в стальной форме для выпечки и покрыта алюминиевой фольгой. Через несколько часов в фольге появляются небольшие отверстия в местах соприкосновения с лазаньей, а поверхность пищи покрывается небольшими пятнами, состоящими из корродированного алюминия. [15] В этом примере соленая пища (лазанья) является электролитом, алюминиевая фольга — анодом, а стальная форма — катодом. Если алюминиевая фольга касается электролита только на небольших участках, гальваническая коррозия концентрируется, и коррозия может произойти довольно быстро. Если алюминиевая фольга не использовалась с разнородной металлической емкостью, реакция, вероятно, была химической. Большие концентрации соли, уксуса или некоторых других кислотных соединений могут вызвать распад фольги. Продуктом любой из этих реакций является алюминиевая соль. Она не вредит пище, но любой осадок может 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 «антипригарную» поверхность, ее необходимо сначала удалить стальной ватой) в горячую электролитическую ванну (обычно состоящую из воды и бикарбоната натрия , т. е. бытовой пищевой соды) является примером гальванической коррозии. Серебро темнеет и корродирует в присутствии молекул серы в воздухе, а медь в стерлинговом серебре корродирует при различных условиях. Эти слои коррозии можно в значительной степени удалить с помощью электрохимического восстановления молекул сульфида серебра: присутствие алюминия (который менее благороден, чем серебро или медь) в ванне с бикарбонатом натрия отрывает атомы серы от сульфида серебра и переносит их на кусок алюминиевой фольги (гораздо более реактивный металл) и тем самым корродирует его, оставляя элементарное серебро. В этом процессе серебро не теряется. [17]
Существует несколько способов уменьшения и предотвращения этой формы коррозии:
Все металлы можно классифицировать в гальванический ряд, представляющий электрический потенциал, который они развивают в данном электролите против стандартного электрода сравнения. Относительное положение двух металлов в таком ряду дает хорошее представление о том, какой металл с большей вероятностью будет корродировать быстрее. Однако другие факторы, такие как аэрация воды и скорость потока, могут заметно влиять на скорость процесса.
Совместимость двух различных металлов можно предсказать, принимая во внимание их анодный индекс. Этот параметр является мерой электрохимического напряжения, которое будет развиваться между металлом и золотом. Чтобы найти относительное напряжение пары металлов, требуется только вычесть их анодные индексы. [18]
Чтобы уменьшить гальваническую коррозию для металлов, хранящихся в нормальных условиях, таких как хранение на складах или в условиях, где не контролируется температура и влажность, разница в анодном индексе двух металлов, находящихся в контакте, не должна превышать 0,25 В. Для контролируемых условий, в которых контролируются температура и влажность, допускается разница в 0,50 В. Для суровых условий, таких как на открытом воздухе, с высокой влажностью и соленой средой, разница в анодном индексе не должна превышать 0,15 В. Например: золото и серебро имеют разницу в 0,15 В, поэтому два металла не будут подвергаться значительной коррозии даже в суровых условиях. [19] [ нужна страница ]
Когда конструктивные соображения требуют, чтобы разнородные металлы вступали в контакт, разница в анодном индексе часто регулируется отделкой и покрытием. Выбранные отделка и покрытие позволяют разнородным материалам находиться в контакте, одновременно защищая более базовые материалы от коррозии более благородными. [19] [ нужна страница ] Это всегда будет металл с самым отрицательным анодным индексом, который в конечном итоге пострадает от коррозии, когда гальваническая несовместимость в игре. Вот почему столовые приборы из стерлингового серебра и нержавеющей стали никогда не следует помещать вместе в посудомоечную машину одновременно, так как стальные предметы, скорее всего, подвергнутся коррозии к концу цикла (мыло и вода служили химическим электролитом, а тепло ускорило процесс).
Во время действия простого круга, например, цинка и меди, возбужденных разбавленной серной кислотой, весь водород, образовавшийся в гальваническом действии, выделяется на поверхности меди.
