Jest przyczyną frustracji nie tylko gospodyń domowych, ale także mechaników samochodowych. Powoduje zmniejszenie estetyki przedmiotów, a z czasem ich całkowite zniszczenie. W przypadku aut podwyższone ryzyko jej powstawania występuje zimą – wtedy istnieją idealne warunki do jej rozwoju. O czym mowa? Chodzi o rdzę, czyli brązowy nalot pojawiający się na powierzchni przedmiotów wykonanych z żelaza i jego stopów, który odwarstwia się, powoduje kruszenie metalu oraz jego całkowite zniszczenie. Rdza nie ma stałego składu chemicznego, ciągle bowiem podlega dynamicznym procesom pod wpływem warunków zewnętrznych. Przyczyną powstawania rdzy jest fakt, że metale ulegają korozjikorozjakorozji. Proces ten, definiowany jako niszczenie materiałów, zachodzi pod wpływem otaczającego środowiska. Korozji ulegają nie tylko metale, ale również materiały budowlane, ceramika, kompozyty czy tworzywa sztuczne. Pod względem mechanizmu reakcji, korozję można podzielić na chemiczną i elektrochemicznąelektrochemiaelektrochemiczną.

Żelazo, z uwagi na stosunkowo niski potencjał standardowy, stanowi anodęanodaanodę i ulega procesowi utleniania:

Reakcja anodowa:

Na anodzie elektrony zostają pobrane od żelaza i są przekazywane składnikom roztworu. Najbardziej typowe procesy zachodzące na katodziekatodakatodzie powoduje tlen atmosferyczny. W zależności od składu i pH elektrolitu, z którym styka się powierzchnia metalu, na katodzie mogą zachodzić reakcje $\left(2\right)$ lub $\left(3\right)$. W roztworze o odczynie obojętnym $\left(2\right)$ tlen ulega redukcji i roztwór przyjmuje odczyn alkaliczny (zasadowy). Z kolei w roztworze o odczynie kwasowym tlen, ulegając redukcji, powoduje powstawanie wody i zobojętnienie roztworu $\left(3\right)$.

Reakcja katodowa w roztworze o odczynie obojętnym:

Reakcja katodowa w roztworze o odczynie kwasowym:

Jony żelaza($\text{II}$) powstałe w procesie anodowym reagują zazwyczaj z jonami ${\text{OH}}^{-}$:

Wodorotlenek żelaza($\text{II}$) $\text{Fe}{\left(\text{OH}\right)}_2$ może ulegać częściowo rozkładowi do tlenku żelaza($\text{II}$) $\text{FeO}$ $\left(5\right)$ lub utlenić się pod wpływem tlenu atmosferycznego do wodorotlenku żelaza($\text{III}$) $\text{Fe}{\left(\text{OH}\right)}_3$ $\left(6\right)$. Ten z kolei może się rozłożyć do tlenków żelaza hydratowanych różną ilością wody ${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3·x {\text{H}}_2\text{O}$, gdzie głównym składnikiem rdzy jest tlenek żelaza($\text{III}$) ${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$.

Korozja elektrochemiczna dotyczy wielu metali, chociaż w życiu codziennym najbardziej przeszkadza nam korozja stalistalstali, ponieważ większość przedmiotów jest z niej wykonana. Czynnikiem, który przyspiesza proces korozji elektrochemicznej jest kontakt metalu z elektrolitem o różnym składzie. Duży wpływ na postępowanie korozji mają jony chlorkowe obecne w chlorku sodu $\text{NaCl}$. W przypadku żelaza wzrost szybkości korozji rośnie do momentu, gdy stężenie $\text{NaCl}$ osiągnie wartość $3\%$, po czym maleje. Wzrost szybkości korozji w tym przypadku tłumaczy się wzrostem przewodnictwa jonowegoprzewodnictwo jonoweprzewodnictwa jonowego roztworu. Biorąc pod uwagę fakt, że chlorek sodu $\text{NaCl}$ przyspiesza korozję, można zaobserwować, że auta ulegają częściej korozji zimą niż latem, ponieważ zimą sól rozsypywana na drodze składa się głównie z $\text{NaCl}$.

Wzrost szybkości korozji obserwuje się również w przypadku soli, jak np. chlorek potasu $\text{KCl}$, siarczan($\text{VI}$) sodu ${\text{Na}}_2{\text{SO}}_4$, bromek sodu $\text{NaBr}$ oraz soli amonowych. Zastosowanie chlorku amonu ${\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}$ zwiększa przewodnictwo, a dodatkowo kationy amonu ulegają hydrolizie kationowej, tworząc jony ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$, które z kolei napędzają reakcje $\left(2\right)$ i $\left(3\right)$. Oczywiście analogiczny wpływ mają pojawiające się w każdy inny sposób jony ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ i ${\text{OH}}^{-}$. Stąd np. dodanie zasady sodowej zahamuje korozję.

Do soli, które spowalniają korozję, możemy zaliczyć np. węglan sodu ${\text{Na}}_2{\text{CO}}_3$, ponieważ w obecności tlenu zachodzi pasywacjapasywacjapasywacja żelaza. Węglan hamuje korozję z powodu alkalizacji środowiska. Zwróćmy uwagę na reakcję $\left(2\right)$. Pojawienie się jonów węglanowych powoduje ich hydrolizę i w konsekwencji tworzenie anionów ${\text{OH}}^{-}$. Te z kolei (zgodnie z regułą przekory) będą cofać reakcję $\left(2\right)$, a więc będą hamować korozję,

Efekty korozji chemicznej oraz elektrochemicznej przestawiono poniżej.

R1KJn6uF5r8gR

Zdjęcie przedstawia młotek oraz opiłki tlenków żelaza. Tlenek pokrywający częściowo młotek ma rdzawo‑brązowawą barwę.

RKCdQdiMU5P7Q

Zdjęcie przedstawia srebrną bransoletę ozdobioną kwiecistymi wzorami znajdującą się na kamieniu.

RDvANQqS9kTUu

Zdjęcie przedstawia metalowy skobel i kłódkę na drzwiach. Pokryte są śniegiem.

R17ZbRPgA72sV

Zdjęcie przedstawia metalowe schody i balustradę z białym nalotem.

R2qag92vWU9wW

Zdjęcie przedstawia widok z oddali na miasto. Nad miastem zniszczony wiadukt - zawalony. Pod wiaduktem budynki.

Korozji chemicznej ulega nie tylko żelazo, ale praktycznie wszystkie aktywne metale, posiadające zdolność do pokrywania się powłokami tlenków lub innych związków. Czy osadzające się na metalu związki chemiczne we wszystkich przypadkach są szkodliwe i niepożądane? Istnieje grupa metali, które wytwarzają na swojej powierzchni cienką warstwę, która chroni metal przed dalszą korozją. Zjawisko to nazywane jest pasywacjąpasywacjapasywacją powierzchni. Do takiej grupy metali zaliczamy miedź. Dla niej proces pasywacji przebiega w sposób samorzutny w atmosferze powietrza. Na powierzchni miedzi zachodzi wiele reakcji chemicznych, które ostatecznie prowadzą do wytworzenia patyny, czyli zielonej powłoki, w skład której wchodzą głównie zasadowe węglany, chroniące metal przed dalszym działaniem czynników atmosferycznych. Proces tworzenia się szczelnej warstwy patyny trwa nawet kilkadziesiąt lat. W wielu przypadkach patyna stanowi zarówno powłokę ochronną, jak i ozdobę. Odnosi się to w szczególności do dużych powierzchni, np. dachów pokrytych miedzianą blachą, pomników z brązubrązbrązu lub spiżuspiżspiżu.

Ra85YwoTFmvKi

Zdjęcie przedstawia ceglany budynek z zielonym dachem z wieżami.

RuI8lcdBl82Bp

Zdjęcie przedstawiające fragment statuy wolności, która to pokryta jest szaro‑zieloną patyną. Głowę kobiety przyzdabia korona składająca się z siedmiu promieni. Jej prawa ręka uniesiona jest do góry. W tle znajduje się błękitne niebo.

Zarówno korozja, jak i pasywacja prowadzą do powstawania tlenków lub innych związków chemicznych na powierzchni materiałów. Gdy materiał ulega korozji, powstający na jego powierzchni związek odwarstwia się, przez co nie zabezpiecza pokrytego przedmiotu przed dalszym zniszczeniem. Korozja rozpoczyna się na powierzchni i postępuje w głąb metalu. Przykładem jest brunatna rdza na stopach żelaza, która nie tylko wygląda nieestetycznie, ale prowadzi do zniszczenia metali i innych materiałów – np. przedmiotów codziennego użytku. Z uwagi na fakt, że rdza jest substancja porowatą i łatwo pochłania wilgoć i gazy, proces rdzewienia postępuje aż do zużycia się metalicznego żelaza. Czy możemy ochronić materiał przed korozją? Tak, jeśli na powierzchni materiału powstają związki chroniące metal. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku pasywacji metali, gdzie tworzone szczelne powłoki tlenków lub soli (niekiedy specjalnie wytwarzane) chronią głębsze warstwy metalu przed dalszym zniszczeniem. Przykładem może być pasywacja glinu, miedzi lub chromu.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2004.

Baszkiewicz J., Kamiński M., Korozja materiałów, Warszawa 2006.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, t 1‑2, Warszawa 2010.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorna M., Kańska M., Chemia 3. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum, Warszawa, 2004.

Encyklopedia PWN

Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., Sułkowski W. Chemia 1. Podręcznik i zbiór zadań w jednym, Warszawa 2003.

Kawalerowicz P., Metale, czyli szkielet cywilizacji, „Młody Technik” 2004, nr 12.

Klinow I. J., Korozja i tworzywa konstrukcyjne, Warszawa 1964.

Litwin M., Styka‑Wlazło S., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2013.

Pazdro K., Zbiór zadań z chemii dla szkół ponadgimnazjalnych, Warszawa 2003.

Sołtys Z., Chemia nieorganiczna dla techników, Warszawa 1970.