Korozja, utlenianie i rdza to powiązane, ale odrębne procesy. Korozja to stopniowe niszczenie materiałów, zwłaszcza metali, spowodowane interakcjami chemicznymi z otaczającym je środowiskiem. Utlenianie, korozja i inne reakcje chemiczne prowadzą do odbarwienia, wypaczenia lub metamorfozy materiału składowego. Dlatego też różnice i zależności między korozją, utlenianiem i rdzą mają zasadnicze znaczenie.

Pomaga to w zapewnieniu trwałości materiałów, minimalizowaniu negatywnych skutków ekonomicznych oraz zwiększaniu bezpieczeństwa w różnych dziedzinach. Taka wiedza dostarcza branżom środków i strategii mających na celu zmniejszenie tempa degradacji materiałów, a tym samym zwiększenie trwałości kluczowych elementów. To z kolei pozwala obniżyć koszty napraw i wymiany. Wdrożenie najlepszych praktyk w zakresie zapobiegania korozji na całym świecie mogłoby przynieść znaczne oszczędności, szacowane na 15–35% kosztów szkód, co przekłada się na kwotę od US$375 mld do US$875 mld rocznie^[1]. Regulacja tych zjawisk ma zasadnicze znaczenie dla zapobiegania katastrofalnym awariom, które mogą zagrażać życiu ludzi w kluczowych branżach, takich jak budownictwo i transport. Ponadto wiedza ta sprzyja innowacjom, takim jak opracowywanie nowych materiałów, które nie ulegają łatwo korozji. Pomaga ona w tworzeniu lepszych i bardziej zrównoważonych produktów, stanowiąc czynnik sprzyjający zmianom.

Definiowanie korozji

Korozja jest rodzajem degradacji, która wpływa na materiały takie jak metale z powodu reakcji chemicznej między materiałem a jego środowiskiem, co skutkuje nieekonomicznymi, niebezpiecznymi i niezdrowymi produktami. Degradacja ta może zachodzić na kilku etapach. Zazwyczaj prowadzi ona do powstawania tlenków, wodorotlenków lub podobnych związków w obrębie substancji, co powoduje wgniecenie/zniszczenie oryginalnej konstrukcji tego materiału.

Rodzaje korozji

Korozja może występować w różnych formach w zależności od środowiska i materiałów mających kontakt z czynnikami korozyjnymi. Najbardziej powszechne typy obejmują:

1. Korozja galwaniczna

Występuje, gdy dwa różne metale łączą się elektrycznie w wilgotnym środowisku. Metal anodowy ulega zniszczeniu w szybszym tempie niż wtedy, gdy istnieje niezależnie, podczas gdy metal katodowy ulega zniszczeniu w wolniejszym tempie. Różnica potencjałów między dwoma metalami ma kluczowe znaczenie dla korozji galwanicznej i wiąże się z równaniem Nernsta:

E_Komórka=E⁰_katoda-E⁰_anoda-(RT/nF) ln([Ox]/[Red] )

E_Komórka=potencjał komórki, E⁰=standardowe potencjały elektrod, R=Stała gazowa, T=temperatura, n=liczba przeniesionych elektronów, oraz F jest stałą Faradaya.

2. Korozja wżerowa

Korozja wżerowa jest rodzajem korozji miejscowej, która tworzy małe, głębokie otwory w materiale. Jest ona szczególnie niebezpieczna, ponieważ może prowadzić do szybkiego zniszczenia materiału, nawet przy minimalnej ogólnej utracie materiału. Współczynnik korozji wżerowej ma zastosowanie do oceny wpływu korozji wżerowej. Gdy współczynnik wżerów jest wyższy, oznacza to, że korozja wżerowa jest poważna.

Współczynnik wżerów=(Głębokość najgłębszego wżeru)/Średnia utrata grubości spowodowana korozją

3. Korozja szczelinowa

Ten rodzaj korozji obejmuje komórki o stężeniu tlenu rozwijające się w zagłębieniach, szczelinach lub wgłębieniach. W rezultacie lokalny roztwór może ulec stagnacji, powodując miejscową korozję. Korozja szczelinowa występuje na przykład wokół szwu metalowej płyty, gdzie metal łączy się z uszczelką lub podczas używania śrub i nakrętek. Szybkość korozji szczelinowej zależy od takich czynników, jak stężenie jonów chlorkowych ([Cl^-] i pH roztworu w szczelinie:

Szybkość korozji ∝ [Cl^–]e^(-∆G/RT)

W tym równaniu, ΔG jest zmianą energii swobodnej Gibbsa, R jest stałą gazową, a T to temperatura.

Materiały podatne na korozję

Odporność na korozję zależy od składu materiału, struktury i środowiska, w którym znajduje się materiał metaliczny lub niemetaliczny. Żelazo i stal są szczególnie podatne na rdzewienie, ponieważ szybko się utleniają, zwłaszcza w kontakcie z wilgocią i tlenem. Chociaż aluminium tworzy pasywną warstwę tlenku, w warunkach zawierających chlorki ulega również korozji wżerowej i szczelinowej. Miedź i jej stopy są podatne na korozję galwaniczną. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy są one w kontakcie z metalami takimi jak aluminium lub stal i są otwarte na środowisko wodne. Jako członek grupy anod przydatnych w ochronie katodowej, cynk działa jako anoda w modelach ochrony galwanicznej, korodując przy jednoczesnym zachowaniu właściwego metalu.

Wpływ korozji na przemysł

Skutki korozji odczuwalne są w całym łańcuchu wartości przemysłowej, w większości – jeśli nie we wszystkich – branżach wykorzystujących metale. Wpływ tego zagrożenia na gospodarkę polega na tym, że co roku branże ponoszą straty rzędu kilku miliardów dolarów z powodu korozji. Globalny koszt korozji szacuje się na $2,5 biliona dolarów amerykańskich, co odpowiada 3,4% światowego produktu krajowego brutto (PKB) w 2013 r., przy czym niektóre szacunki sugerują, że obecnie przekracza on $3 biliona dolarów rocznie.^[1]. Straty te obejmują koszty konserwacji i wymiany konstrukcji dotkniętych korozją, straty produkcyjne spowodowane korozją oraz inne powiązane skutki. Pogorszenie bezpieczeństwa, niezawodności i trwałości to tylko niektóre ze skutków korozji. Korozja może powodować nagłe awarie konstrukcji, środków transportu i infrastruktury, takich jak mosty, rurociągi i samoloty. W wyniku korozji integralność konstrukcyjna ulega pogorszeniu ze względu na wysokie ryzyko nagłej awarii.

Jeśli chodzi o środowisko fizyczne, korozja prowadzi do zagrożeń, takich jak uwalnianie niebezpiecznych substancji z skorodowanych rurociągów i zbiorników magazynowych oraz z konstrukcji żelbetowych w obiektach inżynierii lądowej. Zjawisko to niesie ze sobą dalsze zagrożenia dla środowiska fizycznego i ludzkiego. Aby sprostać tym wyzwaniom, inżynierowie stosują różne metody kontroli korozji. Metody te obejmują dobór materiałów i powłok antykorozyjnych, zastosowanie ochrony katodowej oraz stosowanie inhibitorów korozji, a wszystkie one wymagają wiedzy z zakresu korozji. Rynek powłok antykorozyjnych, stanowiący kluczową strategię ograniczania skutków korozji, został wyceniony w 2023 r. na 20,59 mld USD i przewiduje się, że do 2030 r. wzrośnie do 33,28 mld USD przy średnim rocznym tempie wzrostu (CAGR) na poziomie 7,4%. ^[2].

Zrozumienie utleniania

Utlenianie jest podstawową reakcją chemiczną kluczową w wielu procesach zachodzących w przyrodzie i przemyśle. Zasadniczo utlenianie polega na oddawaniu lub dzieleniu się elektronami z innymi gatunkami, gdzie istnieje ogólna tendencja do utraty elektronów przez substancję, często metal, i pozyskiwania elektronów od innych substancji, zwykle tlenu.

Utlenianie to ogólny proces chemiczny, który może zachodzić niezależnie od korozji. Chociaż może prowadzić do korozji metali, utlenianie nie zawsze jest szkodliwe i może być korzystne, na przykład w tworzeniu ochronnych warstw tlenku na metalach takich jak aluminium.

Proces reakcji chemicznej utleniania

Utlenianie to proces chemiczny, w którym atom lub cząsteczka traci jeden lub kilka elektronów. Proces ten zazwyczaj obejmuje redukcję, w której inna substancja przejmuje elektrony uwolnione lub utracone przez utleniony materiał. Oba te procesy są reakcjami redoks (redukcja-utlenianie). Poniższe równanie może przedstawiać ogólną formę reakcji utleniania:

M→Mⁿ⁺+ne^–

Gdzie M to metal lub substancja ulegająca utlenieniu. Mⁿ⁺ to utleniona forma substancji (kation w przypadku metali).n reprezentuje liczbę utraconych elektronów. Na przykład, w procesie utleniania żelaza, reakcja przebiega następująco:

Fe→Fe²⁺+2e^–

Tlen jest zwykle czynnikiem utleniającym w większości procesów utleniania. Oznacza to, że to on zyskuje elektrony, które traci metal lub jakakolwiek inna substancja. Może to prowadzić do powstawania tlenków, takich jak

4Fe+3O₂→2Fe₂O₃

W tym równaniu żelazo (Fe) reaguje z tlenem (O₂), tworząc tlenek żelaza (Fe₂O₃), czyli rdzę.

Typowe przykłady utleniania w życiu codziennym

Utlenianie jest wszechobecnym procesem, który występuje w wielu codziennych sytuacjach, często z zauważalnymi skutkami:

Rdzewienie żelaza i stali:

Kiedy żelazo lub stal są wystawione na działanie tlenu i wilgoci, reagują, tworząc czerwonawo-brązową substancję zwaną rdzą, która składa się głównie z tlenku żelaza. Jest to typowy przypadek utleniania prowadzący do zniszczenia metalowych przedmiotów, takich jak narzędzia, pojazdy i konstrukcje.

Tarnowanie srebra:

Srebrne sztućce i ozdoby to inne produkty, które mogą rdzewieć w wyniku utleniania. Dzieje się tak dlatego, że po wystawieniu na działanie powietrza srebro reaguje ze związkami siarki, prowadząc do powstania siarczku srebra, który jest czarny i przylega do powierzchni metalu.

2Ag+H₂S→Ag₂S+H₂

Różnica między utlenianiem a korozją

Kluczowe znaczenie ma rozróżnienie między utlenianiem a korozją, chociaż są one powszechnie stosowane zamiennie. Utlenianie to rodzaj reakcji chemicznej, w której związek traci elektrony, często w obecności tlenu. Może zachodzić zarówno w związkach organicznych, jak i nieorganicznych. Jest to szerszy proces, który może być przydatny, na przykład w procesie spalania prowadzącym do uzyskania energii lub w tworzeniu warstw tlenku na niektórych metalach, takich jak aluminium.

Z drugiej strony, korozja to degradacja materiału, zwłaszcza metali, poprzez działanie chemiczne z otaczającym środowiskiem. Należy zauważyć, że podczas gdy utlenianie jest jednym z rodzajów korozji, na przykład rdzewienie żelaza, istnieją inne rodzaje korozji, w tym działanie kwasów, zasad, wilgoci i soli. Ponadto korozja wiąże się z niepożądanymi konsekwencjami, takimi jak awaria materiału, straty i potencjalne zagrożenia. Wiedza na temat utleniania i korozji ma kluczowe znaczenie w różnych obszarach zastosowań, ponieważ pomaga w opracowywaniu sposobów ograniczania degradacji materiałów.

Kluczowe różnice i skutki utleniania i korozji

Chociaż utlenianie i korozja są ze sobą powiązane, są to dwa różne procesy o różnym wpływie na materiały. Utlenianie to proces chemiczny, w którym substancja traci elektrony, zazwyczaj z udziałem tlenu, i może zachodzić zarówno w materiałach organicznych, jak i nieorganicznych. Jest to bardziej rozległa procedura, która może być konstruktywna, jak w procesach zapłonu podczas spalania lub tworzenia warstwy tlenku na metalach takich jak aluminium.

Różni się ona jednak od korozji. Korozja to niszczenie materiałów, zwłaszcza metali, w wyniku interakcji chemicznej z otoczeniem. Ponieważ utlenianie jest jedną z form korozji, takich jak rdzewienie żelaza, korozja obejmuje inne rodzaje reakcji, w tym te zachodzące pod wpływem kwasów, zasad, wilgoci i soli. Korozja generalnie ma niekorzystne skutki, które powodują pogorszenie stanu materiałów, straty finansowe oraz zagrożenie dla bezpieczeństwa i zdrowia. Zrozumienie różnicy między utlenianiem a korozją ma kluczowe znaczenie w wielu dziedzinach nauki, ponieważ przyczynia się do sformułowania skutecznych metod przezwyciężania degradacji materiałów.

Czym jest rdza?

Rdza to rodzaj korozji dotykający żelazo i pokrewne stopy, takie jak stal. Jest to czerwono-brązowy, łuszczący się materiał, który osadza się na powierzchni żelaza w wyniku reakcji chemicznej między żelazem, tlenem i wilgocią. Rdza jest powszechna w wielu zastosowaniach przemysłowych i codziennych, ponieważ szkodzi wytrzymałości i estetyce produktów na bazie żelaza.

Proces powstawania rdzy

Powstawanie rdzy to proces chemiczny, który składa się z kilku etapów. Pierwszy etap obejmuje tworzenie tlenków żelaza przy pomocy wody i tlenu oraz utlenianie żelaza. Ogólny proces wygląda następująco:

Reakcja utleniania

Żelazo (Fe) traci elektrony i reaguje z tlenem (O₂) w obecności wody (H₂O), tworząc jony żelaza(II) (Fe²⁺).

Fe→Fe²⁺+2e^–

Tworzenie wodorotlenku żelaza: Jony Fe²⁺ reagują z wodą i tlenem, tworząc wodorotlenek żelaza(II) (Fe(OH)₂).

Fe²⁺+2H₂O+O₂→Fe(OH)₂

Utlenianie wodorotlenku żelaza: Wodorotlenek żelaza(II) dalej utlenia się, tworząc wodorotlenek żelaza(III) (Fe(OH)₃).

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃

Powstawanie rdzy: Wodorotlenek żelaza(III) odwadnia się, tworząc wodorotlenek tlenku żelaza(III) (FeO(OH)), powszechnie znany jako rdza. Rdza jest złożoną mieszaniną tlenków i wodorotlenków żelaza.

4Fe(OH)₂→Fe₂O₃ .3H₂O

Warunki prowadzące do rdzy

Powstawanie rdzy i innych czynników zależy od pewnych podstawowych czynników. Czynniki te obejmują dostępność wilgoci, ekspozycję na tlen i elektrolity, warunki środowiskowe, temperaturę i zanieczyszczenia na powierzchni.

Woda jest niezbędna do powstawania rdzy, ponieważ jest elektrolitem. Woda zapewnia środowisko dla reakcji utleniania i redukcji niezbędnych do rdzewienia, przy czym wysoka wilgotność lub bezpośredni deszcz są bardziej niebezpieczne.

Tlen jest również niezbędnym warunkiem powstawania rdzy. Obszary z dobrym napowietrzeniem lub dużą ilością tlenu, takie jak konstrukcje metalowe, samochody i maszyny, są podatne na rdzewienie. Szybkość rdzewienia może wzrosnąć w wyniku stosowania soli i kwasów, które zwiększają aktywność elektrochemiczną metalu. Problem ten wynika z użycia wody morskiej w celu poprawy przewodności.

Na przykład, środowisko o wysokiej kwasowości przyspiesza powstawanie rdzy, ponieważ utlenianie przyspiesza w warunkach kwaśnych (niskie pH). Warunki alkaliczne również sprzyjają rdzewieniu, ale w mniejszym stopniu niż warunki kwaśne.

Temperatura odgrywa rolę, ponieważ wysokie temperatury zwiększają szybkość rdzewienia poprzez zwiększenie szybkości reakcji chemicznych. Rdzewienie może jednak występować w niskich temperaturach, jeśli obecne są wilgoć i tlen.

Wreszcie, w sensie chemicznym, zanieczyszczenie powierzchni materiałami takimi jak brud lub olej utrudnia usuwanie wilgoci z metalu, narażając tym samym zlokalizowane obszary na rdzę.

Najczęściej występujące materiały

Żelazo, żeliwo i stal stopowa to najbardziej typowe materiały, na które działa rdza. Żelazo jest najbardziej podatne na rdzewienie, ponieważ wchodzi w reakcję chemiczną zarówno z tlenem, jak i wilgocią, gdy jest otwarte. Stal węglowa składa się głównie z żelaza, z niewielką domieszką węgla i innych pierwiastków. Choć ona również może łatwo rdzewieć, węgiel i inne pierwiastki stopowe mogą zwiększyć szybkość rdzewienia lub zmienić właściwości rdzy. Każdy rodzaj materiału żelaznego może rdzewieć. Jednak kute żelazo rdzewieje szybciej niż stal lub żeliwo, ponieważ to ostatnie zawiera wyższy procent węgla i tworzy bardziej porowatą i łuszczącą się rdzę.

Stale stopowe o niskiej i średniej zawartości węgla zapewniają pewien poziom ochrony przed rdzą, ale w pewnych okolicznościach są na nią podatne. Materiały takie jak chrom i stal nierdzewna są bardziej odporne ze względu na pasywną warstwę tlenku tworzącą się na ich powierzchni, która utrudnia powstawanie rdzy.

Kluczowe różnice między korozją, utlenianiem i rdzą

Wnioski

Świadomość różnic między korozją, utlenianiem i rdzą ma kluczowe znaczenie dla ochrony infrastruktury i maszyn przed przedwczesnym zużyciem. Innowacyjne materiały, w tym stal nierdzewna, aluminium i stopy tytanu, powłoki ochronne, inteligentne czujniki i materiały samonaprawiające się, odgrywają kluczową rolę w rozwiązywaniu tych problemów.

Dalsze badania w kierunku rozwoju nauki o korozji obejmują rozwój nanotechnologii, sztucznej inteligencji w przewidywaniu korozji i zielonych inhibitorów. Materiały te mają kluczowe znaczenie dla poprawy właściwości materiałów. Jeśli branże te będą nadal patronować i wspierać te innowacje, mogą poprawić ochronę własności, zminimalizować straty oraz zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność w wielu zastosowaniach.

Referencje

[1] NACE International – badanie „Międzynarodowe wskaźniki dotyczące zapobiegania korozji, zastosowań i aspektów ekonomicznych technologii antykorozyjnych” (IMPACT) http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research – Raport dotyczący wielkości rynku powłok antykorozyjnych, 2030; [3] Grand View Research – Wielkość rynku inhibitorów korozji, udział w rynku | Raport branżowy 2030 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market