Просмотр кода страницы Ржавчина

{{другие значения}}
[[Файл:Rust on iron.jpg|upright=1.4|thumb|[[Рыжий цвет|Цвет ржавчины]]]]
'''Ржа́вчина''' ({{lang-old-ru|ржа}}) — общий термин для определения [[Оксиды железа|оксидов железа]]. В разговорной речи это слово применяется к красным оксидам, образующимся в процессе реакции [[Железо|железа]] с [[кислород]]ом в присутствии воды или влажного воздуха. Есть и другие формы ржавчины, например, продукт, образующийся в ходе реакции железа с [[хлор]]ом при отсутствии кислорода. Такое вещество образуется, в частности, на [[Арматура (строительство)|арматуре]], используемой в подводных [[бетон]]ных столбах, и называется ''зелёной ржавчиной''. Несколько видов коррозии различимы зрительно или с помощью [[Спектроскопия|спектроскопии]], они образуются при разных внешних условиях<ref>{{cite web|url=http://nasa.gov/centers/ames/multimedia/audio/MER/mer13.html|title=Interview, David Des Marais|deadlink=unknown-host|archive-url=https://web.archive.org/web/20071113202732/http://nasa.gov/centers/ames/multimedia/audio/MER/mer13.html|archive-date=2007-11-13|lang=en}}</ref>. Ржавчина состоит из гидратированного [[Оксид железа(III)|оксида железа(III)]] Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>·nH<sub>2</sub>O и [[Метагидроксид железа|метагидроксида железа]] (FeO(OH), Fe(OH)<sub>3</sub>).

При наличии достаточного времени любая масса железа в присутствии воды и кислорода может в конечном итоге полностью превратиться в ржавчину. Ржавление — это общий термин для обозначения коррозии элементарного железа и его сплавов, таких как сталь. Многие другие металлы подвергаются аналогичной коррозии, но образующиеся при этом оксиды обычно не называют «ржавчиной». Ржавая поверхность не создаёт защиты для нижележащего железа, в отличие от [[Патина|патины]], образующейся на медной поверхности, или оксида алюминия, покрывающего алюминиевые предметы<ref>{{Cite web|lang=en|url=https://dictionary.cambridge.org/ru/%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%80%D1%8C/%D0%B0%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9/rust|title=Cambridge Dictionary. Rust defenition.|website=https://dictionary.cambridge.org/ru/словарь/английский/rust|publisher=Cambridge Dictionary|access-date=2022-09-12|archive-date=2022-05-04|archive-url=https://web.archive.org/web/20220504094328/https://dictionary.cambridge.org/ru/%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%80%D1%8C/%D0%B0%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9/rust|url-status=live}}</ref>.

== Физические свойства ==
[[Файл:RustyChainEdit1.jpg|thumb|right|Толстый слой ржавчины на звеньях цепи возле моста [[Золотые ворота (мост)|Золотые Ворота]] в [[Сан-Франциско]]. Цепь постоянно подвергается воздействию сырости и солёных брызг, вызывающих разрушение поверхности, растрескивание и шелушение металла.]]

=== Причины ржавления ===
Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, углерод), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, то оно начинает ржаветь. Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате [[Электрохимия|электрохимических]] реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода. Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе ([[Пассивация металлов|слой пассивации]]) защищает основную массу железа от дальнейшего окисления. Превращение же пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину является результатом комбинированного действия двух реагентов, как правило, кислорода и воды. Другими разрушающими факторами являются [[Оксид серы(IV)|диоксид серы]] и [[Оксид углерода(IV)|углекислый газ]] в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа. В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы<ref>Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.</ref>.

=== Происходящие реакции ===
[[Файл:Rust screw.jpg|thumb|Покрытый ржавчиной и грязью болт. Заметна точечная коррозия и постепенная деформация поверхности, вызванная сильным окислением.]]
Ржавление железа — это электрохимический процесс, который начинается с переноса [[электрон]]ов от железа к кислороду<ref>Hubert Gräfen, Elmar-Manfred Horn, Hartmut Schlecker, Helmut Schindler «Corrosion» Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH: Weinheim, 2002. {{DOI|10.1002/14356007.b01_08}}</ref>. Скорость коррозии зависит от количества имеющейся воды и ускоряется [[электролит]]ами, о чём свидетельствуют последствия применения дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановление кислорода:
: {{Math|O<sub>2</sub> + 4e<sup>−</sup> + 2H<sub>2</sub>O → 4OH<sup>−</sup>}}
Поскольку при этом образуются [[Гидроксид-ион|гидроксид-анионы]], этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении [[Водородный показатель|pH]]. Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:
: {{Math|Fe → Fe<sup>2+</sup> + 2e<sup>−</sup>}}

Следующая окислительно-восстановительная реакция происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для формирования ржавчины:
: {{Math|4Fe<sup>2+</sup> + O<sub>2</sub> → 4Fe<sup>3+</sup> + 2O<sub>2</sub><sup>−</sup>}}

Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:
: {{Math|Fe<sup>2+</sup> + 2H<sub>2</sub>O ⇌ Fe(OH)<sub>2</sub> + 2H<sup>+</sup>}}
: {{Math|Fe(OH)<sub>3</sub> ⇌ FeO(OH) + H<sub>2</sub>O}}
: {{Math|2FeO(OH) ⇌ Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + H<sub>2</sub>O}}


что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:
: {{Math|Fe(OH)<sub>2</sub> ⇌ FeO + H<sub>2</sub>O}}
: {{Math|Fe(OH)<sub>3</sub> ⇌ FeO(OH) + H<sub>2</sub>}}
:      {{Math|2FeO(OH) ⇌ Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + H<sub>2</sub>O}}

Из приведённых выше уравнений видно, что формирование продуктов коррозии обусловлено наличием воды и кислорода. С ограничением растворённого кислорода на передний план выдвигаются железо(II)-содержащие материалы, в том числе [[Оксид железа(II)|FeO]] и чёрный магнит (Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>). Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH)<sub>3-x</sub>O<sub>x/2</sub>. Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.

Кроме того, эти сложные процессы зависят от присутствия других ионов, таких как [[Кальций|Ca<sup>2+</sup>]], которые служат в качестве электролита, и таким образом, ускоряют образование ржавчины, или в сочетании с [[Гидроксиды|гидроксидами]] и [[Оксиды|оксидами]] железа образуют различные осадки вида Ca-Fe-O-OH.

Более того, цвет ржавчины можно использовать для проверки наличия ионов Fe<sup>2+</sup>, которые меняют цвет ржавчины с жёлтого на синий.

== Предотвращение ржавления ==
[[Файл:Flaking paint on rusting metal.jpg|thumb|upright|Отслаивающаяся краска обнажает участки ржавой поверхности листового металла.]]
Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности [[Нержавеющая сталь|нержавеющей стали]] образуется [[Пассивация металлов|пассивирующий]] слой [[Оксид хрома(III)|оксида хрома(III)]]. Подобное проявление пассивации происходит с [[Магний|магнием]], [[титан (элемент)|титаном]], [[цинк]]ом, [[Оксид цинка|оксидом цинка]], [[Алюминий|алюминием]], [[полианилин]]ом и другими электропроводящими полимерами.

=== Гальванизация ===
Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод [[Гальванизация|гальванизации]], который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом [[Горячее цинкование|горячего цинкования]], либо методом [[Гальванотехника|гальванотехники]]. Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей [[Адгезия|адгезией]] к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее [[кадмий]]. Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает [[Катодная защита|катодную защиту]] металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия. В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется ''цинк-алюм''. Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту. Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные [[Покрытие (материал)|покрытия]], чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

=== Катодная защита ===
{{Основная статья|Катодная защита}}
Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи [[Электрический заряд|электрического заряда]], который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью. В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс. Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным [[Электродный потенциал|электродным потенциалом]], чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

=== Лакокрасочные и другие защитные покрытия ===
От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды. Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы коррозии. Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким рН. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё является проблемой.

=== Покрытие слоем металла ===
[[Файл:Rust03102006.JPG|thumb|Ржавчина может полностью разрушить железо. Обратите внимание на гальванизацию незаржавевших участков.]]
* Оцинковка (оцинкованное железо/сталь): железо или сталь покрываются слоем цинка. Может использоваться метод горячего цинкования или метод цинкового дутья.
* [[Лужение]]: мягкая листовая сталь покрывается слоем [[олово|олова]]. В настоящее время практически не используется из-за высокой стоимости олова.
* [[Хромирование]]: тонкий слой [[хром]]а наносится электролитическим способом на сталь, обеспечивая как защиту от коррозии, так и яркий, полированный внешний вид. Часто используется в блестящих компонентах велосипедов, мотоциклов и автомобилей.

=== Воронение ===
[[Воронение стали|Воронение]] — это способ, который может обеспечить ограниченную устойчивость к коррозии для мелких предметов из стали, таких как огнестрельное оружие и др. Способ состоит в получении на поверхности углеродистой или низколегированной стали или чугуна слоя окислов железа толщиной 1—10 мкм. Для придания блеска, а также для улучшения защитных свойств окисной плёнки, её пропитывают минеральным или [[Растительное масло|растительным маслом]].

=== Снижение влажности ===
Ржавчины можно избежать, снижая влажность окружающего железо воздуха. Этого можно добиться, например, с помощью [[Силикагель|силикагеля]].

=== Ингибиторы ===
[[Ингибиторы]] коррозии, как, например, газообразные или летучие ингибиторы, можно использовать для предотвращения коррозии в закрытых системах. Некоторые ингибиторы коррозии чрезвычайно ядовиты. Одним из лучших ингибиторов выступают соли [[Технеций|технециевой кислоты]].

== Экономический эффект ==
{{Основная статья|Коррозия}}
[[Файл:Silver Bridge collapsed, Ohio side.jpg|thumb|right|Разрушенный [[Серебряный мост]], вид со стороны [[Огайо]].]]
Ржавчина вызывает деградацию изделий и конструкций, изготовленных из материалов на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходное железо, её нарост ведёт к быстрому разрушению конструкции, усиливая коррозию на прилегающих к нему участках — явление, называемое ''поеданием ржавчиной''. Это явление стало причиной разрушения моста через реку Мианус ([[штат Коннектикут]], [[США]]) в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма полностью проржавели изнутри. В результате этот механизм зацепил за угол одной из дорожных плит и сдвинул её с опор. Ржавчина была также главной причиной разрушения [[Серебряный мост|Серебряного моста]] в Западной Вирджинии в 1967 году, когда стальной [[висячий мост]] рухнул меньше, чем за минуту. Погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.

[[Файл:Collapsed Kinzua Bridge.jpg|thumb|left|Мост [[Кинзу (мост)|Кинзу]] после разрушения.]]

[[Кинзу (мост)|Мост Кинзу]] в штате Пенсильвания был снесён смерчем в 2003 году в значительной степени потому, что центральные опорные болты, соединяющие сооружение с землёй, проржавели, из-за чего мост держался лишь под действием силы тяжести.

Кроме того, коррозия покрытых бетоном стали и железа может вызвать раскалывание бетона, что создает серьёзные конструкторские трудности. Это одна из наиболее распространённых причин аварий [[железобетон]]ных [[мост]]ов.

== См. также ==
* [[Коррозия]]
* [[Нержавеющая сталь]]
* [[Сталь кортеновская]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
{{Родственные проекты|Тема=Ржавчина|Викицитатник=Ржавчина|Викисловарь=ржавчина|Викисклад=Category:Rust|Викитека=МЭСБЕ/Ржавчина}}
* [http://www.corrosioncost.com Corrosion Cost] Сайт, посвящённый изучению экономических последствий коррозии
* [http://openlearn.open.ac.uk/mod/resource/view.php?id=233628 corrosion case studies] Анализ коррозии
* [http://www.corrosion-doctors.org/MatSelect/corrsteel.htm Corrosion Doctors] Статьи по коррозии
* [https://web.archive.org/web/20090815111158/http://www.corrosionist.com/how_does_rust_form.htm Metal Corrosion Rust] Что такое ржавчина

{{Внешние ссылки}}

[[Категория:Коррозия]]
[[Категория:Железо]]
[[Категория:Оксиды железа]]
[[Категория:Соединения железа по алфавиту]]