Металлы и человек
Шрифт:
Рыжая смерть железа обладает неимоверным аппетитом. Если бы люди не защищали металл, наверное, за год или много за три она сгрызла бы его весь, добытый человечеством, до последней крошки. Рухнули бы, превратившись в ржавую труху, опоры мостов, рассыпались корпусы океанских пароходов, обрушились пролеты заводских цехов. Металл снова превратился бы в руду…
По-разному приходит смерть к металлу.
Но человек защищает металл. Защищает бесчисленными способами. Коррозия должна отступить! Но все же ее добыча еще велика.
Человечество добыло с 1890 по 1923 год 1766 млн. тонн черных металлов. Свыше трети этого металла — 718 млн. тонн — стало за эти же годы жертвой коррозии.
Считают, что и сегодня добыча ее составляет не менее 10 процентов выплавляемого за год металла.
Рыжую смерть железа видели все. Это она покрывает сверкающую ровную поверхность полированного металла струпьями, похожими на запекшуюся, смешанную с грязью кровь, делает ее ноздреватой, словно рябой. Это коррозия покрывает блестящую поверхность детали зеленым ядовитым налетом. Нет металла, включая золото и платину, который в той или иной степени не был бы покорен жестокой губящей власти.
Трудно представить себе весь вред, наносимый коррозией. Это из-за нее прерывается иногда подача воды водопроводом — она изгрызла металл труб. Это из-за нее приходится останавливать многие химические аппараты, заменяя сгоревшие части. Это из-за нее проводят тщательную диаэрацию — очистку от воздуха — воды, идущей на питание паровых котлов. Это на защиту от нее расходуются миллиарды рублей — на покраску, воронение, смазку металлических частей и деталей машин и механизмов. Борьба с коррозией — это непрерывная битва, которую, не жалея сил и средств, непрерывно ведет человечество. И, конечно, оно приложило все силы, чтобы изучить характер и повадки своего врага и выработать методы борьбы с ним.
Ученые различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химическая происходит в сухих газах и в жидкостях, не проводящих электрического тока. Она представляет собой прямое соединение металла с кислородом.
Наверное, все помнят, как на уроках химии учитель извлекал из стеклянной банки, наполненной керосином, кусочек удивительного металла— натрия. Перочинным ножом он отрезал от него крупинку, и в разрезе вдруг зеркалом сверкал чистый металл. А через пару минут тускнела поверхность металла — ее покрывала серая тусклая пелена. Вот это и есть химическая коррозия.
Особо выделяют газовую коррозию. Это те случаи, когда раскаленный металл соприкасается с газами. Обыкновенная окалина — вот результат такой коррозии.
Сложнее механизм электрохимической коррозии.
Вспомним простейшую химическую батарею — пластинки цинка и меди, опущенные в раствор электролита. Если теперь соединить эти пластинки проволочкой, по ней пойдет ток. Цинковая пластинка начнет окисляться, сгорать, ибо окисление и горение — это один и тот же процесс, только идущий с различной интенсивностью.
Вот такие же гальванические батареи возникают и на поверхности металла, разъедаемого электрохимической коррозией.
Трудно представить себе металл, абсолютно однородный по составу (кроме, конечно, специально получаемого сверхчистого металла). В нем всегда есть какие-нибудь посторонние включения, да и сами частицы металла различны между собой. В стали, например, всегда есть включения цементита, отличного от соседних кристаллов чистого железа. И вот между этими неоднородными микрочастицами происходит то же самое, что и между медью и цинком, опущенными в электролит. Нет электролита? Так он всегда найдется. Морская вода — это сильнейший электролит. Речная вода — тоже электролит: ведь в ней тоже содержатся какие-нибудь растворенные соли. Сконденсировавшаяся из воздуха пленка влаги, покрывшая металл, — тоже электролит: ведь в ней растворяются газы воздуха, а в нем всегда есть окислы углерода, серы и т. д.
Особенно много таких окислов, образующих при растворении в воде электролиты, в воздухе городов. И поэтому особенно быстро ржавеют в городах плохо покрашенные железные крыши.
Такова классификация коррозии по происхождению. Различны и проявления коррозии.
Бывает, что коррозия охватывает равномерно всю поверхность металла (А). Бывает, что ее разрушительные пятна сосредоточиваются лишь в отдельных местах (Б). И самое страшное — коррозия, прорвавшаяся внутрь металла (В). При этом разрушение его идет по самому слабому и неоднородному веществу — по границам зерен металла. Снаружи металл кажется прочным, нетронутым, а в действительности он уже весь во власти коррозии. Он рассыпается от удара, лопается при растяжении, не обеспечив и доли обычной прочности этой марки стали.
Мы говорили, что все металлы подвластны коррозии. А как же хром, алюминий, золото? Ведь они обладают удивительной способностью не окисляться!
Нет, окисляются и они. Хром сразу же при соприкосновении с воздухом начинает окисляться, на его поверхности образуется чрезвычайно тонкая, прозрачная ц прочная пленка окисла. Она-то и не дает проникнуть к поверхности металла кислороду воздуха, как броней защищает металл. Такая же пленка, но менее прозрачная, покрывает и поверхность алюминия. Это она делает его матовым, несколько ослабляя его металлический голубоватый блеск.
Вот эту способность некоторых металлов образовывать защитные пленки окислов и используют для защиты слабых, не способных сопротивляться ржавчине металлов.
Чаще всего эти металлы, например стали, покрывают пленкой такого металла. Всем известны никелированные и хромированные — покрытые никелем и хромом — детали машин, точный измерительный инструмент и т. д.
Интересен метод защиты металла от коррозии протекторами.
Вернемся ю нашему гальваническому элементу — пластинкам меди и цинка. В этой паре металлов сгорает цинк. А вот если опустить в электролит цинковую и магниевую пластинки, цинк останется нетронутым, сгорать будет магний. Он как бы берет на себя защиту цинка. И пока весь магний не сгорит, цинк в гальваническом элементе окисляться не будет. И так с любой парой металлов. Окисляется, отдавая энергию для образования электрического тока, только один из них.
Надежный щит.
Ученые расположили все элементы в один ряд в зависимости от их способности окисляться в гальваническом элементе. Вот некоторые металлы этого ряда: калий, натрий, барий, кальций, магний, алюминий, марганец, цинк, железо, никель, олово, свинец, медь, серебро, платина, золото. Какую бы пару элементов из этого ряда вы ни взяли, в гальваническом элементе будет сгорать тот металл, который ближе к началу этого списка.