Откуда берется ржавчина и что это вообще такое? Сегодня в рубрике #наука_под_ногами электрохимическое явление, знакомое всем с детства, но природу которого редко объясняют даже в хороших школах.

Чаще всего, описание ржавчины звучит, как «ну, это окисленное железо», иногда чуть более официально ее называют оксидом железа. Подразумевается, что железо просто постоянно стремится присоединить к себе атомы кислорода, ведь другие металлы так делают — та же медь или алюминий. Проблема в том, что в отсутствие других химических соединений (воды, например) железо окисляется только при нагреве почти до температуры плавления. Именно поэтому обгоревшие стальные конструкции всегда ржавые.

Процесс коррозии железа относится к электрохимическим, потому что в нем участвуют не только металл и кислород, а еще вода, растворенные в ней соли. Вдобавок в ходе реакции возникает электрический потенциал. Это сразу несколько тем, которые в школьной программе освещаются редко из-за возможной сложности для понимания.

Если вкратце и без полного пересказа учебника по электрохимии, то ржавчина образуется следующим образом:

Железо имеет свойство растворяться в воде. Медленно и с трудом, но рано или поздно какой-нибудь атом в кристаллической решетке все же отдает свои электроны воде, становясь катионом Fe2+. Высвобождение электронов означает, что в металле возникает ток — его называют анодным током коррозии. Запомним этот факт и перейдем к свойствам воды.

Вода — это молекулы H2O, которые иногда могут диссоциировать на катионы водорода (H+) и гидроксид-ионы (OH-). В норме их концентрация стабильна и сравнительно незначительна. Остается последний герой процесса ржавления — кислород.

Он также, как и железо, может растворяться в воде, но делает это гораздо охотнее.

А теперь вспоминаем про ток — в данном случае, движение свободных электронов. Его присутствие ускоряет реакцию воды с кислородом, в ходе которой высвобождается вдвое больше OH-, чем при диссоциации. Эти очень любящие со всем вокруг реагировать гидроксид-ионы быстро находят растворенные в воде катионы железа и образуют гидроксид железа (II). Который уже через цепочку реакций выпадает из раствора ржавчиной — оксидом железа (III).

Таким образом, каждая, даже самая маленькая капелька воды на поверхности железа формирует электрическую ячейку. На ее катоде вырабатываются гидроксид-ионы, а на аноде — вымывается железо с высвобождением электронов. А ржавчина выпадает рядом с анодом.

Наличие ионов в воде ускоряет электрохимическую реакцию, потому что упрощает движение носителей заряда. Поэтому в соленой воде сталь ржавеет гораздо быстрее.

Но, важный вывод, который можно из этого описания сделать — без движения тока, появление ржавчины невозможно. На этом принципе основаны несколько методов защиты от коррозии. Например, катодная защита или защита наложенным током. В первом случае на стальную деталь закрепляют металлический брусок из металла, который будет терять электроны быстрее (например, алюминий или цинк), во втором — на защищаемую деталь подают постоянное напряжение противоположной полярности и более высокое, чем анодный ток коррозии.