Металлы болеют

Ну, а обычное техническое железо, сталь, чугун — почему же они ржавеют очень активно и могут буквально рассыпаться в прах? Ответ кажется несколько необычным: потому, что они не чистые металлы, а сплавы, содержащие, кроме железа, углерод и некоторые другие вещества. Если продолжить сравнение с эмалированной кастрюлей, можно было бы сказать, что вкрапления посторонних веществ в железе — это дырки в эмали, через которые проникают воздух, вода, кислоты и т. д. На самом деле картина гораздо сложнее. Дело в том, что вкрапления посторонних веществ образуют с железом... множество гальванических элементов.

Вспомним, что нам рассказывали на уроках о гальванических элементах. В стеклянный или керамический сосуд наливают электролит (например, раствор кислоты) и опускают туда две пластинки из разных металлов, скажем из меди и цинка. Гальванический элемент готов. Если сверху соединить пластинки проволокой, то по ней потечет электрический ток.

Что же происходит? Кислота окисляет оба металла, растворяет их. Это означает, что атомы металлов превращаются в положительно заряженные ионы, которые переходят в раствор. А отнятые у них электроны остаются на пластинках. Значит, на обеих пластинках будет накапливаться отрицательный заряд. Но цинк химически более активен, чем медь, его растворение идет энергичнее. Поэтому цинковая пластинка заряжается сильнее.

Когда мы соединим пластинки проволокой, излишек электронов потечет с цинка на медь. Это и будет электрический ток. Но вот вопрос: а не прекратится ли этот ток, когда все «лишние» электроны с цинковой пластинки перебегут на медную? Нет, ток не прекращается. Напротив, «лишние» электроны, притекающие на медную пластинку, останавливают растворение меди, сами переходят в раствор и превращают положительно заряженные ионы водорода в атомы. Вот почему при работе гальванического элемента около медной пластинки на поверхности электролита лопаются пузырьки — это выделяется водород.

Как видим, в нашем гальваническом элементе разрушается только цинк — более активный металл. Медная же пластинка остается нетронутой. То же самое происходит и при коррозии железа, которое гораздо активнее углерода и других примесей. Оно отдает свои электроны, а примеси, как медь в гальваническом элементе, остаются нетронутыми. Поэтому железо и разрушается, образуя в конечном счете ржавчину.

Могут спросить: а где же в таком случае электролит? Ведь без него гальванический элемент не будет работать. Увы, он везде! Электролитом могут служить не только кислоты, но и растворы солей, которые всегда имеются в морской, речной и даже дождевой воде. А в окружающем нас воздухе всегда есть и влага, и мельчайшие кристаллики солей, и окислы углерода и азота. В воздухе же промышленных центров присутствует и сернистый газ, образующийся при сжигании угля и нефти, которые почти всегда содержат серу. Значит, любая капля влаги — росы, дождя, тумана — превращается в раствор, пусть слабенький, угольной, азотной, а часто и сернистой кислот, различных солей. Так что, как видите, мы буквально окружены электролитом. Вот почему в сухом воздухе железо не ржавеет, а чуть только влажность повышается, то приходится ломать голову, как уберечь металл от гибели.

В самом деле — как? Вам уже, очевидно, пришло в голову наиболее простое средство: избегать соединений разных металлов, особенно в конструкциях, которые должны работать в электролитической среде, например в морской воде. Но, прежде чем инженеры до этого додумались, произошло немало смешных, а порой и трагических случаев.