Ako želimo razumjeti zašto metal korodira, moramo krenuti od procesa koji se događa na atomskoj razini. Svaki put kada čelična konstrukcija zahrđa, cink žrtveno štiti čelik ili aluminij stvara zaštitni oksidni sloj, na anodnom području odvija se oksidacija metalnih atoma.
U elektrokemijskoj koroziji taj se proces često opisuje kao ionizacija metala: neutralni atom gubi jedan ili više elektrona i prelazi u pozitivno nabijeni ion. Naizgled jednostavna reakcija razdvaja put elektrona od puta iona i omogućuje nastavak korozijske ćelije.
Što je atom metala?
Atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre, u kojoj se nalaze protoni i neutroni, te negativno nabijenih elektrona. Kada je broj protona jednak broju elektrona, atom je električki neutralan.
Neutralni atom željeza ima 26 protona i 26 elektrona. Njegov ukupni električni naboj zato iznosi nula. Atomi metala povezani su u kristalnu rešetku, a vanjski elektroni mogu se kretati kroz metal i omogućuju njegovu električnu vodljivost.
Što je ion?
Ion je atom ili skupina atoma s ukupnim električnim nabojem. Kada atom metala izgubi elektrone, broj protona postaje veći od broja elektrona i nastaje pozitivno nabijeni ion, odnosno kation.
Oznaka Fe²⁺ govori da je atom željeza izgubio dva elektrona. Još uvijek ima 26 protona, ali sada ima 24 elektrona, pa njegov ukupni naboj iznosi +2. Na isti način Zn²⁺ označava cink koji je izgubio dva elektrona, a Al³⁺ aluminij koji je izgubio tri elektrona.
Važno: broj iza simbola iona ne govori koliko ion ima elektrona, nego koliki je njegov ukupni električni naboj.
Ionizacija i oksidacija
Ionizacija opisuje nastanak iona, dok oksidacija opisuje gubitak elektrona. U kontekstu anodnog otapanja metala obje riječi opisuju isti događaj iz različitih perspektiva.
Slovo M predstavlja metal, a n broj predanih elektrona. Ova reakcija je anodna polureakcija. Ona se ne može trajno odvijati sama: elektroni moraju kroz metal stići do katodnog područja, gdje ih troši odgovarajuća redukcijska reakcija.
Zašto metali gube elektrone?
Atomi različitih metala ne vežu vanjske elektrone jednako čvrsto. Njihova sklonost oksidaciji ovisi o elektronskoj strukturi, energiji metalne rešetke, okolišu, pH-vrijednosti, elektrodnom potencijalu i stabilnosti produkata koji mogu nastati na površini.
Reaktivniji metali, poput magnezija i cinka, u mnogim se vodenim okolišima oksidiraju lakše od bakra, srebra ili zlata. Ipak, stvarno ponašanje ne određuje samo položaj metala u elektrokemijskom nizu. Aluminij je vrlo reaktivan, ali ga u mnogim uvjetima štiti tanak i kompaktan pasivni oksidni film.
Dva toka nakon ionizacije
Kada atom željeza prijeđe u Fe²⁺, nastaju dva odvojena toka:
- Elektroni ostaju u metalnoj fazi i putuju kroz metal prema katodnim područjima.
- Metalni ioni napuštaju kristalnu rešetku i ulaze u elektrolit, gdje mogu biti hidratizirani, transportirani i uključeni u daljnje reakcije.
Elektroni su električna struja unutar metala, dok se naboj kroz elektrolit prenosi kretanjem iona. Korozijska ćelija može nastaviti raditi samo dok su oba puta dostupna i dok se na katodi odvija reakcija koja prihvaća elektrone.
Od jednog atoma do gubitka materijala
Komad željeza ne pretvara se odjednom u hrđu. Ionizacija se odvija atom po atom i uglavnom na mikroskopskim anodnim područjima. Svaki atom koji napusti metal ostavlja prazno mjesto u kristalnoj rešetki.
Proces možemo zamisliti kao zid izgrađen od milijuna cigli. Uklanjanje jedne cigle gotovo je neprimjetno, ali stalno uklanjanje velikog broja cigli s istog mjesta s vremenom oslabljuje zid. Na isti način golem broj anodnih reakcija dovodi do mjerljivog gubitka mase, stanjenja stijenke, rupičaste korozije ili lokalnog oštećenja.
Uloga vode i elektrolita
U atmosferskoj elektrokemijskoj koroziji voda stvara medij u kojem se ioni mogu stabilizirati i kretati. Ne mora postojati vidljiva lokva: dovoljan može biti tanak film kondenzata, rosa, vlažna prašina ili voda zadržana u procijepu.
Otopljene soli povećavaju vodljivost tog filma i olakšavaju prijenos ionskog naboja. Zbog toga kloridi iz morske atmosfere ili cestovne soli često snažno ubrzavaju koroziju. Bez ionski vodljivog puta elektrokemijska korozijska ćelija ne može se učinkovito zatvoriti.
Zašto cink štiti željezo?
Cink se u galvanskom paru s čelikom lakše oksidira i ponaša kao anoda:
Elektroni koje cink predaje putuju kroz metal prema čeliku i na njemu podržavaju katodnu reakciju. Time se oksidacija željeza usporava. Cink se zato naziva žrtvenim metalom: troši se kako bi štitio čelik, čak i uz manja oštećenja cinkove prevlake.
To je temelj žrtvene anodne zaštite, ali i važan dio zaštitnog djelovanja vruće pocinčanih i cinkom bogatih sustava.
Od iona željeza do hrđe
Ionizacija željeza nije završetak, nego početak niza reakcija. U neutralnoj vodi elektroni se na katodnim područjima često troše redukcijom kisika, pri čemu nastaju hidroksidni ioni:
Ioni Fe²⁺ zatim reagiraju s OH⁻ i stvaraju željezov(II) hidroksid:
Daljnjom oksidacijom i reakcijama s vodom nastaju Fe(OH)₃, FeOOH, Fe₃O₄ i hidratizirani željezovi oksidi. Hrđa zato nije jedna tvar, nego promjenjiva smjesa korozijskih produkata.
Najčešće zablude
“Metal nestaje jer ga voda jednostavno otapa.”
U elektrokemijskoj koroziji atom metala najprije se oksidira i prelazi u ionsko stanje. Tek se tada ion stabilizira i kreće kroz elektrolit.
“Elektroni odlaze u vodu zajedno s ionima metala.”
Elektroni se prenose kroz metal do katodnih područja. Kroz vodeni elektrolit naboj prenose ioni.
“Ionizacija i cijela korozija su isto.”
Ionizacija je anodna polureakcija i početni korak gubitka metala. Za trajnu elektrokemijsku koroziju potrebni su i katodna reakcija, elektronski i ionski put te odgovarajući okolišni uvjeti.
“Reaktivniji metal uvijek će brzo propasti.”
Brzina korozije ovisi i o pasivaciji, katodnoj reakciji, elektrolitu, temperaturi, geometriji i svojstvima nastalih površinskih slojeva.
Zaključak
Ionizacija metala predstavlja početni i neizostavan anodni korak elektrokemijske korozije. Neutralni atom gubi elektrone i prelazi u pozitivno nabijeni ion. Elektroni ostaju u metalu i putuju prema katodnim područjima, dok metalni ioni ulaze u elektrolit i sudjeluju u daljnjim reakcijama.
Razumijevanje tog razdvajanja objašnjava zašto se metal troši na anodi, kako nastaje hrđa, zašto cink može žrtveno štititi čelik te kako premazi, pasivni slojevi i katodna zaštita prekidaju ili usporavaju korozijski proces.
Literatura i izvori
- ISO 8044 — Corrosion of metals and alloys — Vocabulary.
- Mars G. Fontana, Corrosion Engineering, 3. izdanje.
- Denny A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion.
- R. Winston Revie (ur.), Uhlig’s Corrosion Handbook.
- Herbert H. Uhlig i R. Winston Revie, Corrosion and Corrosion Control.
- E. McCafferty, Introduction to Corrosion Science.
Autor
Branimir Krpez
Tehničar kvalitete specijaliziran za antikorozivnu zaštitu, zaštitne premaze i kontrolu kvalitete. Na Zincor Systems objavljuje stručne članke, tehničke analize i studije slučaja radi dijeljenja praktičnog znanja o koroziji i zaštiti metala.
zincorsystems@gmail.com