Электричество в мире химии - Георгий Яковлевич Воронков
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Если среда электропроводна, а это бывает почти всегда, то на поверхности металла протекают электрохимические реакции: на аноде идет окисление металла, на катоде — восстановление. Скорость этих процессов подчиняется законам электрохимической кинетики. Казалось бы, в проводящих средах поверхность металла имеет повсюду одинаковый потенциал, разности потенциала нигде быть не должно, а следовательно, не должно быть и электрохимических реакций. Но нет! Разность создается и наличием в конструкции разных металлов и одинаковых, но по-разному обработанных (металл, подвергнутый, например, механической обработке, и металл после обжига образуют гальваническую пару), и наличием узких зазоров и тонких неэлектропроводных пленок, даже различной аэрацией среды, и коррозия начинает разъедать металл.
Весьма интенсивно идет она в тех случаях, когда два различных металла находятся в электрическом контакте с поверхностной пленкой атмосферной влаги, которая служит электролитом. С увеличением глубины концентрация кислорода в воде уменьшается. Это значит, что на определенной глубине на опущенном в воду металле, допустим, на обшивке корпуса корабля, будет достигнут равновесный потенциал реакции восстановления кислорода. Поверхность, находящаяся ближе к ватерлинии, поведет себя в этом случае как катод, а находящаяся глубже — как анод. На аноде же металл и начнет разрушаться.
Та же ситуация складывается в трубопроводах, если концентрация кислорода в грунте различна. На поверх-
ность металла попадает капля влаги, тотчас в центре капли, где кислорода мало, металл становится анодом и растворяется, а роль катода начинают играть края капли, более доступные влиянию кислорода. На краях будет осаждаться гидроокись металла.
В городах, где имеется сеть трамвайных линий, кабелей, проводов и труб, металл разъедает коррозия, возникающая под действием блуждающих токов. При действии на металл активаторов, вроде ионов хлора, начинается так называемая питтинговая коррозия. Очень опасна межкристаллитная коррозия; она идет вдоль сварных швов. Коррозию увеличивают механическая нагрузка, трение, высокие скорости потока. В борьбе с коррозией ученые и инженеры применяют более стойкие материалы: алюминий, титан, различные сплавы, пластмассы. Благодаря тому что на поверхности алюминия образуется тонкий слой окисла, предохраняющий расположенный под ним металл от дальнейшей коррозии, разрушается он не так быстро, как железо. Магний тоже защищен от коррозии пленкой окисла. Хорошая защитная пленка образуется на поверхности сплавов железа с хромом. Эти сплавы и есть всем известная нержавеющая сталь. Из ее листов собрана знаменитая скульптура Мухиной «Рабочий и колхозница» у северного входа на ВДНХ в Москве. А находящийся неподалеку от нее, у вестибюля метро, монумент в честь покорения космоса, сделанный в виде 99-метрового шлейфа, изготовлен из отшлифованных до блеска листов титана. Он простоит сотни лет. Из титана сделан и памятник Юрию Гагарину в Москве.
Металлурги создали десятки легированных сплавов, медленно поддающихся коррозии, а химики — десятки способов уменьшения количества веществ, вызывающих коррозию в тех средах, где приходится находиться металлическим конструкциям. Для защиты оборудования изобретены особые вещества — ингибиторы, уменьшающие коррозию в сотни и тысячи раз. Это органические соли и кислоты, амины, хроматы, фосфаты. Чтобы уберечь металлические поверхности от ржавчины, их покрывают органическими и неорганическими веществами, красками, лаками, анодируют, фосфатируют, оксидируют, хромируют. Изделия из железа оцинковывают. Если цинковое покрытие разрушается, возникает гальваническая пара: цинк становится анодом, железо — катодом, и тогда кор-124
Катодная защита железных водопроводных труб розионному воздействию подвергается цинк, а на железе идут восстановительные процессы, и его коррозия начинается лишь после того, как прокорродирует весь цинк. Об этих тонкостях хорошо осведомлены кровельщики.
Аналогичным образом защищают от коррозии металлические трубы подземных нефтепроводов и газопроводов, мачты электропередач, железнодорожные рельсы, конструкции в портах и доках. Менее благородный металл (цинк, например) не обязательно используют для покрытия; достаточно соединить проводником два металла. Магниевый анод окружают смесью гипса, сульфата натрия и глины, чтобы обеспечить проводимость ионов, и соединяют с трубой. Труба в этом гальваническом «элементе» играет роль катода и поэтому не корродирует. Этот метод получил название протекторной защиты, или защиты с жертвенным анодом.
Катодной поляризации защищаемого металла можно добиться и наложением тока от внешнего источника, подключением, например, трубы к его отрицательному
полюсу. Тогда на защищаемой конструкции идут катодные процессы, а анодные, обусловливающие коррозию, протекают на вспомогательном электроде. За последние годы разработан и метод анодной защиты. Его применяют к металлам и сплавам, способным пассивироваться при смещении их потенциала в положительную сторону, иначе говоря, к металлам, на поверхности которых может при анодной поляризации образовываться пассивная пленка. Эта пленка и защищает металл от коррозии.
Для борьбы с блуждающими токами на подземных металлических сооружениях служит электродренаж: опасные в коррозионном отношении анодные зоны сооружений соединяют с источниками блуждающих токов (трамвайными рельсами, кабелями). Ток идет тогда по металлическому проводнику, и анодная реакция, при которой металл растворяется, не возникает.
Весьма эффективны комбинированные методы защиты. В дополнение к покрытию трубопроводов и газопроводов различными изоляционными материалами на них налагают катодную или анодную защиту, предохраняющую металл от коррозии в местах повреждения изоляционного слоя.
Молекулярная электроника
В ночь с 12 на 13 июня 1944 г. немецкие дальнобойные артиллерийские батареи открыли по английскому побережью сильный и продолжительный огонь. Через несколько минут после окончания обстрела наблюдатели на постах противовоздушной обороны заметили странные самолеты, летевшие через Ла-Манш. Они издавали звук, не похожий на звук обычных самолетов, из их хвостовой части вырывалось пламя. Это были снаряды Фау-1, а через три месяца над Лондоном раздался мощный гул, напоминающий раскаты грома, и на город упала первая баллистическая ракета Фау-2. Всего на территории Лондона взорвалось около двух с половиной тысяч снарядов Фау-1 и Фау-2. Они разрушили несколько тысяч домов, а потери гражданского населения превысили 43 тысячи человек убитыми и ранеными. «Эта новая форма атаки возложила на жителей Лондона бремя, пожалуй, еще более тяжелое, чем воздушные налеты 1940 и 1941 гг.,— писал потом Черчилль.— Состояние неизвестности и напряженности становилось более сильным. Ни наступление 126
дня, ни облачность не приносили утешения... Слепая сила этого снаряда внушала человеку чувство беспомощности».
Для управления дальностью полета ракеты применялись интеграторы, работа которых была основана на законах электролиза. Так фашисты использовали научное открытие Фарадея против его соотечественников.
Способность приборов интегрировать входной электрический сигнал по времени вытекает из известного закона: масса образовавшегося или растворившегося
