Коротко: при присутствии $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ железо корродирует электрохимически как анод в гальваническом элементе — Fe окисляется, а $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ восстанавливается до металлического меди, что делает процесс спонтанным и ускоряет разрушение железа.
Механизм (важные стадии и реакции):
- Анодная реакция (окисление железа):
$$\mathrm{Fe}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}+2e^{-}{E}^{\circ }(\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}/Fe)\approx -0.44\mathrm{V}$$ - Катодная реакция (восстановление ионов меди):
$$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2e^{-}\to \mathrm{Cu}{E}^{\circ }(\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}/Cu)=+0.34\mathrm{V}$$ - Напряжение ячейки:
$$\Delta E^{\circ }=0.34-(-0.44)=0.78\mathrm{V}$$ положительное $\Rightarrow$ реакция спонтанна. Итоговая реакция:
$$\mathrm{Fe}+\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}+\mathrm{Cu}$$ - Дополнительно: в кислородсодержащих растворах кислород также может выступать акцептором электронов:
$${\mathrm{O}}_2+4H^{+}+4e^{-}\to 2H_{2}O\text{или}{\mathrm{O}}_2+2H_{2}O+4e^{-}\to 4O{H}^{-}$$ ионы $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ гидролизуются/окисляются до гидроксидов/оксидов (ржавчина):
$$\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}+2O{H}^{-}\to \mathrm{Fe}(\mathrm{OH}{)}_2\text{и далее}\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}{)}_2\to \mathrm{Fe}(\mathrm{OH}{)}_3/\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3\cdot \mathrm{n}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$ - Механизм ускоряется потому, что осаждённая медь образует катодные участки на поверхности железа — вокруг них железо анодно корродирует интенсивнее.
Методы предотвращения (коротко, с объяснением):
- Исключить контакт с $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$: удалить/реагировать ионы меди (фильтрация, осаждение, комплексообразователи) — устраняет катод.
- Изоляция металлов: непроводящие покрытия (краска, лак), прокладки между медью и железом — предотвращают гальваническую пару.
- Гальванизация/покрытия металлом более активным по ряду (цинк, алюминий): цинковое покрытие служит жертвенным анодом.
- Жертвенные аноды или катодная защита: установка $\mathrm{Zn}$/$\mathrm{Mg}$ анодов либо система с принудительным током — делает сталь катодом.
- Контроль среды: снижение растворённого кислорода (вытеснение азотом), поддержание щелочного pH для пассивации, удаление солей и загрязнений.
- Коррозионные ингибиторы: добавление нитритов, фосфатов, органических ингибиторов, комплексообразователей, которые уменьшают скорость анодных/катодных реакций или блокируют поверхность.
- Выбор материалов/конструкции: избегать соединения железа с благородными металлами (медь), применять нержавеющие стали или покрытия.
Вывод: основная причина — гальваническая пара Fe/Cu из‑за разницы потенциалов ($\Delta E^{\circ }\approx 0.78\mathrm{V}$); борьбы добиваются либо устранив $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ и контакт, либо делая железо катодом (защита) или покрывая/армируя его инертным/жертвенным слоем.