Korrosjon

/

Korrosjon er en fellesbetegnelse for reaksjonen (oksidasjon) som oppstår mellom metaller og luft og/eller vann eller en elektrolytt, som f.eks. saltvann.

Når man snakker om korrosjon er det vanligvis negativt; laget som danner seg på metaller og spiser det opp er ofte uønsket og er et stort problem generelt sett, men begrepet kan også brukes for å beskrive en ønsket reaksjon eller kontrollert korrosjon.

 

Kjemisk korrosjon

Når metaller kommer i kontakt med oksygen og hydrogen reagerer det ved å danne oksider, hydroksider eller sulfider. De fleste metaller ligger nogen lunde midt i det periodiske system og reagerer enkelt med andre stoffer. De "edle" metallene, bl.a. kobber, palladium, gull, sølv og platina, reagerer svært lite og meget sakte med omgivelsene og er de eneste metallene som finnes i ren form i naturen.

Ordet oksidasjon kommer fra oksygen og er reaksjonen som forekommer når oksygen kommer i kontakt med metaller.

Siden reaksjonen tar atomer fra metallet og luften/vannet og danner nye stoffer "spiser" dette opp metallet, og det nye stoffet, f.eks jernoksid, legger seg som et lag utenpå det opprinnelige metallet. Dette laget kalles gjerne rust, men det gjelder da kun i tilfellet til jern. Jern ruster og kobber irrer, alle andre metaller korroderer.

Når vi sier at noe ruster er det oftest snakk om overflatekorrosjon.  Dette er alminnelig korrosjon som legger seg jevnt over hele materialet (uniform korrosjon).

Punktkorrosjon eller "pitting" er korrosjon av enkelte deler og mindre områder på et materiale og kan være vanskelig å oppdage. Oppstår gjerne i hull eller sprekker i lakk og annen beskyttende etterbehandling.

Erosjonskorrosjon er korrosjon som kommer av bevegelse mellom metall og korroderende materiale, som foreksempel vann i rør eller metall som gnisser inntil andre ting som bidrar til at oksidlaget blir slipt bort som akselererer korrosjon av nytt metall under.

Stagneringskorrosjon er korrosjon som oppstår av akkumulering av fukt eller andre korroderende stoffer i områder hvor det har en tendens til å bli liggende lenge uten renne bort eller fordampe, som under skruehoder, pakninger eller i groper.

Andre faktorer som pH-verdi i miljøet rundt kan også påvirke korrosjonen.

 

Elektrokjemisk (galvanisk) korrosjon

Galvanisk korrosjon er korrosjon som oppstår mellom to ulike metaller som er i direkte kontakt eller elektrisk sammenkoblet med hverandre. Alle metaller har ulikt elektrisk potensiale, eller spenning, og reagerer kraftigere avhenging av hva slags metall det er i kontakt med.

Det beskriver i bunn og grunn hvilke metaller som er mest reaktive, eller gir fra seg elektroner lettest.

Som man kan se er sink og magnesium veldig reaktive, dvs. de slipper lett taket på elektronene sine hvis de blir bedt om det av et mer positivt metall, som f.eks. stål og fungerer som en anode og skaper positivt ladede ioner. Hadde man parret sink med et enda mer reaktivt metall ville sink blitt katoden.

Det er 3 betingelser for at galvanisk korrosjon skal finne sted:

  1. Metallene må være elektrokjemisk ulike
  2. De må ha en elektrisk forbindelse
  3. En elektrolytt, som f.eks. vann, må være tilstede mellom metallene

 

Enkelt om kjemien bak det

Som vi kan se på det periodiske system over er f.eks. helium helt til høyre og hydrogen helt til venstre. Atomnummeret beskriver antallet protoner og nøytroner atomet har, og i en normal nøytral form har atomet like mange mange elektroner som protoner.

Atomer har flere "skall" med elektroner, noe som kategoriseres med elektron-konfigurasjonen. Atomer kan ha maksimalt 2 elektroner i det innerste skallet, deretter 8, så 18 i det tredje, deretter 32, 50, 72. Et lag må ikke nødvendigvis være fullt før elektroner kan samle seg i det neste. Gull har for eksempel elektronkonfigurasjon 2-8-18-32-18-1.

Atomer med fulle skall reagerer ikke med andre stoffer, f.eks. edelgassene helt til høyre. Alkaliske metaller helt til venstre har et elektron "for mye" så de binder seg gjerne med andre stoffer eller kvitter seg gladelig med elektronet sitt.

Dette skulle tilsi at gull er svært reaktivt, og det er reaktivt, men på en langt langt mindre skala enn man skulle tro. Årsaken til dette er komplisert, men elektronene er pakket så godt sammen at de ikke vil gi slipp på hverandre, inkludert det ytterste, og beveger seg så fort at andre elementer har vanskeligheter med å binde seg til gull. Men nok om det.

Dersom et atom har ulikt antall elektroner som protoner bærer det en ladning og kalles et ion. Atomer med flere elektroner enn protoner er negativt ladet og kalles et anion. Atomer med flere protoner enn elektroner er positivt ladet og kalles et kation. Derav navnene "anode" og "katode". Dette er litt forvirrende ettersom elektrodenes ladning endres når vi tilfører strøm eller trekker ut strøm, som er forskjellen på en galvanisk celle og en elektrolytisk celle. Dette er litt utenfor behovet av kunnskap om galvanisk korrosjon, men en galvanisk celle er i bunn og grunn et batteri og en elektrolytisk celle er mye brukt i forkromming (electroplating) og andre industriprosesser hvor man legger et lag av et metall utenpå et annet.

I en galvanisk celle er det to reaksjoner som finner sted samtidig, reduksjon og oksidasjon. Sammen skaper de en redoks-reaksjon som er en sammenslåing av de to ordene. Stoffer som blir redusert MOTTAR elektroner (katoden) og stoffer som blir oksidert MISTER elektroner (anoden). Det er litt omvendt av det man skulle tro, og det henger igjen fra gammelt av før vi visste bedre, slik mye gjør, men det er nå engang slik.

I eksempelet om elektrolytisk behandling til venstre tilfører man positiv spenning og "drar" elektroner ut av sølvet(+) som da har mer lyst til å binde seg til oksygenet i elektrolytten og skaper positive ioner (siden de nå mangler elektroner) og flyter bort til skjeen av stål (-) hvor de gjenforenes med sine tapte elektroner som har tatt veien gjennom batteriet og legger seg som sølv på utsiden av stålskjeen. Vi tvinger dette til å skje ved å tilføre spenningen. Hadde det ikke vært noen ekstern spenningskilde ville skjeen rustet siden sølv er mindre reaktivt enn stål og hele prosessen ville forekommet i revers.

Det er relativt enkle kjemiske formler og kalkuleringer inne i bildet her for å beskrive redoks-reaksjoner, halv-reaksjoner, ionisering, oksidasjonstall og slikt, men det er ikke noe jeg sikter på å ta for meg for øyeblikket.

 

Beskyttelse mot korrosjon

Korrosjon og hindringen av det er et eget fagfelt og det er mange måter å utsette eller stanse korrosjon helt.

For eksempel er det vanlig å "skape" galvanisk korrosjon i maritime miljøer for å beskytte stål og andre lett normalt kjemisk korrosive materialer ved å skru fast biter med mer reaktive metaller for at disse skal korrodere før stålet. Vi ofrer et metall for å redde et annet, derav navnet "offeranode". Offeranoder er svært utbredt i skips- og offshoreindustrien for å beskytte skrog og platformbein og lignende.

Offeranoder er vanligvis laget av sink siden det er et av de aller mest reaktive metallene og er kost-effektivt. Disse må byttes ut jevnlig for å opprettholde den galvaniske beskyttelsen.

Galvanisk beskyttelse brukes ikke bare offshore og er svært utbredt i all industri. Galvanisering, som forresten har sitt navn fra den italienske vitenskapsmannen Luigi Galvani, men det var Alessandro Volta som gav det navnet.

Galvanisering brukes til å beskytte det meste. Spiker, skruer, plater, bjelker og mye annet innen bygg og industri.

Varmbads-galvanisering er mest utbredt hvor man rett og slett dypper ting i flytende sink som gir det et beskyttende lag. Først og fremst beskytter det stålet under som om det skulle være malt, men dersom galvaniseringen skulle bli skadet vil sinken fortsette å beskytte stålet via planlagt galvanisk korrosjon.

Metoder for å forhindre uønsket galvanisk korrosjon er blant annet å elektrisk isolere metallene hvis ulike metaller benyttes, ved f.eks. bruk av plastikk/gummi skiver rundt bolter og lignende. Det er anbefalt å ikke overstige en spenningsforskjell på 0,2V når materialer som skal være i elektrisk kontakt skal brukes.

Andre måter å beskytte mot rust innebærer å lage spesielle legeringer (blandinger av forskjellige metaller) som kan gjøre materialet mer beskyttet mot korrosjon.

Utover det er det veldig vanlig å dekke metallet med en eller annen form for tett lag som hindrer luft og fukt fra å komme i kontakt med metallet under. Maling, lakk, blånering, parkerisering, innsmøring med olje eller fett er alle måter å forhindre korrosjon.

Som man kan se på spenningsrekken er aluminium et svært reaktivt metall, men det er kjent for å ikke korrodere...? Dette kommer av at aluminium reagerer raskt med oksygenet og danner aluminiumoksid, som binder seg tett og dypt med aluminiumet under og danner et naturlig beskyttende lag. Av denne grunnen er aluminium også populært i maritime miljøer. Denne egenskapen er for øvrig mye brukt i industrien til ikke bare å beskytte aluminium-produkter mot korrosjon, men også bruke elektrokjemiens vidunderlige verden til å anodisere metaller for å gi dem spreke farger.