Kodėl kai kurie metalai nerūdija?

Paimkite į ranką seną dviračio grandinę, lauko baldų varžtą ar metalinį vartų vyrį – po kelių sezonų lauke jų paviršius dažnai pasikeičia neatpažįstamai. Vienur atsiranda rusvų dėmių, kitur metalas pabąla, patamsėja ar, regis, lieka beveik toks pats kaip pagamintas. Nors visi šie daiktai vadinami metaliniais, jų elgesys su oru, drėgme ir druska gali būti visiškai skirtingas.

Rūdys prasideda nuo cheminės reakcijos

Kasdienėje kalboje žodį „rūdys“ dažnai vartojame kalbėdami apie bet kokį metalo irimą. Tačiau tiksliau rūdys yra geležies korozijos produktas. Kai geležis ar plienas susiduria su vandeniu ir deguonimi, prasideda elektrocheminė reakcija: geležies atomai praranda elektronus, o paviršiuje pamažu susidaro geležies oksidai ir hidroksidai.

Šie junginiai sudaro rusvą, trapią medžiagą, kurią vadiname rūdimis. Problema ta, kad rūdžių sluoksnis geležies neapsaugo. Jis yra porėtas, lengvai praleidžia drėgmę ir deguonį, todėl reakcija gali tęstis vis giliau. Dėl to metalas silpnėja, sluoksniuojasi, o plona detalė ilgainiui gali tiesiog prarasti savo tvirtumą.

Korozijai ypač palankios sąlygos susidaro ten, kur vienu metu yra drėgmės, deguonies ir elektrolitų – medžiagų, galinčių praleisti elektros srovę. Todėl automobilio kėbulas greičiau kenčia žiemą, kai ant kelių barstoma druska, o metaliniai įrankiai sparčiau nyksta palikti drėgname rūsyje. Druska pati metalo „nesuėda“, tačiau gerokai paspartina elektrochemines reakcijas.

Kai kurie metalai patys susikuria apsaugą

Skirtumas tarp rūdijančio ir atsparesnio metalo dažnai slypi ne tame, kad vienas visiškai nereaguoja su aplinka. Daugeliu atvejų jis reaguoja, tačiau susidaro kitoks oksido sluoksnis – plonas, tankus ir gerai prie paviršiaus prigludęs.

Ryškiausias pavyzdys yra aliuminis. Susilietęs su oru, jis labai greitai pasidengia aliuminio oksidu. Šis sluoksnis yra vos kelių nanometrų storio, tačiau veiksmingai uždaro kelią tolesnei reakcijai. Jei paviršius šiek tiek pažeidžiamas, oksidas gali vėl susidaryti. Toks gebėjimas savaime atkurti apsaugą vadinamas pasyvacija.

Panašiai elgiasi ir chromas. Būtent dėl jo nerūdijantis plienas tampa atsparus korozijai. Kai pliene yra pakankamai chromo, dažniausiai ne mažiau kaip apie 10,5 procento, paviršiuje susiformuoja itin plona chromo oksido plėvelė. Ji akimi beveik nematoma, bet neleidžia vandeniui ir deguoniui lengvai pasiekti gilesnių metalo sluoksnių.

Svarbu tai, kad nerūdijantis plienas nėra visiškai „nepažeidžiamas“. Jei paviršius subraižomas, apsauginis sluoksnis dažnai atsikuria, tačiau tam reikia deguonies. Uždaroje, nešvarioje, drėgnoje ar chemiškai agresyvioje aplinkoje pasyvacija gali veikti prasčiau.

Nerūdijantis plienas taip pat turi ribas

Virtuvės kriauklė, medicinos įrankis ar lauko turėklas gali būti pagaminti iš nerūdijančio plieno, tačiau tai dar nereiškia, kad jų paviršiuje niekada neatsiras dėmių. Skirtingos nerūdijančio plieno rūšys turi nevienodą sudėtį ir skirtingą atsparumą.

Chromas suteikia pagrindinę apsaugą, o nikelis padeda išlaikyti tam tikrą struktūrą ir atsparumą. Kai kuriuose lydiniuose naudojamas molibdenas – jis ypač svarbus aplinkoje, kur gausu chloridų, pavyzdžiui, prie jūros ar ant žiemą druska barstomų kelių. Vis dėlto net ir toks plienas gali patirti taškinę koroziją: paviršiuje atsiranda mažų duobučių, kurios iš pradžių atrodo beveik nepastebimos, tačiau gali gilėti.

Koroziją taip pat skatina geležies dalelės. Jei nerūdijančio plieno paviršius valomas įrankiu, kuris anksčiau naudotas paprastam plienui, ant jo gali likti mikroskopinių geležies likučių. Šie ima rūdyti ir sukuria įspūdį, kad rūdija pats nerūdijantis plienas. Panašiai pavojingi gali būti druskos likučiai, rūgštūs valikliai, chloras ir ilgai paviršiuje užsilaikanti drėgmė.

Todėl atsparus metalas nėra tas pats, kas absoliučiai atsparus bet kokioms sąlygoms. Jo ilgaamžiškumą lemia lydinio sudėtis, paviršiaus būklė, temperatūra, drėgmė ir aplinkoje esančios cheminės medžiagos.

Kodėl auksas ir varis atrodo kitaip

Yra metalų, kurie su aplinka reaguoja daug vangiau nei geležis. Auksas, platina ir kai kurie kiti vadinamieji taurieji metalai sunkiai jungiasi su deguonimi, todėl įprastomis sąlygomis nerūdija taip, kaip geležis. Jų atomai yra mažiau linkę atiduoti elektronus, reikalingus korozijos reakcijai.

Tačiau visiškai nereaguojančių metalų beveik nėra. Auksą gali paveikti tam tikros agresyvios cheminės medžiagos, o platiną – ekstremalios sąlygos. Atsparumas visuomet priklauso nuo aplinkos, o ne tik nuo metalo pavadinimo.

Varis yra tarpinis atvejis. Jis nerūdija rusvomis geležies rūdimis, tačiau laikui bėgant patamsėja ir gali pasidengti žalsva patina. Tai – įvairių vario junginių sluoksnis, susidarantis veikiant orui, drėgmei ir anglies dioksidui. Skirtingai nei geležies rūdys, patina dažnai tampa gana stabili ir gali saugoti gilesnius vario sluoksnius. Dėl šios priežasties seni variniai stogai ar statulos išlieka ilgus dešimtmečius, nors jų spalva smarkiai pasikeičia.

Tad metalo paviršiaus pokytis ne visuomet reiškia, kad jis nyksta. Kartais tai – natūrali apsauginė reakcija. Vienu atveju susidaro trapus sluoksnis, kuris leidžia korozijai skverbtis toliau, kitu – tanki plėvelė, sustabdanti procesą beveik pačioje pradžioje. Būtent ši nematoma chemija lemia, ar metalinė detalė po daugelio metų taps trapi, ar tik įgis kitą atspalvį.