Koroze

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Proces Koroze je samovolný, postupný proces rozrušování nebo znehodnocování materiálu v důsledku jeho chemické nebo elektrochemické reakce s okolním prostředím. Ačkoliv je tento termín nejčastěji spojován s kovy (například rezivění železa a oceli), koroze může postihovat i jiné materiály, jako jsou keramika, plasty nebo beton. Jedná se o přirozený proces, při kterém se kov snaží vrátit do své termodynamicky stabilnější formy, obvykle do podoby oxidu, hydroxidu nebo sulfidu, ze které byl původně vyroben.

Koroze představuje významný technický i ekonomický problém, který způsobuje obrovské škody na infrastruktuře, dopravních prostředcích, průmyslových zařízeních a historických památkách. Odhaduje se, že náklady spojené s korozí a protikorozní ochranou dosahují v průmyslově vyspělých zemích 3 až 5 % jejich hrubého domácího produktu (HDP).

⚛️ Pro laiky

Představte si, že kov, jako je železo, je v nepřirozeném, "nabitém" stavu, podobně jako natažená pružina. Tento stav získal během výroby v peci, kde do něj byla vložena spousta energie. Jakmile je tento kov vystaven vzduchu a vlhkosti, snaží se této energie zbavit a vrátit se do svého původního, klidového stavu, kterým je ruda – tedy v podstatě kámen smíchaný s kyslíkem. Tento proces "relaxace" kovu je to, co vidíme jako korozi neboli rezivění.

Je to jako když necháte na dešti venku úplně novou železnou tyč. Voda a kyslík ze vzduchu začnou s povrchem tyče reagovat a postupně ji přeměňovat na hnědočervený prášek – rez. Rez už nemá pevnost původního kovu a snadno se odrolí, čímž se odhalí další vrstva železa, která může začít rezivět. Bez ochrany, jako je nátěr nebo pozinkování, by se celá tyč časem proměnila v hromádku rzi. Koroze je tedy v podstatě snaha materiálu vrátit se do své nejpřirozenější a nejstabilnější podoby.

🔬 Chemická podstata

Z chemického hlediska je koroze kovů nejčastěji elektrochemický proces. Aby mohla probíhat, jsou zapotřebí tři základní složky, které tvoří takzvaný korozní článek: anoda, katoda a elektrolyt.

Anoda je místo na povrchu kovu, kde dochází k oxidaci. Atomy kovu zde ztrácejí elektrony a přecházejí do roztoku ve formě kladně nabitých iontů. U železa tento proces vypadá takto: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Toto místo je postupně rozrušováno.
Katoda je místo, kde dochází k redukci. Elektrony uvolněné na anodě putují kovem na katodu, kde reagují s nějakou látkou z okolního prostředí. V neutrálním nebo zásaditém prostředí s přístupem vzduchu je touto látkou obvykle kyslík: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻.
Elektrolyt je vodivý roztok, který umožňuje pohyb iontů mezi anodou a katodou a uzavírá tak elektrický obvod. V běžných podmínkách je tímto elektrolytem voda obsahující rozpuštěné soli nebo plyny, například oxid uhličitý.

Vzniklé železnaté ionty (Fe²⁺) a hydroxidové ionty (OH⁻) pak dále reagují za vzniku hydroxidu železnatého (Fe(OH)₂), který je za přítomnosti kyslíku dále oxidován na hydratovaný oxid železitý (Fe₂O₃·nH₂O), což je hlavní složka rzi. Přítomnost solí, například chloridu sodného (kuchyňská sůl) v zimním posypu silnic nebo v mořské vodě, výrazně zvyšuje vodivost elektrolytu a tím dramaticky urychluje korozní proces.

⚙️ Typy koroze

Koroze se neprojevuje vždy stejně. Podle vzhledu napadeného povrchu a mechanismu vzniku se rozlišuje několik základních typů:

Plošná (rovnoměrná) koroze: Materiál je napadán víceméně rovnoměrně po celém povrchu. Úbytek materiálu je snadno předvídatelný a měřitelný. Příkladem je rezivění ocelových plechů vystavených povětrnostním vlivům.
Důlková (pittingová) koroze: Jedná se o velmi nebezpečný typ lokalizované koroze, kdy dochází k tvorbě malých, ale hlubokých důlků. Často postihuje pasivované kovy, jako je nerezová ocel nebo hliník, v prostředí obsahujícím chloridy. Může vést k perforaci materiálu bez viditelného poškození zbytku povrchu.
Štěrbinová koroze: Vzniká v úzkých štěrbinách a spárách (např. pod hlavami šroubů, v závitech), kde je omezen přístup kyslíku. Vnitřek štěrbiny se stává anodou a okolní povrch katodou, což vede k rychlému rozrušení materiálu uvnitř spáry.
Galvanická koroze: Nastává, když jsou dva různé kovy v elektrickém kontaktu v přítomnosti elektrolytu. Méně ušlechtilý kov (s negativnějším potenciálem) se stává anodou a koroduje rychleji, zatímco ušlechtilejší kov (katoda) je chráněn. Příkladem je spojení ocelového šroubu a měděného plechu.
Mezikrystalová koroze: Koroze postupuje podél hranic zrn v mikrostruktuře kovu. To vede k výraznému snížení mechanické pevnosti a houževnatosti, aniž by na povrchu byly patrné větší změny. Je typická pro některé slitiny, například nerezové oceli po nesprávném tepelném zpracování.
Korozní praskání: Vzniká kombinovaným působením korozního prostředí a mechanického napětí (vnějšího nebo vnitřního). Materiál křehne a praská při napětí mnohem nižším, než je jeho mez kluzu. Je to jedna z nejzávažnějších forem koroze vedoucí k náhlým haváriím.

🌍 Faktory ovlivňující korozi

Rychlost a typ koroze závisí na mnoha faktorech, které se týkají jak samotného materiálu, tak i prostředí, ve kterém se nachází.

Mezi nejdůležitější faktory prostředí patří:

Vlhkost: Přítomnost vody je klíčová pro vznik elektrolytu. Kritická relativní vlhkost, nad kterou koroze železa výrazně zrychluje, je přibližně 60 %.
Teplota: Zvýšení teploty obecně urychluje chemické reakce, a tedy i korozi. Při velmi vysokých teplotách může docházet k tzv. vysokoteplotní korozi (oxidaci), i bez přítomnosti kapalné vody.
Přítomnost solí: Rozpuštěné soli, zejména chloridy (Cl⁻) a sírany (SO₄²⁻), zvyšují vodivost elektrolytu a narušují pasivační vrstvy na kovech, čímž korozi dramaticky urychlují.
pH prostředí: Kyselost nebo zásaditost prostředí má velký vliv. Většina kovů koroduje rychleji v kyselém prostředí. Některé kovy, jako hliník nebo zinek, však korodují i v silně zásaditém prostředí (jsou amfoterní).
Znečištění ovzduší: Plyny jako oxid siřičitý (SO₂) nebo oxidy dusíku (NOx) z průmyslových exhalací reagují se vzdušnou vlhkostí za vzniku kyselin (kyselina sírová, kyselina dusičná), které vedou ke vzniku tzv. kyselých dešťů a zrychlené korozi.

📉 Ekonomický a společenský dopad

Koroze není jen estetický problém, ale především závažná ekonomická a bezpečnostní hrozba. Podle studií organizací jako AMPP (Association for Materials Protection and Performance, dříve NACE International) dosahují celosvětové roční náklady spojené s korozí přibližně 2,5 bilionu amerických dolarů, což odpovídá více než 3 % globálního HDP. Tyto náklady zahrnují nejen přímé výdaje na opravy a výměnu zkorodovaných zařízení, ale i nepřímé náklady, jako jsou ztráty z přerušení výroby, úniky produktů, kontaminace životního prostředí a náklady na preventivní opatření.

Z hlediska bezpečnosti může selhání způsobené korozí vést ke katastrofickým následkům. Historie zná mnoho případů zřícení mostů (např. Silver Bridge v USA v roce 1967), havárií potrubí s únikem nebezpečných látek, nebo leteckých nehod, kde korozní praskání hrálo klíčovou roli. Důsledná kontrola a management koroze jsou proto nezbytnou součástí údržby kritické infrastruktury, jako jsou elektrárny, chemické závody, ropovody a plynovody.

🛡️ Metody protikorozní ochrany

Vzhledem k obrovským škodám existuje celá řada metod, jak materiálům před korozí chránit nebo její postup alespoň zpomalit. Tyto metody lze rozdělit do několika základních skupin:

1. Pasivní ochrana (Vytvoření bariéry): Cílem je fyzicky oddělit chráněný materiál od korozního prostředí.

   *   Nátěry: Nejběžnější metoda, zahrnuje použití organických barev, laků nebo plastových povlaků.
   *   Kovové povlaky: Na povrch základního kovu (obvykle oceli) se nanese vrstva odolnějšího kovu. Příkladem je galvanické zinkování (pozinkování), chromování nebo niklování. Zinkový povlak poskytuje nejen bariérovou, ale i katodickou ochranu.
   *   Anorganické povlaky: Zahrnují smaltování, fosfátování nebo vytváření konverzních vrstev.

2. Aktivní ochrana (Elektrochemická ochrana): Princip spočívá v úpravě elektrochemického potenciálu chráněné konstrukce tak, aby se stala katodou korozního článku.

   *   Katodická ochrana obětovanou anodou: Chráněná ocelová konstrukce (např. trup lodi, podzemní potrubí) se elektricky spojí s blokem méně ušlechtilého kovu (např. zinek, hliník, hořčík). Tento blok funguje jako anoda, přednostně koroduje ("obětuje se") a chrání tak ocelovou konstrukci.
   *   Katodická ochrana vnějším zdrojem: Chráněná konstrukce je připojena k zápornému pólu zdroje stejnosměrného proudu, zatímco kladný pól je připojen k pomocné, inertní anodě (např. z grafitu).

3. Inhibitory koroze: Jsou to chemické látky, které se v malém množství přidávají do korozního prostředí (např. do chladicích okruhů, kotlů), kde zpomalují korozní reakce tím, že na povrchu kovu vytvářejí ochranný film.

4. Volba vhodného materiálu: Nejjednodušší, i když často nejdražší metodou, je použití materiálu, který je v daném prostředí přirozeně korozivzdorný. Typickým příkladem je použití nerezových ocelí, slitin hliníku, titanu nebo plastů.

🏗️ Koroze ve stavebnictví

Ve stavebnictví je koroze zásadním problémem, který ohrožuje životnost a bezpečnost konstrukcí. Největší pozornost je věnována korozi ocelové výztuže v železobetonu. Beton za normálních okolností poskytuje výztuži díky své vysoké zásaditosti (pH > 12,5) vynikající ochranu – na povrchu oceli se vytvoří pasivní vrstva. Tato ochrana však může být narušena dvěma hlavními mechanismy:

Karbonatace: Oxid uhličitý ze vzduchu proniká do betonu a reaguje s hydroxidem vápenatým, čímž snižuje jeho pH. Jakmile fronta karbonatace dosáhne povrchu výztuže, pasivní vrstva se naruší a ocel začne korodovat.
Působení chloridů: Chloridové ionty (např. z posypových solí nebo mořské vody) pronikají betonem a i při vysokém pH lokálně narušují pasivní vrstvu, což vede k nebezpečné důlkové korozi.

Koroze výztuže vede ke vzniku objemných korozních produktů (rez), které vyvolávají vnitřní pnutí v betonu. To způsobuje praskání a postupné odpadávání krycí vrstvy betonu, odhalení výztuže a další akceleraci koroze, což může vést až k celkovému selhání konstrukce. Proto je klíčová dostatečná tloušťka a kvalita krycí vrstvy betonu.

💡 Moderní trendy a výzkum

Výzkum v oblasti koroze se neustále vyvíjí a zaměřuje se na nové, inteligentnější a ekologičtější metody ochrany. Mezi aktuální trendy k roku 2025 patří:

Chytré povlaky (Smart Coatings): Jedná se o nátěry, které dokáží aktivně reagovat na změny v prostředí. Mohou například obsahovat mikrokapsle s inhibitory koroze, které se uvolní až v momentě, kdy dojde k mechanickému poškození nátěru a vzniku trhliny. Tím se povlak sám "zahojí".
Využití nanomateriálů: Přidávání nanomateriálů, jako je grafen nebo nanočástice oxidů kovů (např. ZnO, TiO₂), do ochranných povlaků výrazně zlepšuje jejich bariérové vlastnosti, odolnost proti otěru a UV záření.
Pokročilé monitorovací systémy: Vývoj senzorů, které lze integrovat přímo do konstrukcí (např. do betonu nebo na potrubí) a které umožňují v reálném čase sledovat rychlost koroze. To umožňuje přechod od plánované údržby k údržbě založené na skutečném stavu (condition-based maintenance).
Ekologické inhibitory: Vzhledem k toxicitě některých tradičních inhibitorů (např. na bázi chromanů) probíhá intenzivní výzkum "zelených" inhibitorů získávaných z rostlinných extraktů, které jsou biologicky odbouratelné a šetrné k životnímu prostředí.

Zdroje