Окисление под хлорным «наркозом»

Коррозия железа под действием гидроксил-иона –ОН (желтый шар) и разных концентраций хлора; оранжевый пунктир – исходное положение атомов железа (самые большие розовые кружки); смещение атома железа указано в ангстремах. Иллюстрация Physorg

Слово «коррозия» переводится с латыни как «откусывание» или даже «пережевывание». Оно также близко по смыслу к тому, что называется эрозией почв, например. Недаром с древних времен все металлы и сплавы по отношению к коррозии делили на благородные и неблагородные (не золото и не серебро), хотя бронза тоже могла сохраняться в земле тысячелетиями. Доисторические времена часто называют медным веком, который сменился бронзовым, а затем и железным.

Железо и сталь быстро съедала ржа, про которую писал легендарный Левша, призывавший не чистить ружья кирпичом. Но проблема коррозии железного и стального оружия (сотни тысяч пушечных стволов и палашей) не идет ни в какое сравнение с теми масштабами коррозионных проблем, которые возникли с началом автомобилестроения. Производители авто столкнулись с проблемой защиты десятков и сотен миллионов днищ, порожков и крыльев.

Главными врагами атомов железа, легко отдающих электроны, благодаря чему мы дышим и генерируем в клетках энергию (железо присутствует в гемоглобине красных кровяных телец и ферментах переноса электронов по дыхательным цепям), являются агрессивный кислород и хлор. В отличие от железа они находятся в верхнем правом углу таблицы Менделеева, и это их положение означает, что они крайне электроотрицательны. Другими словами, они активно отнимают электроны, окисляя тем самым свое окружение, а сами восстанавливаются.

Жители и автолюбители благословенной, казалось бы, в этом смысле Калифорнии также сталкиваются с коррозией, особенно зимой, когда с океана идет солоноватая мга. Неудивительно, что сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего, что на берегу океана, задались вопросом воздействия кислорода и хлора на сталь, которая максимально используется сегодня как основной конструктивный металл во всем мире.

Вместе с коллегами из Техасского компьютерного центра они создали детальные модели коррозии атомов железа в структуре сталей. Статья об этой работе опубликована в приложении у журналу Nature – Nature Materials Degradation. Она называется «Термодинамическая оценка 4-стадийного механизма депассивации, вызванной хлором». В качестве основы, избранной для компьютерного моделирования процессов коррозии, была взята теория функциональной плотности (DFT – Density Functional Theory).

Ученые моделировали взаимодействие атомов пассивных двумерных пленок железа с гидроксил-ионом –OH, определяющим щелочность растворов (например, NaOH и KOH), и хлора – одного или в сочетании с –ОН. В результате образовывались соединения пограничных атомов: Fe (OH) и Fe (OH)2Cl, Fe (OH) Cl2 и FeCl3. Действие электроотрицательных хлора и кислорода проявлялось в «оттягивании» на себя этих атомов, которые поднимались над плоскостью своего исходного положения.

Теория DFT позволила оценить не только структурное воздействие атомов кислорода и хлора, но и изменение магнитных и электронных свойств вовлеченных в процесс элементов, учитывающее динамику молекул и их составных частей в наномасштабе. Тем самым была создана точная модель разрушения (деградации) пассивных пленок железа под действием хлора.

Авторы, которым помогали также ученые Орегонского университета, полагают, что им с помощью компьютеров удалось смоделировать реальную проблему, с которой постоянно сталкиваются промышленность и повседневная практика на всех уровнях.