Степан Афанасьевич Балезин (1904-1982)

а) обладать высокими защитными свойствами, значительно большими, чем ингибиторы травления;

б) сохранять эффективность действия в условиях перепада температур в пределах данных климатических условий;

в) не коагулировать (не стареть) длительное время;

г) сохранять физико-химические свойства металлов, не охрупчивать их, предохранять от коррозионного растрескивания, а также не ухудшать их механических свойств.

Ингибиторы для защиты металлов от коррозии в воде и в нейтральных растворах должны:

а) обладать высокой эффективностью при низких их концентрациях (от 0,01 до 0,001 %);

б) сохранять эффективность при перепадах температур;

в) сохранять эффективность при движении (в потоке) жидкости.

С. А. Балезин сформулировал общие требования и к ингибиторам атмосферной коррозии. Эти ингибиторы должны:

а) строго отвечать санитарно-гигиеническим нормам и не иметь неприятного запаха;

б) иметь высокую устойчивость по отношению к окислителям;

в) обладать устойчивостью при перепадах температур;

г) моментально действовать при введении в коррозионную среду;

д) обладать определенным максимумом защитного действия при минимальной концентрации ингибитора:

е) вырабатываться из дешевого и доступного сырья;

ж) обладать технологичностью применения;

з) обладать определенной летучестью или «ползучестью»;

и) защищать черные или цветные металлы порознь и в их сочетаниях;

к) не изменять ингибирующих свойств при повышении влажности воздуха;

л) быть термически устойчивыми;

м) сохранять «товарный» вид изделия.

Эти основные требования ограничивают количество веществ, применяемых в промышленности в качестве ингибиторов коррозии (2—3 десятка из более чем 3000 веществ, предложенных в настоящее время на роль ингибиторов коррозии металлов).

Однако С. А. Балезин не забывал напоминать своим коллегам, что перечисленные ограничения в ряде случаев могут иметь временный характер. Так, он не ограничивал работы по поиску ингибиторов среди «экзотических» веществ, «... ибо то, что является сегодня „экзотикой", со временем может стать продуктом массового производства».

Поиск и разработка методов исследования защитного действия ингибиторов коррозии металлов

Для того чтобы найти наиболее универсальные и эффективные для каждого конкретного случая средства защиты металлоизделий, необходимо глубоко понять сущность и механизмы протекания коррозионных процессов и методы воздействия на них. Именно поэтому с самого начала постановки научных работ на кафедре общей и аналитической химии МГПИ им. В. И. Ленина профессор С. А. Балезин особое внимание уделял выбору наиболее современных и информативных методов исследования.

Впервые обзор методов коррозионных исследований в нашей стране был сделан в 1945 г. Г. В. Акимовым. Затем появились работы Г. Улига и Ф. Чампиона, а в 1958 г. под редакцией С. А. Балезина был опубликован сборник работ, посвященный методам исследования ингибиторов коррозии. В нем была дана первая классификация методов исследования процессов ингибирования и сформулированы задачи, которые должны решаться с их помощью [454].

Коллектив кафедры С. А. Балезина. 1959 г.

Трудно себе представить, чтобы в исследовании многокомпонентных коррозионных систем с большим числом переменных любой, даже самый совершенный, метод, взятый в отдельности, смог дать достаточно полную картину явления. Именно поэтому С. А. Балезин, И. Н. Путилова и В. П. Баранник в книге «Ингибиторы коррозии металлов» высказали мнение о том, что вряд ли следует стремиться к созданию универсальных методов исследования ингибиторов коррозии. При выборе методов исследования С. А. Балезин всегда требовал от своих сотрудников четкой постановки задачи и ясного понимания, на какие вопросы может дать ответ тот или иной прибор, тот или иной эксперимент.

В то же время С. А. Балезин напоминал о необходимости осторожно интерпретировать экспериментальные данные. Так, при обсуждении разультатов исследования сорбируемости ингибиторов коррозии на ртутном капельном электроде ученый неоднократно напоминал предупреждение академика А. Н. Фрумкина о том, что перенос данных, полученных на ртути, на другие металлы должен производиться с большой осторожностью хотя бы потому, что, выражаясь языком коллоидной химии, железо гораздо более гидрофильно, чем другие металлы, а ртуть наиболее гпдрофобна.

Будучи большим знатоком истории химии, Степан Афанасьевич часто на конкретных исторических примерах обсуждал с сотрудниками характерные ошибки, допускавшиеся различными исследователями, в том числе и в оценках эффективности ингибиторов. Он часто напоминал о примере работы Лефевра и Ле- Буше, ингибировавших раствор хлорной кислоты октадециламином: лабораторные и полупромышленные испытания, проведенные без учета расходования кислорода, содержащегося в системе, показали десятикратное завышение эффективности ингибитора по сравнению с реальными условиями промышленных установок.

Но особенно горячо выступал С. А. Балезин против слепого следования предвзятым и традиционным мнениям в трактовке экспериментальных результатов. Так, на определенном этапе многие исследователи однозначно связывали защитное действие ингибиторов

С их сорбируемостыо на металлах. Сам ученый высоко ценил выполненную в 1948 г. совместно с В. С. Кемхадзе работу [46], где на примере альдегидов впервые было показано, что не всегда, даже в рамках одного гомологического ряда, увеличение сорбируемости веществ ведет к усилению защитного действия. Сорбируемость ингибиторов на границе раздела фаз металл—коррозионная среда С. А. Балезин всегда считал условием необходимым, но недостаточным для защиты металлов.

Неудивительно, что методы исследования, использовавшиеся в разное время в лаборатории ингибиторов коррозии МГПИ им. В. И. Ленина, постоянно расширялись и совершенствовались. Начав с традиционных гравиметрических и волюмометрических исследований, сотрудники С. А. Балезина взяли на вооружение методы изучения адсорбционных процессов: от модификаций исторически известного метода хроматографии па колонках М. С. Цвета до широкого спектра электрохимических измерений. Они освоили методы изучения диффузии водорода в металлы, методы рентгеноструктурного и электронографического анализа продуктов коррозии, современные методы концентратометрии — спектрофотометрию, полярографию, радиоизотопный метод, газовую хроматографию. Сотрудники лаборатории создали оригинальные приборы для изучения коррозии и защиты металлов в потоках агрессивных сред.

Во многом приоритетный характер носили проводившиеся в 60-х годах в лаборатории МГПИ им. В. И. Ленина исследования электрохимических процессов на оксидах железа. Методики этих экспериментов разрабатывались Н. И. Подобаевым, Л. Б. Лайхтером, Н. Г. Ключниковым.

Рассказ о применявшихся в лаборатории С. А. Балезина методах исследования коррозии и защиты металлов был бы неполным, если бы мы не вспомнили, какое большое внимание уделялось промышленным испытаниям различных средств защиты металлов. При активном личном участии С. А. Балезина по стране создавалась сеть натурных испытательных площадок в различных климатических зонах, обсуждался вопрос о корреляции результатов ускоренных лабораторных и натурных коррозионных испытаний.

Совместно с Н. Л. Шапиро разрабатывались методы испытаний средств защиты шахтного оборудовация [226]. Вместе с Н. И. Подобаевым, Ф. Б. Гликиной, Н. И. Шадриной, И. И. Супоницкой, Н. Л. Харьковской, Н. А. Бычковой и сотрудниками завода «Котлоочистка» в содружестве с проф. П. А. Акользиным С. А. Балезин разрабатывал методы определения эффективности ингибиторов для нужд теплоэнергетики. Црограмму промышленных испытаний ингибиторов кислотного травления сталей С. А. Балезин обсуждал с Д. О. Гринбергом, И. А. Подольным, Я. Н. Липкицым и многими представителями металлургических производств [413]. Для этой цели он неоднократно выезжал на заводы Челябинска, Запорожья, Череповца. Эффективность ингибиторов для межоперационцой защиты и методы ее оценки С. А. Балезин исследовал со своим другом и коллегой С. А. Гинцбергом.

Пожалуй, впервые в отечественной практике в лаборатории МГПИ им. В. И. Ленина были разработаны методы испытаний и оценки эффективности снимаемых антикоррозионных покрытий для изделий из черных и цветных металлов. В этой работе принимали непосредственное участие Л. Б. Лайхтер, Э. Г. Зак, Е. 3. Земскова, Т. Г. Малашенко, Л. Ф. Горин и многие другие. Следует сказать, что сотрудники лаборатории МГПИ им. В. И. Ленина не ограничили поиск ингибиторов коррозии только списком известных химических соединений. Новые ингибиторы были синтезированы при участии Н. И. Подобаева, А. Г. Воскресенского, Г. Ф. Семиколенова, Е. С. Иванова, В. Н. Долинкина. Многие из них были защищены авторскими свидетельствами.

Одним из очень важных критериев, определяющих возможность использования ингибиторов в промышленности, является степень их токсичности для организма человека. На этих данных основываются правила техники безопасности, которые необходимо соблюдать при работе с ингибиторами.

Вопросами токсикологии ингибиторов С. А. Балезин начал заниматься еще в начале 60-х годов. Он возглавил научную группу, которая на базе лаборатории кафедры физиологии человека и животных МГПИ им. В. И. Ленина в течение ряда лет проводила изучение влияния ингибиторов на организм теплокровных животных [229, 230, 280, 286, 315, 321, 349]. Эти работы имели большое значение, так как в то время не было еще организовано специальной службы. Сей-

час вопросам токсикологии ингибиторов в нашей стране придается важное значение. Определены несколько организаций в стране, которые устанавливают степень токсичности ингибиторов коррозии. Ни один ингибитор не допускается к промышленному выпуску, пока не определена степень его токсичности и соответственно класс опасности согласно ГОСТ 12.1.007—76.

Какими бы работами ни занимался С. А. Балезин, он никогда не упускал из виду важную проблему влияния коррозионных процессов и средств защиты металлов на окружающую среду. Одна из его последних работ так и называлась: «Коррозия металлов и охрана окружающей среды» [423].

Исследование коррозии и защиты металлов в водных растворах кислот

Исследование коррозионных процессов и поиски методов борьбы с ними были начаты на кафедре с изучения кислых сред. В ходе работы систематически изучалась кинетика растворения железа, азотированной стали, углеродистых и легированных сталей, меди в неорганических и органических кислотах в зависимости от температуры, давления, концентрации кислот, скорости циркуляции растворов, предварительной термической и механической обработки и т. д. Было показано, что скорость растворения углеродистых сталей с изменением концентрации раствора серной и соляной кислот меняется неодинаково. В серной кислоте по мере увеличения ее концентрации скорость растет, достигая максимума при концентрациях 6—7 моль/л. Выше этих концентраций она резко уменьшается, и при концентрации кислоты 8,5 моль/л сталь пассивируется. В соляной кислоте с увеличением концентрации раствора скорость растворения стали возрастает непрерывно, сначала медленно (в пределах концентраций раствора от 0,01 до 4 моль/л), а затем быстрее — при более высоких концентрациях.

В растворах соляной, серной (до 7 моль/л) и уксусной кислот скорость коррозии (р) линейно возрастает с увеличением активности кислоты (a): ρ = К an, где К и n — константы. Константа п характеризует природу кислоты. Для серной кислоты значение n = 0,67, для соляной — 0,85, для уксусной — 0,33. Величина константы К зависит от природы кислоты и от состава стали. При растворений сталей в серной кислоте коэффициент К растет с увеличением содержания углерода в стали от 25,39 до 53,5, в соляной кислоте — в пределах 1,88—4,59, в уксусной — соответственно от 1,08 до 1,93. Сильно влияет на скорость растворения стали повышение температуры. Так, в растворах соляной кислоты при повышении температуры на 10° скорость коррозии увеличивается в 2—3 раза. Исследования показали, что скорость растворения углеродистых сталей в растворах одной концентрации серной, соляной и уксусной кислот возрастает непрерывно с повышением содержания углерода в стали.

Перемешивание раствора при вращении стального образца также отражается на скорости растворения последнего. В деаэрированных растворах кислот облегчается отрыв пузырьков водорода и тем самым снижается их экранирующее действие. В аэрированных растворах перемешивание раствора способствует процессу кислородной деполяризации. Кислород в кислых средах оказывает стимулирующее действие на коррозию стали. С повышением концентрации кислоты растворимость кислорода снижается. Уменьшается и его долевое участие в катодной реакции.

В деаэрированных растворах кислот, особенно соляной, при низких концентрациях влияние потока на скорость коррозии выражено слабо. Кривые зависимости скорости коррозии стали от скорости потока деаэрированной соляной кислоты (5 моль/л) проходят через максимум; аналогичен и ход кривых в опытах с аэрированным пятимолярным раствором кислоты, правда, кривые при этом сдвинуты в область более высоких значений скорости коррозии.

Перечисленные выше исследования явились ступенью в поиске методов защиты металла в кислых средах.

Как уже говорилось, в 1946 г. С. А. Балезин, И. П. Путилова и В. П. Баранник были удостоены Государственной премии СССР за разработку ингибиторов коррозии и создание химических способов очистки оружия от ржавчины. Их первые ингибиторы кислотной коррозии — «уникол» марки мн, мн-2, мн-3, мн-10 — были применены для замедления коррозии черных металлов при травлении их в серной кислоте, а «уникол» марки ПБ, ПБ-3, ПБ-4 и ПБ-5 — в соляной кислоте.

Ингибитор ПБ-5 является продуктом конденсации уротропина и анилина. Он сразу же начал служить присадкой к концентрированной соляной кислоте, транспортируемой в стальных цистернах, обеспечивая почти полную защиту корпуса цистерны от коррозии. Таким образом была решена очень важная проблема перевозки соляной кислоты. Ингибитор ПБ-5 успешно применяется и сейчас при стравливании соляной кислотой окалины и ржавчины с черных металлов, накипей с внутренних поверхностей паровых котлов, а также для защиты оборудования нефтяных скважин при закачке в нефтеносные карбонатные пласты соляной кислоты, которая, растворяя карбонаты, увеличивает приток нефти.

В 1947 г. С. А. Балезин и С. Д. Бесков систематизировали литературные данные о веществах, тормозящих коррозию черных металлов в кислотах [31]. В то время было известно около 90 веществ, проявляющих высокое защитное действие (>80%) при коррозии сталей в соляной и серной кислотах (ацетилен, азотсодержащие соединения, некоторые соединения, содержащие гетероатомы серы и азота, и др.). Позднее в поисках новых эффективных ингибиторов для процессов травления сталей в соляной кислоте В. Н. Долинкин и С. А. Балезин исследовали возможность применения для этой цели высших пиридиновых оснований. На их основе был разработан промышленный синтез ингибиторов серии «И» [251, 252, 261, 268].

Ингибитор И-IA замедляет коррозию не только углеродистых сталей в соляной кислоте, но и нержавеющих сталей, несколько уменьшает коррозию меди, латуни. Высокое тормозящее действие ингибитор оказывает на коррозию цинка и алюминия. Он также эффективно защищает от коррозии углеродистую и нержавеющую сталь в серной кислоте.

Ингибитор И-IB был внедрен на ярославском заводе «Свободный труд» и в настоящее время нашел широкое применение в различных областях техники.

На основе пиридина и алкиларилхлоридов В. И. Комаров и С. А. Балезин разработали ингибитор катапин (додецилбензилпиридинийхлорид) — высокоэффективный ингибитор коррозии стали в кислотах. Исследования электрохимическими методами показали его электростатическую и специфическую адсорбцию на металле. Ингибитор тормозит оба электродных процесса, но преимущественно катодный.

Катапин — один из наиболее эффективных ингибиторов коррозии стали в соляной, серной, сероводородной и органических кислотах при температуре до 100°. Смеси ингибиторов на основе катапина эффективны и при температуре до 170°. К тому же катапин обладает высокой поверхностной активностью, что делает его незаменимым поверхностно-активным веществом, способствующим вытеснению нефти из обводненных пластов.

Исследования показали, что катапин при концентрации >20 % подвергается гидролизу с образованием нерастворимого спирта и пиридина и его защитное действие в течение первых суток резко снижается. В связи с этим С. А. Балезин, Н. И. Подобаев и В. В. Васильев исследовали зависимости устойчивости и защитного действия солей четвертичных аммониевых оснований в соляной и серной кислотах от их строения.

На основе пиридина был синтезирован еще целый ряд соединений, отличающихся длиной углеродной цепи, строением и количеством радикалов, положением азота в молекуле (в цикле и в алифатической цепи). Исследование защитного действия таких веществ по отношению к стали-10, проведенное в растворах НСl и H₂SO₄ с концентрацией 4 моль/л в широком интервале температур, показало, что алкилбензилпиридинийхлориды в значительной мере превосходят по эффективности аналогичные алкилпиридинийхлориды.

Радикал С2Н5-, введенный в бензольное кольцо, резко повышает защитное действие. Удлинение алкильного радикала влечет за собой снижение поверхностного натяжения раствора алкилбензилпиридинийхлорида в кислоте, но не повышает защитного действия. Соединения с нормальным строением радикала менее эффективны как ингибиторы, чем соединения с радикалом изостроения. Увеличение числа алкильных радикалов в бензольном ядре алкилбензилпиридинийхлоридов снижает их защитное действие при повышенных температурах. Выдвижение азота из цикла в алифатическую цепь влечет за собой заметное снижение защитного действия при повышенных температурах в соляной кислоте и некоторое повышение в серной кислоте,

Исследования показали, что алкилбензилпиридинийхлориды относятся к ингибиторам смешанного, преимущественно катодного, действия. Они адсорбируются на стали из раствора соляной кислоты специфически и удерживаются на поверхности в широкой области потенциалов. Катапин и особенно композиции на его основе нашли широкое применение в теплоэнергетике, в нефтедобыче, в травлении металлов.

Взяв за основу продукты конденсации уротропина, группа сотрудников (А. Г. Воскресенский, Г. Ф. Семиколенов и др.) под руководством С. А. Балезина и Н. И. Подобаева разработала серию ингибиторов «ПКУ», эффективных как при кислотном травлении сталей, так и при химической очистке теплоэнергетического оборудования [289]. Промышленностью в настоящее время выпускается ингибитор ПКУ-Э, эффективный во всех кислотах, в том числе в присутствии злейшего врага черных металлов — сероводорода. Ингибитор отличается стабильностью, высоким защитным действием, сохраняющимся и при высоких температурах. В интервале от 20 до 100° он превосходит по эффективности большинство отечественных ингибиторов. Так, в соляной кислоте его защитное действие для стали в 1,5—2 раза выше, чем ингибитора БА-6; он также тормозит растворение цинка и алюминия.

Синтез промышленно пригодных ингибиторов не может быть успешным, если он не опирается на достоверно установленные закономерности связи между химическим составом органических веществ, их строением, с одной стороны, и их защитным действием — с другой. Только на основе таких данных поиск ингибиторов может быть целенаправленным. Именно поэтому С. А. Балезин всегда уделял серьезное внимание систематическому изучению зависимости защитного действия различных классов органических соединений от их строения.

В качестве примера можно привести ранние работы, выполненные С. А. Балезиным совместно с С. К. Новиковым и В. С. Кемхадзе. Они изучали защитное действие альдегидов жирного и ароматического рядов при травлении стали-20 в серной и соляной кислотах [28, 48, 46]. В процессе исследований выяснилось, что защитное действие этих альдегидов с увеличением молекулярной массы снижается.

Исторически сложилось так, что одними из первых исследованных ингибиторов коррозии были азотсодержащие органические соединения. Основываясь на сходстве химических свойств соединений элементов, принадлежащих к одной подгруппе периодической системы Д. И. Менделеева, С. А. Балезин высказал предположение об ингибирующих свойствах аналогичных фосфорорганических соединений. Эта гипотеза нашла свое полное подтверждение в работах, выполненных им совместно с М. А. Игнатьевой [89, 92], а позднее с Т. К. Атанасян и Е. С. Ивановым [389, 397, 408]. Исследованию были подвергнуты четвертичные соли фосфония. Высокое защитное действие в растворах серной кислоты показали добавки всего лишь 5 • 10-4 моль/л фосфониевых солей (ФС). Было обнаружено, что защита рядовых сталей в таких средах во многом зависит от наличия в последних растворенного кислорода, стимулирующего разрушение металла. Снижение защитного действия ФС в присутствии кислорода можно объяснить тем, что в приэлектродном слое происходит взаимодействие кислорода с фосфониевой солью. В результате этого, по-видимому, образуются продукты, которые являются менее аффективными ингибиторами. Более слабые ингибирующие свойства полученных продуктов окислительно-восстановительной реакции обусловливают в целом более низкие ингибирующие эффекты в аэрируемой кислоте (по сравнению с деаэрируемой).

Фосфониевые соли тормозят коррозионный процесс как по энергетическому, так и по блокировочному механизму. В области малых концентраций ФС реализуется преимущественно энергетический механизм, в области больших (>10-4 моль/л) —блокировочный механизм торможения.

Изучив влияние заместителей в бензольном кольце на распределение электронной плотности у атома фосфора, авторы показали, что защитное действие фосфониевых солей зависит от полярных свойств заместителей, характеризуемых константой Гаммета. Для трифеииларилфосфониевых солей с увеличением электроакцепторных свойств заместителя эффективность четвертичных фосфониевых солей как ингибиторов кислотной коррозии возрастает. В этом случае с усилением донорно-акцепторного взаимодействия между фосфором и азотом возможен также эффект упрочнения ионной связи в молекуле ФС. Увеличение электроноакцепторных свойств заместителей приводит к смещению электронной плотности заместителя через сопряженную р—я систему бензольного кольца и к возрастанию положительного заряда на атоме фосфора. Максимальное защитное действие наблюдается при введении сильного электроноакцепторного заместителя нигрогруппы — NO₂ в бензольное кольцо четвертичных фосфониевых солей. Позднее С. А. Балезин с сотрудниками доказали наличие ингибирующих свойств у органических соединений, содержащих в своем составе два других элемента пятой группы — мышьяк и сурьму.

Для того чтобы данные лабораторных исследований лучше проецировались на реальные производственные процессы, С. А. Балезин стремился собрать исчерпывающие сведения о влиянии самых различных факторов на коррозию и защиту металлов. Систематическому изучению подверглась кинетика травления в кислотах сталей с различным содержанием углерода и легирующих элементов, изучалось влияние на этот процесс концентрации кислоты, ингибитора и накапливающихся в растворе продуктов травления. Специальные исследования были посвящены анализу влияния температуры травильных растворов, давления в коррозионных системах, скорости потока коррозионной среды.

С. А. Балезин часто становился инициатором проведения многофакторного химического эксперимента, активно участвуя в его планировании и обсуждении результатов. И каждая такая работа вносила свой вклад в теорию защиты металлов. Так, при исследовании влияния скорости потока кислот на защитное действие замедлителей коррозии, в частности уротропина, триэтаноламина, иодида калия, катапина и других, было показано, что защитные свойства ингибиторов существенно зависят от скорости потока коррозионной среды. Обнаружилось, что ингибиторы кислотной коррозии в потоке тормозят процесс кислородной деполяризации.

Исследовалось влияние давления газа над серной кислотой в присутствии замедлителей и стимуляторов. Оказалось, что скорость растворения стали в серной кислоте при остаточном давлении 2 кПа почти в 2 раза меньше, чем при нормальном давлении. В такой кислоте растворенного кислорода очень мало и его роль в растворении стали крайне ничтожна. С понижением давления скорость образования пузырьков водорода, которая в какой-то мере определяет скорость процесса растворения, сильно возрастает. При наблюдении за процессом растворения стали при 2 кПа создается обманчивое впечатление крайне бурного выделения водорода (раствор «кипит»). Этот газовый слой экранирует поверхность металла от воздействия кислоты. При пониженном давлении в присутствии тиодигликоля скорость растворения стали почти не уменьшается. Эффект замедления возрастает с повышением давления. И наоборот, стимулирующее действие паранитроанилина уменьшается с повышением давления.

С. А. Балезин, Н. И. Подобаев и Ф. К. Курбанов провели систематическое исследование поведения углеродистых сталей в соляной кислоте при высоких температурах и давлениях, в том числе с применением ингибиторов коррозии [194, 195, 212, 218, 219]. Была показана зависимость скорости растворения стали в соляной кислоте от температуры при постоянном давлении: при температуре до 153° эта зависимость подчиняется тем же закономерностям, что и при температуре до 100°. Приближенно это можно описать следующим уравнением:

ρ = А_е (-E_эф/RT),

где А — постоянная; Е_эф — эффективная энергия активации процесса.

Зависимость скорости растворения стали от концентрации кислоты при давлениях до 200 атм (20,26 X 103 кПа) и температуре до 155° выражена уравнением

ρ = b (а±)n

где а± — средняя активность катионов и анионов; b, n — константы.

С увеличением давления скорость растворения стали в соляной кислоте уменьшается за счет формирования более плотной пленки шлама. Защитное действие ингибиторов в области высоких давлений сильно снижается (пленка шлама не образуется, увеличивается растворимость водорода, и экранирующее действие газообразного водорода ослабевает).

С. А. Балезиным совместно с Н. И. Подобаевым и А. М. Солок исследовано влияние ультразвука на процесс травления стали в 15 %-ном растворе соляной кислоты с ингибиторами ПБ-5, БА-6, ПБ-8/2, И-I-В и ПКМ при температуре +40° [281]. Оказалось, что ингибиторы тормозят растворение чистого металла в ультразвуковом поле, почти не замедляя процесса удаления окалины. Эти работы определили еще один важный метод интенсификации кислотного травления металлов.

С. А. Балезин и К. Н. Смирнов исследовали влияние легирующих добавок хрома, никеля и меди на коррозию и ингибиторную защиту стали в растворах серной и соляной кислот [164, 188].

Вместе с И. И. Кейлиным ученый изучал влияние галоид-ионов на кинетику восстановления водорода и ионизации железа-армко в деаэрированном растворе серной кислоты [342, 357]. Было показано, что галоидионы повышают перенапряжение выделения водорода, которое с увеличением концентрации галоид-ионов стремится к пределу. Это связано с максимальным заполнением поверхности металла галоид-ионами и, следовательно, с изменением кинетики выделения водорода. Введенные галоид-ионы существенно изменяют кинетику активного растворения железа. При потенциалах, близких к стационарному, они сильно тормозят анодную реакцию, при более высоких потенциалах наряду с другими анионами принимают участие в элементарных стадиях ионизации металла.

Интересные результаты дало и изучение адсорбции йодид-ионов из кислых сульфатных растворов на железе. Оказалось, что величина необратимой адсорбции зависит от потенциала электрода и pH раствора. При адсорбции из кислых растворов иодид-ионы могут хемосорбироваться на железе, образуя поверхностный комплекс, который устойчив только в определенной области потенциалов.

В 50—60-х годах на кафедре С. А. Балезина была проведена серия работ по изучению защиты металлов от коррозии в азотной, фосфорной и различных органических кислотах. С. А. Балезин, Г. С. Парфенов и И. В. Никольский изучили кинетику растворения железа в азотной кислоте [73, 75]. Они показали линейную зависимость скорости коррозии железа в кислоте от ее активности в области концентраций до 6,8 моль/л.

При более высоких концентрациях HNO₃ скорость растворения железа падает и наступает самопроизвольное пассивирование. При концентрации раствора 13 моль/л и более появляется мгновенное пассивирующее действие азотной кислоты на железо. Скорость растворения железа в азотной кислоте с повышением температуры на 10° возрастает в 1,1 —1,2 раза. Она растет и с увеличением интенсивности перемешивания раствора азотной кислоты.

При растворении углеродистых сталей в азотной кислоте, так же как и в серной и соляной, восстанавливаются ионы водорода. Однако образовавшийся водород восстанавливает азотную кислоту до азотистой, затем азотистую до оксида азота (II) и полностью затрачивается на восстановление азотной кислоты. При добавлении тиомочевины в раствор азотной кислоты процесс восстановления последней затрудняется, так как тиомочевина разрушает азотистую кислоту: CSX (NH₂)2 + 2HNO₂ = СO₂ + H₂S + 2N₂ + 2H₂O.

Установлено, что содержание углерода в стали практически не влияет на скорость ее коррозии в растворе 0,5 моль/л азотной кислоты. Среди испытанных С. А. Балезиным замедлителей коррозии стали в азотной кислоте наибольшим тормозящим действием обладают перманганат и хромат калия, галоид-ионы, неорганические соединения серы и тиомочевина. Из данных электрохимических измерений следует, что хромат и перманганат калия сдвигают начальный потенциал железа в положительную сторону на 942 мВ (перманганат) и 1412 мВ (хромат), т. е. эти замедлители действуют как пассиваторы.

Замедляющее действие галоид-ионов увеличивается в последовательности: Сl- , Br-, I-. Начальный потенциал железа в азотной кислоте, содержащей хлорид, бромид или иодид калия, смещен в отрицательную сторону, что свидетельствует о торможении катодных процессов.

Почти одинаковое тормозящее действие оказывает сульфид, сульфит и тиосульфат натрия. Наибольший замедляющий эффект они проявляют при концентрации их 0,5—1 ммоль/л.

Очень велико замедляющее действие тиомочевины. Практически полное прекращение растворения железа наблюдается при концентрации HNО₃ 1 моль/л в присутствии 10 ммоль/л этого замедлителя. 50 ммоль/л тиомочевины почти полностью тормозят растворение железа даже в пятимолярном растворе HNO₃. Однако испытания, проведенные после травления с добавкой тиомочевины, показали, что механические свойства железа и стали при этом значительно ухудшаются в результате наводороживания.

С. А. Балезин и Г. С. Парфенов исследовали также процесс растворения меди в азотной кислоте в присутствии ингибиторов [72]. Из опытных данных следует, что скорость растворения меди по мере увеличения концентрации кислоты значительно возрастает. Это обусловливается тем, что с повышением концентрации азотной кислоты усиливаются ее окислительные свойства. Явление пассивирования, характерное для железа, в случае с медью не наблюдается.

Скорость растворения меди в азотной кислоте при температуре выше 30 °С начинает сильно расти, а при перемешивании кислоты резко падает. Авторы объясняют это тем, что молекулы азотной кислоты при длительном контакте с поверхностью металла восстанавливаются, образуя следы азотистой кислоты, которая и ускоряет растворение меди. Незначительные количества азотистой кислоты, образующиеся в перемешиваемом растворе, не могут длительно контактировать с одними и теми же участками меди, поэтому азотистая кислота не проявляет автокаталитических свойств. Исследования показали, что изменения потенциала меди в азотной кислоте зависят главным образом от количества содержащейся в ней азотистой кислоты: небольшое ее количество снижает потенциал меди на почти постоянную величину — 700 мВ. Из неорганических серосодержащих соединений наибольшее тормозящее действие на процесс растворения меди оказывает тиосульфат натрия, из азотистых соединений — мочевина. Анализ поляризационных кривых показал, что мочевина в основном действует на катодный процесс. Тиомочевина значительно тормозит реакцию растворения меди благодаря разрушению азотистой кислоты.

Эффективными ингибиторами растворения меди в азотной кислоте являются сульфат гидразина и фенилгидразин, причем сульфат гидразина эффективен даже в восьмимолярном растворе азотной кислоты. Действие производных гидразина также связано с разложением азотной кислоты. Из окислителей (пероксид водорода, перманганат калия и хлорат калия) последийй в азотнокислых растворах обладает наибольшим защитным действием. Хлорат калия влияет на электродные процессы подобно мочевине.

В середине 60-х годов В. А. Карпов, аспирант С. А. Балезина, изучил влияние окислителей на защитное действие некоторых ингибиторов (йодида калия, пропаргилового спирта, БА-6) в кислой среде [259, 288, 290]. Влияние природы окислителя на защитное действие ингибиторов особенно ярко проявляется в случае растворения железа в 10-молярном растворе соляной кислоты в присутствии БА-6 и деполяризаторов — нитробензола и ионов трехвалентного железа. Если нитробензол практически не ослабляет защитного действия ингибитора, то ионы Fe3+ снижают его в десятки раз.

В ходе исследований был установлен и факт уменьшения степени влияния окислителя на защитное действие ингибитора с ростом концентрации кислоты.

С. А. Балезин, Л. В. Бабич и В. Б. Ратинов выявили зависимость между составом азотированного слоя на стали и его химической устойчивостью в кислых средах [65, 85]. Оказалось, что химическая устойчивость стали в кислоте определяется не концентрацией азота в поверхностном слое, а глубиной его проникновения. В разбавленных водных растворах серной кислоты азотированный слой склонен к местной коррозии, которая проявляется в виде язв, пятен и линейноизбирательного разрушения у границ полифазного контакта (в качестве третьей фазы применялись парафин и вазелин). С целью приближения лабораторных опытов к реальным условиям водные растворы были насыщены углекислым и сернистым газами. Полученные результаты показали, что агрессивность 0,25 моль/л серной кислоты десятикратно превышает агрессивность азотной, муравьиной и уксусной кислот той же концентрации. При повышении концентрации H₂SO₄ увеличивается скорость растворения, изменяется характер коррозии, она становится равномерной.

Исследованные замедлители коррозии азотированной стали в различной степени замедляют и изменяют характер ее растворения в серной кислоте; пиридин, моноэтаноламин, хинолин и 1-диэтиламино-5-аминопентан делают это сравнительно слабо, но зато способствуют более равномерному растворению азотированного слоя. Оптимальная концентрация в серной кислоте KCI, KBr и KI сильно снижает общую скорость растворения стали, не предохраняя, однако, азотированный слой от местной коррозии. Как и для неазотировапных сталей, защитное действие галоидных ионов возрастает в последовательности Сl- , Br-, I-. Смеси изученных галоидных ионов и азотсодержащих замедлителей коррозии действуют значительно эффективнее, чем каждый из них в отдельности. При этом смеси уменьшают не только скорость растворения азотированной стали, но и глубину коррозионных язв, делая процесс коррозии более равномерным.

Были найдены чрезвычайно эффективные замедлители коррозии азотированной стали в серной кислоте: бромид и иодид тетрафенилфосфония.

Изучение процесса разрушения стали в растворах фосфорной кислоты различной концентрации, проведенное С. А. Балезиным совместно с Е. С. Ивановым и Т. П. Князевой, показало, что с наибольшей скоростью металл разрушается в пятимолярном растворе фосфорной кислоты, причем в интервале температур от 20 до 100 °С растворение стали протекает только в кинетической области [358, 359, 407]. Для защиты стали-3 в растворе (5 моль/л) фосфорной кислоты эффективным оказался катапин «К», тормозящий как катодный, так и анодный процесс.

Большие практические результаты С. А. Балезин и группа сотрудников получили в ходе изучения защитного действия смесей ингибиторов. Оно во многом напоминает действие смесей катализаторов: некоторые закономерности каталитических процессов распространяются и на тормозящее действие ингибиторов. Это сходство становится более понятным, если процессы ингибирования рассматривать как один из случаев отрицательного катализа.

В этой связи С. А. Балезин, И. Н. Путилова и В. П. Баранник использовали терминологию, применяемую при изучении смешанных катализаторов. Они показали, что торможение коррозии смесью алкалоидов — наркотина и морфина — слагается из тормозящего действия указанных веществ. Это простое сложение ингибирующего эффекта было названо аддитивностью. Причина аддитивности защитного действия веществ, сходных по химическому составу, объясняется тем, что такие вещества образуют на поверхности металла защитную пленку, имеющую такое же соотношение молекул ингибиторов, как и в растворе кислоты.