17.6: Uharibifu

Malengo ya kujifunza

• Kufafanua kutu
• Orodha ya baadhi ya mbinu zinazotumiwa kuzuia au kupunguza kasi ya kutu

Uharibifu kwa kawaida hufafanuliwa kama uharibifu wa metali kutokana na mchakato wa electrochemical. Kuundwa kwa kutu juu ya chuma, kupamba juu ya fedha, na patina ya bluu-kijani ambayo yanaendelea juu ya shaba ni mifano yote ya kutu. Gharama ya jumla ya kutu nchini Marekani ni muhimu, huku makadirio ya ziada ya dola nusu trilioni kwa mwaka.

Kubadilisha Rangi

Sanamu ya Uhuru ni kihistoria kila Amerika inatambua. Sanamu ya Uhuru inatambuliwa kwa urahisi na urefu wake, msimamo, na rangi ya kipekee ya bluu-kijani. Wakati sanamu hii ilipotolewa kwanza kutoka Ufaransa, kuonekana kwake haikuwa kijani. Ilikuwa kahawia, rangi ya shaba yake “ngozi.” Kwa hiyo Sanamu ya Uhuru ilibadilishaje rangi? Mabadiliko katika kuonekana yalikuwa matokeo ya moja kwa moja ya kutu. Shaba ambayo ni sehemu ya msingi ya sanamu polepole ilipata oxidation kutoka hewa. Athari za kupunguza oxidation za chuma cha shaba katika mazingira hutokea kwa hatua kadhaa. Chuma cha shaba ni oxidized kwa shaba (I$\ce{Cu_2O}$) oksidi (), ambayo ni nyekundu, na kisha kwa oksidi ya shaba (II), ambayo ni nyeusi.

$$\ce{2Cu(s)} +\ce{1/2O2(g)} \rightarrow \underset{\text{red}}{\ce{Cu2O(s)}} \nonumber$$

$$\ce{Cu2O(s)} +\ce{1/2O2(g)} \rightarrow \underset{\text{black}}{\ce{2CuO(s)}} \nonumber$$

Makaa ya mawe, ambayo mara nyingi yalikuwa ya juu katika sulfuri, yalichomwa moto sana katika sehemu ya mwanzo ya karne iliyopita. Matokeo yake, sulfuri trioxide, dioksidi kaboni, na maji yote ilijibu na$\ce{CuO}$.

$$\ce{2CuO(s)}+\ce{CO2(g)} + \ce{H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_2CO3(OH)2(s)}} \nonumber$$

$$\ce{3CuO(s)}+\ce{2CO2(g)}+\ce{H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{blue}}{\ce{Cu_2(CO_3)_2(OH)2(s)}} \nonumber$$

$$\ce{4CuO(s)}+\ce{SO3(g)}+\ce{3H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_4SO_4(OH)6(s)}} \nonumber$$

Misombo hii mitatu ni wajibu wa patina ya bluu-kijani inayoonekana leo. Kwa bahati nzuri, malezi ya patina iliunda safu ya kinga juu ya uso, kuzuia kutu zaidi ya ngozi ya shaba. Kuundwa kwa safu ya kinga ni aina ya passivation, ambayo inajadiliwa zaidi katika sura ya baadaye.

Kielelezo$\PageIndex{1}$: (a) Sanamu ya Uhuru inafunikwa na ngozi ya shaba, na ilikuwa ya rangi ya kahawia, kama inavyoonekana katika uchoraji huu. (b) Mfiduo kwa mambo imesababisha malezi ya patina bluu-kijani kuonekana leo.

Labda mfano unaojulikana zaidi wa kutu ni malezi ya kutu juu ya chuma. Iron itakuwa kutu wakati ni wazi kwa oksijeni na maji. Hatua kuu katika kutu kwa chuma huonekana kuhusisha zifuatazo. Mara baada ya wazi kwa anga, chuma huongeza oxidizes haraka.

$$\textrm{anode: }\ce{Fe}_{(s)} \rightarrow \ce{Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{2e^-}\;\;\; E^\circ_{\ce{Fe^{2+}/Fe}}=\mathrm{−0.44\: V} \nonumber$$

Electroni hupunguza oksijeni katika hewa katika ufumbuzi wa tindikali.

$$\textrm{cathode: }\ce{O}_{2(g)}+\ce{4H^+}_{(aq)}+\ce{4e^-} \rightarrow \ce{2H_2O}_{(l)}\;\; E^\circ_{\ce{O_2/O_2}}=\mathrm{+1.23\; V} \nonumber$$

$$\textrm{overall: }\ce{2Fe}_{(s)}+\ce{O}_{2(g)}+\ce{4H^+}_{(aq)} \rightarrow \ce{2Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{2H_2O}_{(l)} \;\;\;E^\circ_\ce{cell}=\mathrm{+1.67\; V} \nonumber$$

Tunachokiita kutu ni hidrati ya chuma (III) oksidi, ambayo huunda wakati chuma (II) ions huguswa zaidi na oksijeni.

$$\ce{4Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{O}_{2(g)}+(4+2x)\ce{H_2O}_{(l)} \rightarrow \ce{2Fe_2O_3} \cdot x\ce{H_2O}_{(s)}+\ce{8H^+}_{(aq)} \nonumber$$

Idadi ya molekuli za maji ni tofauti, hivyo inawakilishwa na x. Tofauti na patina juu ya shaba, malezi ya kutu haina kujenga safu ya kinga na hivyo kutu ya chuma inaendelea kama kutu flakes mbali na huweka chuma safi kwa anga.

Kielelezo$\PageIndex{2}$: Mara baada ya rangi kupigwa kwenye uso wa chuma uliojenga, kutu hutokea na kutu huanza kuunda. Kasi ya mmenyuko wa hiari huongezeka mbele ya elektroliti, kama vile kloridi ya sodiamu inayotumiwa kwenye barabara kuyeyusha barafu na theluji au katika maji ya chumvi.

Mstatili wa kijivu, unaoitwa “chuma,” unaonyeshwa kwa tabaka nyembamba za rangi ya zambarau, zilizoitwa “safu ya rangi,” kwenye nyuso zake za juu na za chini. Pengo katika safu ya juu ya zambarau upande wa kushoto wa mchoro ni kinachoitwa “tovuti ya Cathodic. ” Droplet ya bluu iliyoitwa “maji” imewekwa juu ya pengo. Mshale uliojitokeza unatoka kwenye nafasi ya juu ya droplet hadi kwenye uso wa mkoa wa kijivu na ndani ya droplet ya maji. Msingi wa mshale umeandikwa “O subscript 2" na ncha ya mshale imeandikwa “H subscript 2 O.” Pengo kuelekea kulia na upande wa chini wa eneo la kijivu linaonyesha kwamba baadhi ya eneo la kijivu limekwenda kutoka eneo chini ya safu ya zambarau. Droplet ya maji inashughulikia pengo hili na inaenea katika nafasi ya wazi katika mstatili wa kijivu. Lebo “F e superscript 2 chanya” iko katikati ya droplet. Mshale uliojitokeza unaonyesha kutoka kwenye makali ya eneo la kijivu chini hadi kwenye lebo. Mshale wa pili wa mviringo unatoka kwenye mshale wa F e superscript 2 mzuri kwa chunk ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya rangi ya zambarau kwenye makali ya droplet ya maji. Mshale wa mviringo unatoka kwenye O subscript 2 nje ya droplet ndani ya droplet hadi chunk ya kahawia ya kutu. Eneo la kijivu kwenye sehemu ya chini ya kulia ya mchoro ni kinachoitwa “tovuti ya Anodic. ” Mshale unatoka kwenye tovuti ya anodic kuelekea tovuti ya cathodic, ambayo inaitwa “e superscript hasi. ”

Njia moja ya kuweka chuma kutoka kutu ni kuiweka rangi. Safu ya rangi huzuia maji na oksijeni muhimu kwa ajili ya malezi ya kutu kutoka kuwasiliana na chuma. Kwa muda mrefu kama rangi inabakia intact, chuma huhifadhiwa kutokana na kutu.

Mikakati mingine ni pamoja na kuunganisha chuma na metali nyingine. Kwa mfano, chuma cha pua ni zaidi ya chuma na kidogo ya chromium. Chromium huelekea kukusanya karibu na uso, ambapo huunda safu ya oksidi ambayo inalinda chuma.

Chuma cha zinki au chuma cha mabati hutumia mkakati tofauti. Zinki ni rahisi zaidi oksidi kuliko chuma kwa sababu zinki ina uwezo wa kupunguza chini. Kwa kuwa zinki ina uwezo wa kupunguza chini, ni chuma cha kazi zaidi. Kwa hiyo, hata kama mipako ya zinki imepigwa, zinki bado itaimarisha kabla ya chuma. Hii inaonyesha kwamba mbinu hii inapaswa kufanya kazi na metali nyingine za kazi.

Kielelezo$\PageIndex{3}$: Njia moja ya kulinda tank ya kuhifadhi chuma chini ya ardhi ni kupitia ulinzi wa cathodic. Kutumia chuma cha kazi kama zinki au magnesiamu kwa anode kwa ufanisi hufanya tank ya kuhifadhi cathode, kuzuia kutoka kwa kutu (oxidizing).

Mchoro unaonyeshwa kwa mfumo wa tank ya kuhifadhi chini ya ardhi. Chini ya ardhi, upande wa kushoto wa mchoro ni tank ya kijivu isiyo na usawa ambayo inaitwa “Kitu cha kulindwa.” Mstari mweusi unaendelea juu kutoka katikati ya tangi juu ya ardhi. Mshale unaonyesha juu upande wa kushoto wa sehemu ya mstari. usawa nyeusi line sehemu inaendelea haki juu ya ardhi, ambayo ni kinachoitwa “Hakuna chanzo nguvu inahitajika.” Sehemu ya mstari inaenea juu na kulia, ambayo inaitwa “Waya wa Kiongozi.” line sehemu na kushuka akizungumzia mshale na haki yake inaenea chini chini ya ardhi kwa pili chuma tank-kama muundo, kinachoitwa “sadaka anode” ambayo ni wima oriented. Tano nyeusi mishale uhakika kushoto chini ya ardhi kuelekea tank kwanza. Mishale hii imeandikwa kwa pamoja “Sasa ya kinga.”

Njia nyingine muhimu ya kulinda chuma ni kuifanya cathode katika kiini cha galvanic. Hii ni ulinzi wa cathodic na inaweza kutumika kwa metali isipokuwa chuma tu. Kwa mfano, kutu kwa mizinga ya kuhifadhi chuma chini ya ardhi na mabomba yanaweza kuzuiwa au kupunguzwa sana kwa kuunganisha kwenye chuma cha kazi zaidi kama zinki au magnesiamu. Hii pia hutumiwa kulinda sehemu za chuma katika hita za maji. Metali zenye kazi zaidi (uwezo wa kupunguza chini) huitwa anodes za dhabihu kwa sababu zinapotumiwa juu kama zinavyotengeneza (oxidize) kwenye anode. Ya chuma inayohifadhiwa hutumika kama cathode, na hivyo haina oxidize (corrode). Wakati anodes zinafuatiliwa vizuri na kubadilishwa mara kwa mara, maisha muhimu ya tank ya kuhifadhi chuma yanaweza kupanuliwa sana.

Muhtasari

Uharibifu ni uharibifu wa chuma unaosababishwa na mchakato wa electrochemical. Kiasi kikubwa cha fedha hutumiwa kila mwaka kutengeneza madhara ya, au kuzuia, kutu. Baadhi ya metali, kama vile alumini na shaba, huzalisha safu ya kinga wakati wanapoharibika hewa. Safu nyembamba inayounda juu ya uso wa chuma huzuia oksijeni kuwasiliana na zaidi ya atomi za chuma na hivyo “inalinda” chuma kilichobaki kutokana na kutu zaidi. Iron hupunguza (hutengeneza kutu) wakati wa maji na oksijeni. Kutu ambayo huunda juu ya chuma cha chuma, hufunua chuma safi, ambacho pia kinapunguza. Njia moja ya kuzuia, au polepole, kutu ni kwa mipako ya chuma. Mipako huzuia maji na oksijeni kuwasiliana na chuma. Rangi au mipako mingine itapunguza kutu, lakini sio ufanisi mara moja iliyopigwa. Zinc-plated au chuma mabati hutumia ukweli kwamba zinki ni zaidi ya oxidize kuliko chuma. Kwa muda mrefu kama mipako inabakia, hata ikiwa imepigwa, zinki zitaimarisha kabla ya chuma. Njia nyingine ya kulinda metali ni ulinzi wa cathodic. Kwa njia hii, chuma cha urahisi na cha gharama nafuu, mara nyingi zinki au magnesiamu (anode ya dhabihu), ni kushikamana na chuma ambacho kinapaswa kulindwa. Chuma cha kazi zaidi ni anode ya dhabihu, na ni anode katika kiini cha galvanic. Ya “ulinzi” chuma ni cathode, na bado unoxidized. Faida moja ya ulinzi wa cathodic ni kwamba anode ya dhabihu inaweza kufuatiliwa na kubadilishwa ikiwa inahitajika.

faharasa

ulinzi wa cathodic

njia ya kulinda chuma kwa kutumia anode dhabihu na ufanisi kufanya chuma kwamba mahitaji ya kulinda cathode, hivyo kuzuia oxidation yake

ulikaji

uharibifu wa chuma kupitia mchakato wa electrochemical

chuma cha mabati

njia ya kulinda chuma kwa kuifunika kwa zinki, ambayo itaimarisha kabla ya chuma; chuma cha zinki

anode ya dhabihu

kazi zaidi, chuma cha gharama nafuu kutumika kama anode katika ulinzi wa cathodic; mara nyingi hutengenezwa kutoka magnesiamu au zinki