17.7: Uharibifu

Last updated
Save as PDF

Page ID: 188789

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

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

Uharibifu kwa kawaida hufafanuliwa kama uharibifu wa metali kwa mchakato wa electrochemical unaotokea asili. 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 remediation ya kutu nchini Marekani ni muhimu, na makadirio ya ziada ya dola nusu trilioni kwa mwaka.

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Sanamu ya Uhuru: 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 (Kielelezo 17.15). 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) oksidi (Cu ₂ O), ambayo ni nyekundu, na kisha kwa oksidi ya shaba (II), ambayo ni nyeusi

2Cu (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {Cu}_{2} O (s) (nyekundu)

{Cu}_{2} O (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ 2cUo (s) (mweusi)

Makaa ya mawe, ambayo mara nyingi yalikuwa ya juu katika sulfuri, yalichomwa moto sana katika sehemu ya mwanzo ya karne iliyopita. Matokeo yake, anga sulfuri trioxide, dioksidi kaboni, na maji yote ilijibu na CUO

2cUo (s) + {USHIRIKIANO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {USHIRIKIANO}_{3} {(OH)}_{2} (s) (kijani)

3cUO (s) + {2CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {{(USHIRIKIANO}_{3})}_{2} {(OH)}_{2} (s) (bluu)

4cUO (s) + {KWA HIVYO}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{4} {KWA HIVYO}_{4} {(OH)}_{6} (s) (kijani)

Misombo hii mitatu ni wajibu wa patina ya rangi ya bluu-kijani inayoonekana kwenye Sanamu ya Uhuru (na miundo mingine ya shaba ya nje). Kwa bahati nzuri, malezi ya patina hujenga safu ya kinga juu ya uso wa shaba, kuzuia kutu zaidi ya shaba ya msingi. Kuundwa kwa safu ya kinga inaitwa passivation, jambo linalojadiliwa zaidi katika sura nyingine ya maandiko haya.

Takwimu hii ina picha mbili za Sanamu ya Uhuru. Picha a inaonekana kuwa picha ya kale ambayo inaonyesha rangi ya awali ya kahawia ya sanamu ya shaba iliyofunikwa. Picha b inaonyesha muonekano wa bluu-kijani wa sanamu leo. Katika picha zote mbili, sanamu inavyoonekana juu ya jengo, na mwili wa maji nyuma.

Kielelezo 17.15 (a) Sanamu ya Uhuru inafunikwa na ngozi ya shaba, na awali ilikuwa 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. Uundaji wa kutu unahusisha kuundwa kwa kiini cha galvanic kwenye uso wa chuma, kama ilivyoonyeshwa kwenye Mchoro 17.15. Athari za redox husika zinaelezwa na equations zifuatazo:

\begin{matrix} anode: & Fe (s) ⟶ {Fe}^{2+} (a q) + 2 e^{-} & E_{{Fe}^{2+} /Fe}^{°} & = & -0.44 V \\ kathodi: & O_{2} (g) + 4 H^{+} (a q) + 4 e^{-} ⟶ 2 H_{2} O (l) & E_{O_{2} {/O}^{2}}^{°} & = & +1.23 V \\ jumla: & 2Fe (s) + O_{2} (g) + {SAA 4}^{+} (a q) ⟶ 2 {Fe}^{2+} (a q) + 2 H_{2} O (l) & E_{kiini}^{°} & = & +1.67 V \end{matrix}

Majibu zaidi ya bidhaa ya chuma (II) katika matokeo ya hewa ya mvua katika uzalishaji wa chuma (III) oksidi hidrati inayojulikana kama kutu:

4 {Fe}^{2+} (a q) + O_{2} (g) + (4 + 2 x) H_{2} O (l) ⟶ 2 {Fe}_{2} O_{3} · x H_{2} O (s) + 8 H^{+} (a q)

Stoichiometry ya hydrate inatofautiana, kama ilivyoonyeshwa na matumizi ya x katika formula ya kiwanja. 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.

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 rangi 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 upande wa kulia na upande wa chini wa eneo la kijivu linaonyesha kwamba baadhi ya eneo la kijivu limeondoka kanda 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.”

Kielelezo 17.16 Uharibifu unaweza kutokea wakati chuma cha rangi au uso wa chuma unaonekana kwa mazingira kwa mwanzo kupitia rangi. Matokeo ya seli ya galvaniki ambayo yanaweza kukadiriwa na Fe (s) ya kiini kilichorahisishwa | Fe ²⁺ (aq) ||O ₂ (aq), H ₂ O (l) | Fe (s).

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 alloy ya chuma iliyo na kiasi kidogo cha chromium. Chromium huelekea kukusanya karibu na uso, ambapo hupunguza na kuunda safu ya oksidi inayozuia chuma.

Iron na metali nyingine pia inaweza kulindwa kutokana na kutu na galvanization, mchakato ambapo chuma kulindwa ni coated na safu ya chuma kwa urahisi zaidi iliyooksidishwa, kwa kawaida zinki. Wakati safu ya zinki inakabiliwa, inazuia hewa kuwasiliana na chuma cha msingi na hivyo kuzuia kutu. Ikiwa safu ya zinki inakabiliwa na kutu au kuvuta mitambo, chuma bado kinaweza kulindwa kutokana na kutu na mchakato wa ulinzi wa cathodic, unaoelezwa katika aya inayofuata.

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 chini ya ardhi ya kuhifadhi chuma na mabomba yanaweza kuzuiwa au kupunguzwa sana kwa kuunganisha kwenye chuma cha kazi zaidi kama zinki au magnesiamu (Kielelezo 17.17). 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 kwa kupunguza oksijeni katika hewa, na hivyo hutumikia tu kufanya (si kuguswa na) elektroni zinazohamishwa. Wakati anodes zinafuatiliwa vizuri na kubadilishwa mara kwa mara, maisha muhimu ya tank ya kuhifadhi chuma yanaweza kupanuliwa sana.

Mchoro unaonyeshwa kwa mfumo wa tank ya kuhifadhi chini ya ardhi. Underground ni chuma tank-kama muundo, kinachoitwa “sadaka anode” ambayo ni wima oriented. M g iko kwenye tangi, ikifuatiwa na mshale wa kulia, ikifuatiwa na M g superscript 2 pamoja. Mstari mweusi unaendelea juu kutoka katikati ya tangi, lakini hukaa chini ya ardhi. Sehemu ya mstari mweusi ya usawa inaendelea chini ya ardhi. 2 e superscript minus inafuatiwa na mshale unaoelezea haki chini ya sehemu ya mstari. Sehemu ya mstari mweusi ya wima inaongoza chini hadi tank ya kijivu isiyo na usawa ambayo inaitwa “Kitu cha kulindwa (cathode).” 2 e Subscript minus iko kwenye tank yenye mshale unaoelekeza kutoka humo hadi chini ya tangi. Chini ya mshale huo ni “2 H superscript plus plus O subscript 2 mshale 2 H subscript 2 O.”

Kielelezo 17.17 Ulinzi wa Cathodic ni mbinu muhimu ya kuzuia electrochemically kutu ya mizinga ya kuhifadhi chini ya ardhi.