17.6: Ăn mòn
- Page ID
- 217889
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)Đến cuối phần này, bạn sẽ có thể:
- Xác định ăn mòn
- Liệt kê một số phương pháp được sử dụng để ngăn chặn hoặc làm chậm sự ăn mòn
Ăn mòn thường được định nghĩa là sự xuống cấp của kim loại bởi một quá trình điện hóa xảy ra tự nhiên. Sự hình thành rỉ sét trên sắt, xỉn màu trên bạc và lớp gỉ màu xanh lam phát triển trên đồng là tất cả các ví dụ về sự ăn mòn. Tổng chi phí khắc phục ăn mòn ở Hoa Kỳ là đáng kể, với ước tính vượt quá nửa nghìn tỷ đô la một năm.
Tượng Nữ thần Tự do là một cột mốc mà mọi người Mỹ đều công nhận. Tượng Nữ thần Tự do dễ dàng được xác định bởi chiều cao, tư thế và màu xanh lam độc đáo (Hình\(\PageIndex{1}\)). Khi bức tượng này lần đầu tiên được giao từ Pháp, vẻ ngoài của nó không có màu xanh lá cây. Nó có màu nâu, màu của “da” đồng của nó. Vậy Tượng Nữ thần Tự do đã thay đổi màu sắc như thế nào? Sự thay đổi về ngoại hình là kết quả trực tiếp của sự ăn mòn. Đồng là thành phần chính của bức tượng từ từ trải qua quá trình oxy hóa từ không khí. Các phản ứng oxy hóa-khử của kim loại đồng trong môi trường xảy ra trong một số bước. Kim loại đồng bị oxy hóa thành đồng (I) oxit (Cu 2 O), có màu đỏ, và sau đó thành đồng (II) oxit, có màu đen
\[\begin{align} \ce{2 Cu(s) + 1/2 O2(g) -> Cu_2 O (s)} \tag{red} \\[4pt] \ce{2 Cu2O(s) + 1/2 O2(g) -> 2CuO (s)} \tag{black} \end{align} \]
Than, thường chứa nhiều lưu huỳnh, đã bị đốt cháy rộng rãi vào đầu thế kỷ trước. Kết quả là, lưu huỳnh trioxit trong khí quyển, carbon dioxide và nước đều phản ứng với: \(\ce{CuO}\)
\ [\ begin {align*}
\ ce {2 CuO (s) + CO2 (g) + H2O (l) &-> Cu2CO3 (OH) 2 (s)}\ tag {green}\\ [4pt]
\ ce {3 CuO (s) +2 CO2 (g) + H2O (l) &-> Cu2 (CO3) 2 (OH) 2 (s)} thẻ {blue}\\ [4pt]\ ce {4 CuO (s) + SO3 (g) + 3 H2O (l) &-> Cu4SO4 (OH) 6 (s)}
\ tag {green}\ end {align*}\nsố\]
Ba hợp chất này chịu trách nhiệm cho lớp gỉ màu xanh lam đặc trưng được nhìn thấy trên Tượng Nữ thần Tự do (và các cấu trúc đồng ngoài trời khác). May mắn thay, sự hình thành của patina tạo ra một lớp bảo vệ trên bề mặt đồng, ngăn chặn sự ăn mòn thêm của đồng bên dưới. Sự hình thành của lớp bảo vệ được gọi là thụ động, một hiện tượng được thảo luận thêm trong một chương khác của văn bản này.
Có lẽ ví dụ quen thuộc nhất của sự ăn mòn là sự hình thành rỉ sét trên sắt. Sắt sẽ bị rỉ sét khi tiếp xúc với oxy và nước. Sự hình thành rỉ sét liên quan đến việc tạo ra một tế bào điện ở bề mặt sắt, như minh họa trong Hình. \(\PageIndex{1}\) Các phản ứng oxi hóa khử có liên quan được mô tả bằng các phương trình sau:
\ [\ begin {align*}
&\ text {anode:} &\ ce {Fe (s)\ longrightarrow Fe^ {2+} (aq) + 2 e^ {-}} && E_ {\ ce {Fe^ {2+}/Fe}} ^ {\ circ} =-0.44\,\ text {V}\\ [4pt]
& text {cathode:} &\ ce {O2 (g) + 4 H^ {+} (aq) + 4 e^ {-} -> 2 H2O (l)} && E_ {\ ce {O2 /O ^ {2-}}} ^ {\ circ} =+1.23\,\ text {V}\\ [4pt]
\ hline &\ text {tổng thể:} 2 Fe (s) + O2 (g) + 4 H^ {+} (aq) -> 2 Fe^ {2+} (aq) + 2 H2O (l)} && E_ {\ text {cell}} ^ {\ circ} =+1.67\,\ text {V}\ end {align*}\nsố\]
Phản ứng tiếp theo của sản phẩm sắt (II) trong không khí ẩm dẫn đến việc tạo ra một hydrat oxit sắt (III) được gọi là rỉ sét:
\[\ce{4 Fe^{2+}(aq) + O2(g) + (4+2 x) ~H2O(l) -> 2 Fe2O3 \cdot x~ H2O(s) + 8 H^{+}(aq)} \nonumber \]
Phép đo phân vị của hydrat thay đổi, như được chỉ ra bởi việc sử dụng x trong công thức hợp chất. Không giống như lớp gỉ trên đồng, sự hình thành rỉ sét không tạo ra lớp bảo vệ và do đó sự ăn mòn của sắt tiếp tục khi rỉ sét bong ra và phơi sắt tươi vào khí quyển.
Một cách để giữ cho sắt không bị ăn mòn là giữ cho nó được sơn. Lớp sơn ngăn nước và oxy cần thiết cho sự hình thành rỉ sét tiếp xúc với bàn ủi. Miễn là sơn vẫn còn nguyên vẹn, bàn ủi được bảo vệ khỏi sự ăn mòn.
Các chiến lược khác bao gồm hợp kim sắt với các kim loại khác. Ví dụ, thép không gỉ là một hợp kim của sắt có chứa một lượng nhỏ crom. Crom có xu hướng tích tụ gần bề mặt, nơi nó ăn mòn và tạo thành một lớp oxit thụ động bảo vệ sắt.
Sắt và các kim loại khác cũng có thể được bảo vệ khỏi sự ăn mòn bằng cách mạ điện, một quá trình trong đó kim loại được bảo vệ được phủ một lớp kim loại dễ bị oxy hóa hơn, thường là kẽm. Khi lớp kẽm còn nguyên vẹn, nó ngăn không khí tiếp xúc với sắt bên dưới và do đó ngăn ngừa sự ăn mòn. Nếu lớp kẽm bị phá vỡ do ăn mòn hoặc mài mòn cơ học, sắt vẫn có thể được bảo vệ khỏi sự ăn mòn bằng quy trình bảo vệ catốt, được mô tả trong đoạn tiếp theo.
Một cách quan trọng khác để bảo vệ kim loại là làm cho nó trở thành cực âm trong một tế bào điện. Đây là bảo vệ catốt và có thể được sử dụng cho các kim loại khác ngoài sắt. Ví dụ, sự rỉ sét của các bể chứa sắt dưới lòng đất và đường ống có thể được ngăn chặn hoặc giảm đáng kể bằng cách kết nối chúng với một kim loại hoạt động mạnh hơn như kẽm hoặc magiê (Hình\(\PageIndex{3}\)). Điều này cũng được sử dụng để bảo vệ các bộ phận kim loại trong máy nước nóng. Các kim loại hoạt động mạnh hơn (thế khử thấp hơn) được gọi là cực dương hy sinh vì khi chúng được sử dụng hết khi chúng ăn mòn (oxy hóa) ở cực dương. Kim loại được bảo vệ đóng vai trò là cực âm để khử oxy trong không khí, và vì vậy nó chỉ đơn giản là dùng để dẫn (không phản ứng với) các electron được chuyển. Khi các cực dương được theo dõi đúng cách và thay thế định kỳ, tuổi thọ hữu ích của bể chứa sắt có thể được kéo dài rất nhiều.