Gỉ sắt
Hiện tượng này là một ví dụ tuyệt vời về sự ăn mòn kim loại, khi bề mặt của kim loại bị phân huỷ thành các oxit bền về mặt hoá học hơn. Tuy nhiên, thuật ngữ ‘gỉ’ thường được sử dụng để chỉ sự ăn mòn của các vật thể làm bằng sắt hoặc hợp kim sắt.
Contents
Hóa chất đằng sau sự gỉ sắt là gì?
Sự tiếp xúc của sắt (hoặc một hợp kim của sắt) với oxy trong điều kiện hơi ẩm dẫn đến sự hình thành gỉ. Phản ứng này không phải là tức thời, nó thường diễn ra trong một khoảng thời gian lớn đáng kể. Các nguyên tử oxy liên kết với các nguyên tử sắt, dẫn đến sự hình thành các oxit sắt. Điều này làm suy yếu liên kết giữa các nguyên tử sắt trong vật thể / cấu trúc.
Phản ứng gỉ sắt liên quan đến sự gia tăng trạng thái oxy hóa của sắt, kèm theo sự mất điện tử. Gỉ hầu hết được tạo thành từ hai oxit khác nhau của sắt mà trạng thái oxi hóa của nguyên tử sắt khác nhau. Các oxit này là:
- Sắt (II) oxit hoặc oxit đen. Trạng thái oxi hóa của sắt trong hợp chất này là +2 và công thức hóa học của nó là FeO.
- Sắt (III) oxit hoặc oxit sắt, trong đó nguyên tử sắt thể hiện trạng thái oxi hóa +3. Công thức hóa học của hợp chất này là Fe 2 O 3 .
Oxy là một chất oxy hóa rất tốt trong khi sắt là một chất khử. Do đó, nguyên tử sắt dễ dàng nhường electron khi tiếp xúc với oxy. Phản ứng hóa học được cho bởi:
Fe → Fe 2+ + 2e –
Trạng thái ôxy hóa của sắt được tăng thêm bởi nguyên tử ôxy khi có nước.
4Fe 2+ + O 2 → 4Fe 3+ + 2O 2-
Bây giờ, các phản ứng axit-bazơ sau đây xảy ra giữa các cation sắt và các phân tử nước.
Fe 2+ + 2H 2 O ⇌ Fe (OH) 2 + 2H +
Fe 3+ + 3H 2 O ⇌ Fe (OH) 3 + 3H +
Các hydroxit của sắt cũng được hình thành từ phản ứng trực tiếp giữa các cation sắt và các ion hydroxit.
O 2 + H 2 O + 4e – → 4OH –
Fe 2+ + 2OH – → Fe (OH) 2
Fe 3+ + 3OH – → Fe (OH) 3
Các hydroxit sắt tạo thành bây giờ bị khử nước để tạo ra các oxit sắt tạo thành gỉ. Quá trình này bao gồm nhiều phản ứng hóa học, một số phản ứng trong số đó được liệt kê dưới đây.
- Fe (OH) 2 ⇌ FeO + H 2 O
- 4Fe (OH) 2 + O 2 + xH 2 O → 2Fe 2 O 3. (X + 4) H 2 O
- Fe (OH) 3 ⇌ FeO (OH) + H 2 O
- FeO (OH) ⇌ Fe 2 O 3 + H 2 O
Một điểm tương đồng giữa tất cả các phản ứng hóa học được liệt kê ở trên là tất cả chúng đều phụ thuộc vào sự có mặt của nước và oxy. Do đó, sự rỉ sắt có thể được kiểm soát bằng cách hạn chế lượng oxy và nước bao quanh kim loại.
Tại sao rỉ sét là một hiện tượng không mong muốn?
Gỉ làm cho sắt trở nên bong tróc và yếu, làm giảm độ bền, hình dạng và tính thấm của sắt. Sắt bị gỉ không giữ được các đặc tính mong muốn của sắt. Việc gỉ sắt có thể dẫn đến hư hỏng ô tô, lan can, vỉ nướng và nhiều kết cấu sắt khác.
Sự cố sập cầu Bạc năm 1967 và cầu sông Mianus năm 1983 được cho là do sự ăn mòn của các thành phần thép / sắt của cây cầu. Nhiều tòa nhà làm bằng bê tông cốt thép cũng bị hỏng kết cấu trong thời gian dài do rỉ sét.
Sắt rỉ có thể là nơi sinh sản của vi khuẩn gây bệnh uốn ván. Vết cắt từ những vật này đâm vào da có thể nguy hiểm.
Vì quá trình rỉ sét xảy ra với tốc độ nhanh trong điều kiện ẩm ướt nên bên trong các ống dẫn nước và bể chứa rất dễ bị rỉ sét. Điều này làm cho các đường ống dẫn nước màu nâu hoặc đen có chứa một lượng oxit sắt không an toàn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự gỉ sắt
Nhiều yếu tố làm tăng tốc độ gỉ sắt, chẳng hạn như độ ẩm trong môi trường và độ pH của khu vực xung quanh. Một số yếu tố này được liệt kê dưới đây.
- Độ ẩm: Sự ăn mòn của sắt được giới hạn bởi sự sẵn có của nước trong môi trường. Tiếp xúc với mưa là lý do phổ biến nhất gây ra rỉ sét.
- Axit: nếu pH của môi trường xung quanh kim loại thấp, quá trình gỉ xảy ra nhanh chóng. Quá trình gỉ sắt sẽ tăng tốc khi gặp mưa axit . PH cao hơn ức chế sự ăn mòn của sắt.
- Muối: Sắt có xu hướng bị gỉ nhanh hơn trong nước biển, do sự hiện diện của nhiều loại muối khác nhau. Nước mặn chứa nhiều ion giúp tăng tốc quá trình rỉ sét thông qua các phản ứng điện hóa.
- Tạp chất: Sắt nguyên chất có xu hướng gỉ chậm hơn khi so với sắt có chứa hỗn hợp kim loại.
Kích thước của vật bằng sắt cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình gỉ. Ví dụ, một vật bằng sắt lớn có khả năng bị thiếu hụt nhỏ do kết quả của quá trình nấu chảy. Những khiếm khuyết này là nền tảng cho các cuộc tấn công vào kim loại từ môi trường.
Làm thế nào có thể ngăn ngừa rỉ sét?
Sắt và các hợp kim của nó được sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng nhiều cấu trúc và trong nhiều máy móc và đồ vật. Vì vậy, việc ngăn ngừa sự ăn mòn của sắt là rất quan trọng. Một số phương pháp phòng ngừa được liệt kê dưới đây.
Hợp kim có khả năng chống gỉ
Một số hợp kim của sắt có khả năng chống gỉ. Ví dụ bao gồm thép không gỉ (có một lớp crom (III) oxit) và thép chịu nhiệt.
Thép COR-TEN rỉ với tốc độ tương đối chậm hơn so với thép bình thường. Trong hợp kim này, gỉ tạo thành một lớp bảo vệ trên bề mặt của hợp kim, ngăn chặn sự ăn mòn thêm.
Mạ kẽm
- Mạ kẽm là quá trình phủ một lớp kẽm bảo vệ lên kim loại. Đây là một phương pháp rất phổ biến để ngăn chặn sự gỉ sắt.
- Điều này có thể được thực hiện bằng cách nhúng kim loại cần bảo vệ trong kẽm nóng chảy hoặc bằng quá trình mạ điện .
- Kẽm là một kim loại tương đối rẻ, dễ dính vào thép. Nó cũng bảo vệ catốt cho bề mặt sắt bằng cách hoạt động như một cực dương. Lớp kẽm bị ăn mòn thay vì lớp sắt do nguyên nhân này.
- Nhược điểm của mạ kẽm là nó chỉ bảo vệ khỏi sự ăn mòn trong một khoảng thời gian giới hạn kể từ khi lớp kẽm bị ăn mòn trong quá trình này. Nó không hiệu quả ở những khu vực có tính ăn mòn cao (nơi có thể sử dụng lớp phủ cadimi để thay thế).
Bảo vệ catốt
- Cung cấp điện tích cho kim loại có thể giúp ức chế các phản ứng điện hóa dẫn đến gỉ.
- Điều này có thể được thực hiện bằng cách làm cho sắt / thép trở thành cực âm bằng cách gắn một cực dương hy sinh vào nó.
- Anốt hy sinh này phải có thế điện cực âm hơn thế của sắt.
- Các kim loại thường được sử dụng làm cực dương hy sinh là magiê, kẽm và nhôm. Khi chúng bị ăn mòn, chúng phải được thay thế để bảo vệ sắt / thép.
Lớp phủ
Nhiều loại lớp phủ có thể được áp dụng cho bề mặt của kim loại tiếp xúc để ngăn chặn sự ăn mòn. Các ví dụ phổ biến về lớp phủ chống ăn mòn bao gồm sơn, băng sáp và vecni.
Các đồ vật nhỏ hơn được phủ một lớp dầu thay nước để ngăn chặn sự gỉ sét của đồ vật. Nhiều máy móc, dụng cụ công nghiệp làm bằng sắt được tráng một lớp mỡ bôi trơn kim loại để giảm ma sát, đồng thời chống rỉ sét.
Xem thêm:
