SỰ ĂN MÒN KIM LOẠI

Ăn mòn kim loại là sự hủy hoại kim loại và hợp kim dưới tác dụng của môi trường xung quanh.Đó là một quá trình hóa học hay quá trình điện hóa trong đó kim loại bị oxi hóa thành ion của nó.

I. CÁC DẠNG ĂN MÒN KIM LOẠI

Tùy theo cơ chế của sự ăn mòn, người ta chia làm hai dạng : ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.

1.Ăn mòn hóa học 

Dạng ăn mòn hóa học xảy ra khi kim loại được đặt trong môi trường khí hay trong chất lỏng có tác dụng ăn mòn trực tiếp kim loại.

Ví dụ sắt bị ăn mòn bởi axit :

\(Fe(rắn) + 2H^+ \to Fe^{2+}(aq) + H_2(khí)\)

• Bầu khí quyển ở khu công nghiệp chứa một lượng đáng kể axit từ việc đốt các nhiên liệu như than đá,dầu mỏ,.. Năm 1950,thành phố London nước Anh bị ô nhiễm lượng axit tương đương với 750.000 tấn axit sunfuric.
• Các đồ dùng bằng đồng bị phủ một lớp rỉ xanh do bị oxi hóa và khí cacbonic ăn mòn(Rỉ xanh là một chất gồm Đồng II oxit và Đồng II cacbonat) 

2. Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa học là quá trình oxi hóa-khử,trong đó kim loại bị ăn mòn do tác dụng của dung dịch chất điện li và tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm đến cực dương

Sự ăn mòn điện hóa xảy ra khi có sự tạo thành các pin điện trong kim loại.

a) Sự tạo thành rỉ sắt

Trong không khí ẩm , trên bề mặt của sắt thép luôn có một lớp nước rất mỏng đã hòa tan Oxi và khí Cacbonic tạo thành một dung dịch chất điện li.Sắt và các tạp chất(chủ yếu là cacbon) cùng tiếp xúc với dung dịch đó tạo nên vô số pin rất nhỏ mà sắt là anot , cacbon là catot.

Tạo vùng anot :

Anot (sự oxi hóa) : \(Fe \to Fe^{2+} + 2e\)

Các electron được giải phóng dịch chuyển đến vùng catot

Catot (sư khử) : \(O_2(k) + 2H_2O(l) + 4e \to 4OH^-(aq)\)

Các ion Fe²⁺ di chuyển từ vùng anot qua dung dịch điện li đến vùng caot.Ở đây kết hợp với ion OH^- tạo thành  Sắt (II) hidroxit.

Phản ứng chung : \(2Fe(r) + O_2 + 2H_2O(l) \to 2Fe(OH)_2(r)\)

Sắt (II) hidroxit lại tiếp tục bị oxi hóa thnahf sắt (III)

\(4Fe(OH)_2 (r) + O_2(k) \to 2Fe_2O_3.H_2O(r) + 2H_2O(l)\)

Thật ra, rỉ sắt là hợp chất hidrat của sắt (III) oxit và hidroxit có thành phân nước không xác định mà phụ thuộc vào môi trường tạo ra nó(Rỉ sắt ở khu công nghiệp khác với rỉ sắt ở nông thôn...)

Điều kiện xảy ra ăn mòn điện hóa học : 

• Các điện cực phải khác nhau về bản chất,có thể là 2 cặp kim loại khác nhau hoặc cặp kim loại với phi kim,...
• Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn.
• Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li.

b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn điện hóa

Qua thí nghiệm về sự ăn mòn sắt ta thấy oxi (trong không khí) và nước(không khí ẩm) là những tác nhân không thể thiếu gây nên sự ăn mòn kim loại.

Ngoài ta còn có những yếu tố khác ảnh hưởng to lớn đến tốc độ ăn mòn. Đó là :

- Các tạp chất trong kim loại như cacbon,các kim loại kém hoạt động,các oxit, muối sunfua,... làm tăng sự ăn mòn.

- Sự có mặt các chất điện li đặc biệt là nước biển,các môi trường có khí NO₂,SO₂,v.v...

- Sự gia công kim loại

❝Người ta đã biết rằng, trong thanh kim loại nơi nào chịu một sức nặng căng(chịu dập,uốn cong,...) thì ở đây các nguyên tử kim loại "hoạt động" hơn và hình thành vùng anot,ở đó kim loại bị ăn mòn trước.❞

II. CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI

Việc chống ăn mòn kim loại có tầm quan trọng đặc biệt. Từ khi biết được cơ chế của sự tạo thành rỉ,con người có nhiều biện pháp chống ăn mòn. Tùy theo từng trường hợp,người ta có thể dùng những phương pháp chính sau đây :

- Phương pháp điện hóa

- Phương pháp phủ

- Phương pháp biến đổi hóa học lớp bề mặt.

1. Bảo về bằng phương pháp điện hóa

Vì ăn mòn kim loại là một quá trình oxi hóa cho nên chỉ xảy ra ở anot. Một kim loại là catot(khi nối với một kim loại khác hoạt động hơn) không thể bị ăn mòn.

Nguyên tắc này được dùng để bảo vệ kim loại.

Ví dụ : Để chống lại sự ăn mòn vỏ tàu bằng thép ngâm trong nước biển, người ta gắn những tấm kẽm hoặc magie ở nhiều chỗ trên thân tàu.

\(Fe \to Fe^{2+} + 2e\ (E^o = +0,44V)\\ Zn \to Zn^{2+} + 2e \ (E^o = +0,76V)\\ Mg \to Mg^{2+} + 2e \ (E^o = +2,73V) \)

Do đó, trong các pin Fe-Zn hoặc Fe-Mg được tạo thành,Vỏ tàu bằng sắt luôn đóng vai trò làm catot,không bị ăn mòn còn Zn và Mg là anot bị ăn mòn thay cho thép. Người ta chọn những thời điểm thích hợp để thường xuyên thay thế những thanh Zn và Mg luôn bị ăn mòn.

2. Bảo vệ bằng phương pháp phủ

a) Phủ kim loại cần được bảo vệ bằng các kim loại khác không rỉ như Au,Ag,Cu,Sn,Ni,Zn,...

Ví dụ : Vỏ đồng hồ mạ vàng,sắt tây là thép lá tráng thiếc,tôn là thép lá tráng kẽm,...

Chú ý : Kim loại là chất phủ hoạt động kẽm kim loại được bảo vệ(ví dụ như Fe) thì khi lớp bảo vệ bị rạn nứt,chính sắt đóng vai trò là anot sẽ bị ăn mòn.

\(Fe \to Fe^{2+}+2e\ (E^o = +0,44V)\\ Sn \to Sn^{2+} + 2e\ (E^o = +0,14V)\\ Cu \to Cu^{2+} + 2e\ (E^o = -0,34V)\)

b) Phủ bằng các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ như men,dầu mỡ,các chất cao phân tử,...

3. Bảo vệ bằng phương pháp biến đổi hóa học lớp bề mặt

 Ví dụ :

- Photphap hóa bề mặt của vỏ xe oto,... bằng cách nhúng vào dung dịch photphat sắt ,kẽm hay mangan. Kết quả là sẽ có một lớp photphat hỗn tạp bền chắc bảo về(dày 1-50.10^-6m)

- Sắt được thụ động hóa bằng các chất oxi hóa mạnh như ion cromat hay ion pemanganat. Kết quả là tạo ra một lớp oxit bền vững bảo vệ sắt.