Bài 16. Hợp kim - Sự ăn mòn kim loại

I. Hợp kim

1. Khái niệm hợp kim và việc sử dụng phổ biến của hợp kim

- Hợp kim là vật liệu kim loại chứa kim loại cơ bản và một số kim loại khác hoặc phi kim.

- Ví dụ: Thép là hợp kim gồm kim loại cơ bản Fe, phi kim C và một số kim loại như Cr, Ni,...

- Hợp kim thường khó bị oxi hoá, chúng là vật liệu để chế tạo dụng cụ, thiết bị, máy móc, khung của các công trình xây dựng.

2. Tính chất của hợp kim  

- Tính chất hóa học: thường tương tự như tính chất hóa học của các đơn chất thành phần tham gia tạo hợp kim. 

- Tính chất vật lí và tính chất cơ học: thường khác nhiều so với tính chất của các đơn chất thành phần tham gia tạo hợp kim, ví dụ: so với đơn chất kim loại, hợp kim có thể cứng hơn, nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn.

3. Một số hợp kim của sắt và nhôm

a) Hợp kim của sắt

- "Inox" - hợp kim khổng gỉ, thường là thép có chứa Cr.

b) Hợp kim của nhôm

- Duralumin (dural) là hợp kim quan trọng nhất của nhôm, gồm nhôm, đồng, magnesium, manganese,….

- Tính chất nổi bật của dural: nhẹ, cứng, bền.

- Ứng dụng: dùng trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay; áo giáp, khiên bảo vệ trong lĩnh vực quốc phòng; sản xuất các chi tiết trong lĩnh vực chế tạo ô tô, chế tạo máy,….

II. Ăn mòn kim loại

1. Hiện tượng ăn mòn và khái niệm ăn mòn

- Sự ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường, trong đó kim loại bị oxi hóa.

M → Mⁿ⁺ + ne

2. Các dạng ăn mòn kim loại

a) Ăn mòn hóa học

- Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa – khử, trong đó các electron của kim loại chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường.

- Ví dụ: Các chi tiết bằng vật liệu kim loại của máy móc dùng trong các nhà máy hóa chất, những thiết bị của lò đốt, nồi hơi, các chi tiết của động cơ đốt trong bị ăn mòn do tác dụng trực tiếp với các hóa chất hoặc oxygen hay với hơi nước ở nhiệt độ cao.

- Nhiệt độ càng cao, vật liệu kim loại bị ăn mòn càng nhanh.

b) Ăn mòn điện hóa

- Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn kim loại do sự tạo thành pin điện hoá. 

 Ví dụ: Sự ăn mòn điện hoá gang, thép trong không khí ẩm

Trong không khí ẩm, trên bê mặt của gang, thép luôn có một lớp nước rất mỏng đã hoà tan khí oxygen và carbon dioxide trong khí quyển, tạo thành dung dịch chất điện li. Gang, thép có thành phần chính là sắt và carbon cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện li tạo nên vô số pin rất nhỏ mà sắt là anode và carbon là cathode.

Tại anode, sắt bị oxi hoá thành ion Fe²⁺:

Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e

Các electron được chuyển đến cathode.

Tại cathode, khí oxygen hoà tan trong nước bị khử thành ion OH^-:

\(\dfrac{1}{2}\)O₂(g) + H₂O(l) + 2e → 2OH^-(aq)

Fe²⁺ tiếp tục bị oxi hoá bởi O₂ trong không khí khi có mặt ion OH^- tạo ra gỉ sắt màu nâu đỏ (có thành phần chủ yếu là Fe₂O₃.nH₂O).

3. Chống ăn mòn kim loại

a) Phương pháp phủ bề mặt

- Cách thức thực hiện: phủ lên bề mặt của kim loại một lớp sơn, dầu, mỡ, chất dẻo hoặc tráng, mạ bằng một kim loại khác.

- Ví dụ: Tráng kẽm lên bề mặt của tấm thép mỏng để sản xuất tôn lợp nhà, mạ chromium lên bề mặt thép để làm vật liệu chế tạo các dụng cụ y tế.

b) Phương pháp điện hóa

- Cách thức thực hiện: Nối kim loại cần bảo vệ với một kim loại hoạt động hóa học mạnh hơn. Kim loại có tính khử mạnh hơn bị ăn mòn, kim loại có tính khử yếu hơn được bảo vệ.

- Ví dụ: Để bảo vệ vỏ tàu biển làm bằng thép, người ta hàn những khối kẽm lên mặt ngoài của vỏ tàu.