Bài 20: Sự ăn mòn kim loại

HÃ¬nh áº£nh cÃ³ liÃªn quan — Vỏ tàu biển làm từ kim loại bị ăn mòn

Khái niệm

Sự ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường xung quanh

Hậu quả là kim loại bị oxi hóa thành các ion dương bởi các quá trình hóa học hoặc điện hóa:

Những dạng ăn mòn kim loại

Việc phân loại các dạng ăn mòn kim loại được dựa vào cơ chế, điều kiện, đặc trưng của từng dạng ăn mòn mà phân thành hai dạng chính: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa

Ăn mòn hóa học

Định nghĩa

Là quá trình oxi hóa khử, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường.

Nguyên nhân

Ăn mòn hóa học xảy ra do kim loại phản ứng với oxi, clo, hơi nước, axit

Ví dụ: Thanh sắt ngâm trong nước bị gỉ sét.

Tính chất

Phản ứng chậm, không phát sinh dòng điện

$\dpi{100} Fe + H_{2}O \overset{t^{o}}{\rightarrow} Fe_{3}O_{4} + H_{2}$

$\dpi{100} 2Al + 3Cl_{2} \rightarrow 2AlCl_{3}$

$\dpi{100} Zn + HCl \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}$

$\dpi{100} Cu + 2FeCl_{3} \rightarrow 2FeCl_{2} + CuCl_{2}$

Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa là loại ăn mòn kim loại phổ biến và nghiêm trọng nhất

Định nghĩa

Ăn mòn điện hóa học là quá trình oxi hóa – khử

Ăn mòn điện hóa là sự tác dụng điện hóa giữa kim loại với môi trường.

Về phản ứng điện hóa sẽ xảy ra trên 2 vùng khác nhau của bề mặt kim loại là vùng anot và vùng catot.

Môi trường, nhiệt độ, điện thế điện cực của kim loại,…là yếu tố quyết định đến tốc độ ăn mòn.

Nguyên nhân

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.
Thường xảy ra khi cặp kim loại (hoặc hợp kim) để ngoài không khí ẩm, hoặc nhúng trong dung dịch axit, dung dịch muối, trong nước không nguyên chất

Ví dụ: Phần vỏ tàu biển chìm trong nước, ống dẫn đặt trong lòng đất, kim loại tiếp xúc với không khí ẩm…

Điều kiện

Phải thỏa mãn đồng thời 3 điều kiện:

Các điện cực phải khác nhau về bản chất: 2 kim loại khác nhau; kim loại – phi kim (Fe-C)
2 điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn
Cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện ly

Tính chất

Tốc độ ăn mòn điện hoá phụ thuộc:

Các điện cực: Các kim loại có tính khử càng khác nhau nhiều sự ăn mòn xảy ra càng nhanh.
Nồng độ dung dịch chất điện li: nồng độ càng cao, tốc độ ăn mòn càng lớn

Cơ chế

Anot: xảy ra sự oxi hoá kim loại thành ion dương
Catot: xảy ra sự khử

Ví dụ:

Sự ăn mòn điện hóa một vật bằng gang (hợp kim Fe – C) trong môi trường không khí ẩm có hòa tan khí CO2, SO2, O2… sẽ tạo ra một lớp dung dịch điện li phủ bên ngoài kim loại.

Fe: cực âm; C: cực dương.

Ở cực dương: xảy ra phản ứng khử:

$\dpi{100} 2H^{+} + 2e \rightarrow H_{2}$

$\dpi{100} O_{2} + 2H_{2}O + 4e \rightarrow 4OH^{-}$

Ở cực âm: xảy ra phản ứng oxi hóa

$\dpi{100} Fe \rightarrow Fe^{2^{+}} + 2e$

Những Fe2+ tan vào dung dịch chứa oxi → Fe3+ và tạo gỉ sắt có thành phần $\dpi{100} Fe_{2}O_{3}.nH_{2}O$

	Ăn mòn hóa học	Ăn mòn điện hóa học
Điều kiện	Thường xảy ra ở những thiết bị lò đốt Những thiết bị thường xuyên phải tiếp xúc với hơi nước và khí oxi	Các điện cực phải khác nhau về bản chất: 2 kim loại khác nhau; kim loại – phi kim (Fe-C) 2 điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn Cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện ly
Cơ chế của sự ăn mòn	Fe tiếp xúc với hơi nước, khí oxi thường xảy ra phản ứng: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2↑ 3Fe + 2O2 Fe3O4	Sự ăn mòn điện hóa một vật bằng gang (hợp kim Fe – C) trong môi trường không khí ẩm có hòa tan khí CO2, SO2, O2… sẽ tạo ra một lớp dung dịch điện li phủ bên ngoài kim loại. Fe: cực âm; C: cực dương. Ở cực dương: xảy ra phản ứng khử: $\dpi{100} 2H^{+} + 2e \rightarrow H_{2}$ $\dpi{100} O_{2} + 2H_{2}O + 4e \rightarrow 4OH^{-}$ Ở cực âm: xảy ra phản ứng oxi hóa: $\dpi{100} Fe \rightarrow Fe^{2^{+}} + 2e$ Những Fe2+ tan vào dung dịch chứa oxi → Fe3+ và tạo gỉ sắt có thành phần Fe2O3.nH2O
Bản chất của sự ăn mòn	Là quá trình oxi hóa – khử Các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường, ăn mòn xảy ra chậm	Là sự ăn mòn kim loại do tác dụng của dung dịch chất điện li và tạo nên dòng điện. Ăn mòn điện hóa xảy ra nhanh hơn ăn mòn hóa học

Chống ăn mòn kim loại

Dùng hợp kim chống gỉ, hợp kim inox: Biện pháp này khá đắt tiền vì vậy việc sử dụng còn gặp nhiều hạn chế

Lau chùi, để nơi khô ráo thoáng

Dùng chất chống ngăn mòn

Káº¿t quáº£ hÃ¬nh áº£nh cho Än mÃ²n kim loáº¡i — Bọc ống chống ăn mòn bảo vệ cho đường ống kim loại

Phương pháp bảo vệ bề mặt

Cách li kim loại với môi trường

Phủ lên bề mặt kim loại một lớp sơn, dầu mỡ, chất dẻo hoặc tráng, mạ bằng một kim loại khác, nhúng nhựa
Lớp bảo vệ bề mặt kim loại có cấu tạo đặc khít không cho không khí và nước thấm qua

Dùng phương pháp điện hoá

Cho tiếp xúc với kim loại mạnh hơn trong dung dịch chất điện ly

( Cần phải khảo sát kỹ các hóa chất trong trường tiếp xúc của kim loại, điều kiện nhiệt độ, áp suất,…)

Ví dụ:

Dùng một tấm kim loại khác nối với tấm kim loại cần được bảo vệ, đa số người ta hay dùng 1 tấm kẽm.
Khi thiết bị hoạt động thì tấm kẽm bị ăn mòn dần, sau một thời gian người ta sẽ thay tấm kẽm khác.