ĂN MÒN GALVANIC: CƠ CHẾ, VÍ DỤ, BẢO VỆ - HÓA HỌC - 2025

Các ăn mòn điện hoặc điện hóa là một quá trình trong đó một kim loại hoặc hợp kim xuống cấp chóng mặt hơn so với quá trình oxy hóa thông thường. Có thể nói, đó là một quá trình oxy hóa tăng tốc, và thậm chí, được thúc đẩy một cách có chủ đích; như xảy ra trong tế bào hoặc pin.

Điều này diễn ra trong một số điều kiện. Đầu tiên, phải có một kim loại hoạt động, được gọi là cực dương. Ngoài ra, và thứ hai, phải có một kim loại quý phản ứng thấp được gọi là cực âm. Điều kiện thứ ba và thứ tư là sự hiện diện của môi trường nơi các điện tử lan truyền, chẳng hạn như nước, và của các loại ion hoặc chất điện phân.

Vương miện bằng sắt han gỉ. Nguồn: Pixnio.

Ăn mòn Galvanic đặc biệt có thể quan sát được trong môi trường biển hoặc trên bờ biển. Các dòng không khí nâng cao khối lượng hơi nước, do đó mang theo một số ion; phần sau kết thúc với một lớp nước mỏng hoặc những giọt đọng lại trên bề mặt kim loại.

Những điều kiện về độ ẩm và độ mặn này có lợi cho sự ăn mòn của kim loại. Tức là, một chiếc vương miện bằng sắt như trong hình trên sẽ nhanh chóng bị gỉ hơn nếu nó tiếp xúc với vùng lân cận của biển.

Mức độ dễ dàng mà một kim loại sẽ phải oxy hóa so với một kim loại khác có thể được đo định lượng thông qua các thế khử của nó; Những chiếc bàn có khả năng này có rất nhiều trong sách hóa học, bạn càng tiêu cực thì khả năng bị gỉ càng lớn.

Tương tự như vậy, nếu kim loại này có mặt của kim loại khác có thế khử rất dương, do đó có ΔE lớn, thì tính oxi hóa của kim loại phản ứng sẽ mạnh hơn. Các yếu tố khác, chẳng hạn như pH, cường độ ion, độ ẩm, sự hiện diện của oxy và mối quan hệ giữa các khu vực của kim loại bị oxy hóa và bị khử, cũng rất quan trọng.

Cơ chế

Khái niệm và phản ứng

Trước khi giải quyết các cơ chế đằng sau sự ăn mòn điện, một số khái niệm cần được làm rõ.

Trong phản ứng oxi hóa khử, một loài mất electron (oxi hóa) trong khi loài khác nhận được (khử). Điện cực xảy ra quá trình oxy hóa được gọi là cực dương; và trên đó sự giảm xảy ra, cathode (trong tiếng Anh, quy tắc ghi nhớ redcat thường được sử dụng để ghi nhớ nó).

Vì vậy, đối với một điện cực (một mảnh, đinh vít, v.v.) bằng kim loại M, nếu nó bị oxi hóa, nó được coi là cực dương:

M => M ^{n +} + ne ^-

Số electron được giải phóng sẽ bằng độ lớn điện tích dương của cation M ^{n + tạo thành} .

Sau đó, một điện cực khác hoặc kim loại R (cả hai kim loại phải tiếp xúc theo một cách nào đó), nhận các electron được giải phóng; nhưng điều này không trải qua một phản ứng hóa học nếu nó nhận được các electron, vì nó sẽ chỉ dẫn chúng (dòng điện).

Do đó, phải có một loài khác trong dung dịch có thể chính thức nhận các electron này; như các ion kim loại dễ bị khử, ví dụ:

R ^{n +} + ne ^- => R

Nghĩa là, một lớp kim loại R sẽ hình thành và điện cực do đó sẽ trở nên nặng hơn; trong khi kim loại M bị mất khối lượng do các nguyên tử của nó tan ra.

Chất khử cực

Điều gì sẽ xảy ra nếu không có cation kim loại nào có thể bị khử một cách dễ dàng? Trong trường hợp đó, các loài khác có mặt trong môi trường sẽ lấy các điện tử: chất khử cực. Chúng liên quan chặt chẽ đến pH: O ₂ , H ⁺ , OH ^- và H ₂ O.

Oxy và nước thu được electron trong một phản ứng được biểu thị bằng phương trình hóa học sau:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Trong khi các ion H ⁺ được chuyển hóa thành H ₂ :

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

Nó tức là các loại OH ^- và H ₂ là các sản phẩm thông thường của ăn mòn điện hóa hoặc điện hóa.

Ngay cả khi kim loại R không tham gia phản ứng nào thì kim loại R càng cao càng phát huy được tính oxi hóa; và do đó, sẽ tạo ra nhiều ion OH ^- hoặc khí hydro. Bởi vì, xét cho cùng, đó là sự khác biệt giữa các điện thế giảm, ΔE, một trong những động lực chính của các quá trình này.

Ăn mòn sắt

Cơ chế ăn mòn sắt. Nguồn: Wikipedia.

Sau khi làm rõ trước đó, ví dụ về sự ăn mòn sắt có thể được giải quyết (hình trên cùng). Giả sử có một lớp nước mỏng trong đó oxy hòa tan. Nếu không có sự hiện diện của các kim loại khác, nó sẽ là chất khử cực sẽ thiết lập giai điệu cho phản ứng.

Do đó, sắt sẽ mất một số nguyên tử khỏi bề mặt của nó để hòa tan trong nước dưới dạng cation Fe ²⁺ :

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Hai êlectron sẽ truyền qua miếng sắt vì nó là chất dẫn điện tốt. Vì vậy, nơi quá trình oxy hóa hoặc vị trí cực dương bắt đầu được biết đến; nhưng không phải nơi giảm hoặc vị trí của vị trí cathode sẽ tiến hành. Vị trí cực âm có thể ở bất cứ đâu; và diện tích có thể có của nó càng lớn, kim loại sẽ bị ăn mòn càng nặng.

Giả sử các electron đến một điểm như trong hình trên. Ở đó, cả oxy và nước đều trải qua phản ứng đã được mô tả, theo đó OH ^- được giải phóng . Các anion OH ^{- này} có thể phản ứng với Fe ²⁺ để tạo thành Fe (OH) ₂ , chất này kết tủa và trải qua quá trình oxy hóa tiếp theo, cuối cùng biến nó thành gỉ.

Trong khi đó, vị trí cực dương bị nứt ngày càng nhiều.

Ví dụ

Trong cuộc sống hàng ngày, rất nhiều ví dụ về sự ăn mòn của galvanic. Chúng ta không cần phải nói đến vương miện bằng sắt: bất kỳ đồ tạo tác nào làm bằng kim loại đều có thể trải qua quá trình tương tự trong điều kiện môi trường ẩm và mặn.

Ngoài bãi biển, mùa đông cũng có thể tạo điều kiện lý tưởng cho sự ăn mòn; ví dụ, khi xúc muối vào tuyết trên đường để ngăn ô tô trượt.

Từ quan điểm vật lý, hơi ẩm có thể được giữ lại trong các mối hàn của hai kim loại, là vị trí hoạt động của ăn mòn. Điều này là do cả hai kim loại hoạt động giống như hai điện cực, với một điện cực phản ứng mạnh hơn sẽ mất đi các electron.

Nếu việc tạo ra các ion OH ^- là đáng kể, nó thậm chí có thể ăn mòn lớp sơn của ô tô hoặc thiết bị được đề cập.

Chỉ số anốt

Người ta có thể xây dựng các ví dụ của riêng mình về sự ăn mòn điện bằng cách sử dụng các bảng thế năng khử. Tuy nhiên, bảng chỉ số anốt (được đơn giản hóa theo ý muốn) sẽ được chọn để minh họa điểm này.

Các chỉ số anốt cho các kim loại hoặc hợp kim khác nhau. Nguồn: Wikipedia.

Ví dụ, giả sử rằng chúng ta muốn chế tạo một tế bào điện hóa. Những kim loại đứng đầu bảng chỉ số anốt thì catốt nhiều hơn; nghĩa là, chúng dễ dàng bị giảm và do đó sẽ khó có chúng trong giải pháp. Trong khi các kim loại ở dưới cùng thì anốt hoặc phản ứng mạnh hơn và chúng dễ bị ăn mòn.

Nếu chúng ta chọn vàng và berili, cả hai kim loại không thể ở cùng nhau được lâu, vì beri sẽ bị oxy hóa cực kỳ nhanh chóng.

Và ngược lại, nếu chúng ta có một dung dịch có ion Ag ⁺ và nhúng một thanh nhôm vào đó, nó sẽ tan ra đồng thời các hạt bạc kim loại kết tủa. Nếu thanh này được nối với một điện cực graphit, các electron sẽ di chuyển tới nó để tạo ra bạc điện hóa trên nó như một màng bạc.

Và nếu thay vì thanh nhôm, nó được làm bằng đồng, dung dịch sẽ chuyển sang màu xanh do sự hiện diện của ion Cu ²⁺ trong nước.

Bảo vệ chống ăn mòn điện hóa

Lớp phủ hy sinh

Giả sử bạn muốn bảo vệ một tấm kẽm khỏi bị ăn mòn khi có các kim loại khác. Lựa chọn đơn giản nhất là thêm magiê, chất này sẽ bao phủ kẽm để sau khi bị oxy hóa, các điện tử giải phóng khỏi magiê sẽ khử các cation Zn ²⁺ trở lại.

Tuy nhiên, màng MgO trên kẽm sẽ sớm bị nứt vỡ, tạo ra các vị trí cực dương có mật độ dòng điện cao; nghĩa là, sự ăn mòn của kẽm sẽ tăng nhanh chỉ tại những điểm đó.

Kỹ thuật bảo vệ chống lại sự ăn mòn điện hóa này được gọi là việc sử dụng các lớp phủ hy sinh. Được biết đến nhiều nhất là kẽm, được sử dụng trong kỹ thuật nổi tiếng gọi là mạ kẽm. Trong đó, kim loại M, đặc biệt là sắt, được tráng kẽm (Fe / Zn).

Một lần nữa, kẽm bị oxy hóa và oxit của nó đóng vai trò bao phủ sắt và truyền các điện tử cho nó để khử Fe ²⁺ có thể được hình thành.

Lớp phủ cao quý

Giả sử một lần nữa rằng bạn muốn bảo vệ cùng một tấm kẽm, nhưng bây giờ bạn sẽ sử dụng crom thay vì magiê. Crom cao hơn (nhiều catốt hơn, xem bảng số anốt) hơn kẽm, và do đó nó hoạt động như một lớp phủ cao quý.

Vấn đề với loại lớp phủ này là một khi nó bị nứt, nó sẽ tiếp tục thúc đẩy và đẩy nhanh quá trình oxy hóa của kim loại bên dưới; trong trường hợp này, kẽm sẽ bị ăn mòn nhiều hơn so với việc được phủ bằng magiê.

Và cuối cùng, có những lớp phủ khác bao gồm sơn, nhựa, chất chống oxy hóa, chất béo, nhựa, v.v.

Thử nghiệm cho trẻ em

Tấm sắt hòa tan muối đồng

Một thí nghiệm đơn giản có thể được nghĩ ra từ cùng một bảng các chỉ số cực dương. Hòa tan một lượng vừa đủ (dưới 10 gam) CuSO ₄ · 5H ₂ O vào nước, người ta yêu cầu một em nhúng vào một tấm sắt đã được mài nhẵn. Một bức ảnh được chụp và quá trình này được phép diễn ra trong vài tuần.

Dung dịch ban đầu có màu hơi xanh, nhưng sẽ bắt đầu mờ dần trong khi tấm sắt chuyển sang màu đồng. Điều này là do thực tế là đồng cao hơn sắt, và do đó các cation Cu ²⁺ của nó sẽ bị khử thành đồng kim loại từ các ion do quá trình oxy hóa của sắt:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Làm sạch oxit bạc

Các đồ vật bằng bạc sẽ chuyển sang màu đen theo thời gian, đặc biệt nếu chúng tiếp xúc với nguồn hợp chất lưu huỳnh. Có thể loại bỏ rỉ sét bằng cách nhúng đồ vật vào bồn nước có pha muối nở và lá nhôm. Bicarbonate cung cấp các chất điện phân sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển các electron giữa vật thể và nhôm.

Kết quả là, đứa trẻ sẽ đánh giá cao rằng vật thể mất đi các đốm đen và sẽ phát sáng với màu bạc đặc trưng của nó; trong khi lá nhôm bị ăn mòn sẽ biến mất.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
3. Wikipedia. (2019). Sự ăn mòn điện. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
4. Stephen Lower. (Ngày 16 tháng 6 năm 2019). Ăn mòn điện hóa. Hóa học LibreTexts. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
5. Trường Đại học Mở. (2018). 2.4 Các quá trình ăn mòn: ăn mòn galvanic. Được khôi phục từ: open.edu
6. Dịch vụ kỹ thuật khách hàng Bàn chải Wellman Inc. (sf). Hướng dẫn về ăn mòn Galvanic. Bàn chải Vật liệu kỹ thuật Wellman.
7. Giorgio Carboni. (1998). Thí nghiệm điện hóa học. Phục hồi từ: funsci.com