Sự ăn mòn hóa học

I. Khái niệm

Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường
 M → Mn+ + ne

II. Hai dạng ăn mòn hóa học

Căn cứ vào môi trường và cơ chế của sự ăn mòn kim loại, người ta phân thành hai dạng chính: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa

1. Ăn mòn hóa học

- Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa – khử, trong đó kim loại phản ứng trực tiếp với các chất oxi hóa trong môi trường (các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường) và không có xuất hiện dòng điện.
Ví dụ:
3Fe + 4H2O --> Fe3O4 + 4H2
2Fe + 3Cl2 -->  2FeCl3
3Fe + 2O2 -->  Fe3O4

- Ăn mòn hóa học thường xảy ra ở những bộ phận của thiết bị lò đốt hoặc những thiết bị thường xuyên tiếp xúc với hơi nước và khí oxi…

2. Ăn mòn điện hóa học

Ăn mòn điện hóa học là loại ăn mòn kim loại phổ biến và nghiêm trọng nhất trong tự nhiên

a. Khái niệm về ăn mòn điện hóa học: 

+ Thí nghiệm: Rót dung dịch H2SO4 loãng vào cốc thủy tinh rồi cắm hai thanh kim loại khác nhau, ví dụ một thanh Zn và một thanh Cu vào cốc. Nối hai thanh kim loại bằng một dây dẫn có mắc nối tiếp với một điện kế

+ Hiện tượng:
- Khi chưa nối dây dẫn, thanh Zn bị hòa tan và bọt Hiđro thoát ra ở bề mặt thanh Zn
- Khi nối dây dẫn, thanh Zn bị ăn mòn nhanh chóng trong dung dịch điện li, kim điện kế bị lệch, bọt khí H2 thoát ra ở cả thanh Cu

+ Giải thích: 

• Khi chưa nối dây dẫn, Zn bị ăn mòn hóa học do phản ứng: Zn + 2H+ → Zn2+ + H2 nên bọt khí H2 sinh ra trên bề mặt thanh Zn
• Khi nối hai thanh Cu và Zn bằng một dây dẫn, một pin điện hóa Zn – Cu được hình thành (pin Vôn-ta), trong đó Zn đóng vai trò cực âm. 
• Các electron đã di chuyển từ cực âm (Zn) đến cực dương (Cu) tạo ra dòng điện một chiều làm kim điện kế bị lệch và làm tăng mật độ electron trên thanh Cu. 
• Nhờ đó một phần H+ đến nhận electron trên thanh Cu và bị khử thành H2 làm sủi bọt khí trên thanh Cu: 2H+ + 2e → H2
• Phản ứng điện hóa chung xảy ra trong pin: Zn + 2H+ → Zn2+ + H2

Vậy 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 có sự xuất hiện dòng điện 

b. Điều kiện xảy ra ăn mòn điện hóa học: đồng thời cả 3 điều kiện sau:

• Các điện cực phải khác nhau về bản chất. Có thể là cặp hai kim loại khác nhau, kim loại – phi kim hay kim loại – hợp chất. Kim loại có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn là cực âm
• Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn
• Các điện cực cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện li

c. Ăn mòn điện hóa học hợp kim của sắt (gang, thép) trong không khí ẩm

• Gang, thép là hợp kim Fe – C gồm những tinh thể Fe tiếp xúc trực tiếp với tinh thể C (graphit)
• Không khí ẩm có chứa H2O, CO2, O2…tạo ra lớp dung dịch chất điện li phủ lên bề mặt gang, thép làm xuất hiện vô số pin điện hóa mà Fe là cực âm, C là cực dương.

Quá trình ăn mòn điện hóa hợp kim sắt trong không khí

• Ở cực âm xảy ra sự oxi hóa: Fe → Fe2+ + 2e
• Ở cực dương xảy ra sự khử: 2H+ + 2e → H2 và O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
• Tiếp theo: Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2
• 4Fe(OH)2 + O2(kk) + 2H2O → 4Fe(OH)3
• Theo thời gian Fe(OH)3 sẽ bị mất nước tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe2O3.xH2O

III. Chống ăn mòn kim loại

1. Phương pháp bảo vệ bề mặt

Phương pháp bảo vệ bề mặt là phủ lên bề mặt kim loại một lớp sơn, dầu mỡ, chất dẻo hoặc tráng, mạ bằng một kim loại khác. Nếu lớp bảo vệ bị hư, kim loại sẽ bị ăn mòn.

Ví dụ: Sắt tây là sắt tráng thiếc dùng làm hộp đựng thực phẩm vì thiếc là kim loại khó bị oxi hóa ở nhiệt độ thường, màng oxit thiếc mỏng và mịn cũng có tác dụng bảo vệ thiếc và thiếc oxit không độc lại có màu trắng bạc khá đẹp. Thiếc là kim loại mềm, dễ bị xay xát. Nếu vết xay xát sâu tới lớp sắt bên trong thì sẽ xảy ra ăn mòn điện hóa học, kết quả là sắt bị ăn mòn nhanh

2. Phương pháp điện hóa

Phương pháp bảo vệ điện hóa là dùng một kim loại có tính khử mạnh hơn làm vật hi sinh để bảo vệ vật liệu kim loại. Vật hi sinh và kim loại cần bảo vệ hình thành một pin điện, trong đó vật hi sinh đóng vai trò cực âm và bị ăn mòn 

Ví dụ: Để bảo vệ vỏ tàu biển bằng thép, người ta gắn chặt những tấm kẽm vào phần vỏ tàu ngâm trong nước biển. Vì khi gắn miếng Zn lên vỏ tàu bằng thép sẽ hình thành một pin điện, phần vỏ tàu bằng thép là cực dương, các lá Zn là cực âm và bị ăn mòn theo cơ chế:

• Ở anot (cực âm): Zn → Zn2+ + 2e
• Ở catot (cực dương): 2H2O + O2 + 4e → 4OH-

Kết quả là vỏ tàu được bảo vệ, Zn là vật hi sinh, nó bị ăn mòn

Theo Moon