GALVANSKA KOROZIJA: MEHANIZMI, PRIMJERI, ZAŠTITA - KEMIJA - 2026

Galvanski ili elektrokemijske korozije je proces u kojem metalna legura ili degradira više opala u odnosu na konvencionalne oksidaciju. Može se reći da je to ubrzana oksidacija, pa čak i namjerno promovirana; kao što se događa u ćelijama ili baterijama.

To se događa pod brojnim uvjetima. Prvo, mora postojati aktivni metal, nazvan anoda. Također, i drugo, mora postojati nisko reaktivni plemeniti metal koji se naziva katoda. Treći i četvrti uvjet su prisutnost medija u kojem se elektroni šire, kao što je voda, i jonskih vrsta ili elektrolita.

Rusty iron iron. Izvor: Pixnio.

Galvanska korozija posebno je vidljiva u morskom okruženju ili na obalama plaža. Zračne struje podižu mase vodene pare, koje zauzvrat nose neke ione; potonji se naliježu na tanki sloj vode ili kapi koji počivaju na metalnoj površini.

Ovi uvjeti vlažnosti i slanosti pogoduju koroziji metala. Odnosno, željezna kruna poput one na gornjoj slici brže će zahrđati ako se izloži u blizini mora.

Lakoća koju će metal morati oksidirati u usporedbi s drugom može se mjeriti kvantitativno pomoću njegovih potencijala redukcije; Tablice s tim potencijalima obiluju kemijskim knjigama. Što ste negativniji, to je veća i vaša sklonost hrđanju.

Isto tako, ako je ovaj metal u prisutnosti druge s vrlo pozitivnim redukcijskim potencijalom, te stoga ima veliku ΔE, oksidacija reaktivnog metala bit će agresivnija. Važni su i drugi čimbenici, kao što su pH, ionska snaga, vlaga, prisutnost kisika i odnos metala koji se oksidira i koji se smanjuje.

mehanizmi

Pojmovi i reakcije

Prije nego što se pozabavimo mehanizmima koji stoje iza galvanske korozije, potrebno je razjasniti određene koncepte.

U redoks reakciji, jedna vrsta gubi elektrone (oksidira), a druga ih dobija (smanjuje). Elektroda na kojoj se dogodi oksidacija naziva se anoda; a na kojoj dolazi do redukcije, katoda (u engleskom se mnemografsko pravilo redcat obično koristi za pamćenje).

Dakle, za elektrodu (komad, vijak, itd.) Metalnog M, ako on oksidira, kaže se da je anoda:

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

Broj oslobođenih elektrona bit će jednak veličini pozitivnog naboja rezultirajućeg kationa M ^{n +}.

Tada druga elektroda ili metal R (oba metala moraju biti na neki način u kontaktu), primaju oslobođene elektrone; ali to ne prolazi kemijsku reakciju ako dobije elektrone, jer bi ih samo provodilo (električna struja).

Stoga u otopini mora postojati još jedna vrsta koja može formalno prihvatiti te elektrone; kao lako reducirani metalni ioni, na primjer:

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

Odnosno, formirao bi se sloj metala R, a elektroda bi stoga postala teža; dok bi metal M izgubio masu zbog otapanja njegovih atoma.

Depolarizers

Što ako nema metalnih kationa koji bi se mogli lako smanjiti? U tom slučaju će druge vrste prisutne u mediju uzimati elektrone: depolarizatore. To su usko povezani s pH: O ₂, H ⁺, OH ^- i H ₂ O.

Elektroni dobivaju kisik i vodu u reakciji izraženoj sljedećom kemijskom jednadžbom:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Dok se ioni H ⁺ pretvaraju u H ₂:

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

To odnosno vrsta OH ^- i H ₂ su uobičajene proizvode galvansku ili elektrokemijsku koroziju.

Čak i ako metalni R ne sudjeluje ni u jednoj reakciji, činjenica da je plemenitiji od M potiče njegovu oksidaciju; Posljedično, doći će do veće proizvodnje OH ^- iona ili vodikovog plina. Jer, na kraju krajeva, upravo je razlika između redukcijskih potencijala, ΔE, jedan od glavnih pokretača ovih procesa.

Korozija željeza

Korozijski mehanizam za željezo. Izvor: Wikipedia.

Nakon prethodnih pojašnjenja, može se obratiti primjeru korozije željeza (gornja slika). Pretpostavimo da postoji tanak sloj vode u kojem se otapa kisik. Bez prisustva drugih metala, ton će reakcije postaviti depolarizeri.

Dakle, željezo će izgubiti neke atome sa svoje površine da bi se rastopilo u vodi kao Fe ²⁺ kationi:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Dva elektrona će putovati kroz komad željeza jer je dobar provodnik električne energije. Dakle, otkud je započela oksidacija ili mjesto anode; ali ne i tamo gdje će se odvijati smanjenje ili mjesto katodnog mjesta. Mjesto s katodom može biti bilo gdje; a što je veće moguće područje, metal će se još više korodirati.

Pretpostavimo da elektroni dosežu točku kao što je prikazano na gornjoj slici. Postoji i kisik i vodu prolaze reakciju je već opisano, od kojih OH ^- oslobađa. Ti OH ^- anioni mogu reagirati s Fe ²⁺ da formiraju Fe (OH) ₂, koji se taloži i podliježe naknadnim oksidacijama koje ga na kraju pretvaraju u hrđu.

U međuvremenu, mjesto anode pukne sve više i više.

Primjeri

U svakodnevnom su životu brojni primjeri galvanske korozije. Ne moramo se odnositi na željeznu krunu: bilo koji artefakt od metala može proći isti postupak u vlažnom i slanom okruženju.

Osim plaže, zima može pružiti i idealne uvjete za koroziju; na primjer, prilikom bacanja soli u snijeg na cesti kako bi se spriječilo klizanje automobila.

S fizičkog stajališta, vlaga se može zadržati u zavarenim spojevima dvaju metala, što su aktivna mjesta korozije. To se događa zato što se oba metala ponašaju kao dvije elektrode, pri čemu reaktivnija gubi elektrone.

Ako je proizvodnja OH ^- iona značajna, može čak i nagrizati boju automobila ili uređaja u pitanju.

Anodni indeksi

Može se konstruirati vlastite primjere galvanske korozije koristeći tablice potencijala za smanjenje. Međutim, tablica anodnog indeksa (pojednostavljena sama po sebi) bit će odabrana za ilustraciju ove točke.

Anodni indeksi za različite metale ili legure. Izvor: Wikipedia.

Pretpostavimo na primjer da smo htjeli izgraditi elektrokemijsku ćeliju. Metali koji su na vrhu tablice anodnog indeksa su više katodni; to jest, oni se lako smanjuju i zato će biti teško imati ih u rješenju. Dok su metali koji se nalaze na dnu više su anodni ili reaktivni, i lako se korodiraju.

Ako odaberemo zlato i berilij, oba metala ne bi mogla dugo biti zajedno, jer bi se berili oksidirao vrlo brzo.

A ako s druge strane imamo otopinu Ag ⁺ iona i u nju uronimo aluminijsku šipku, ona će se istog trenutka rastopiti i taložiti metalne čestice srebra. Ako bi se ova šipka spojila s grafitnom elektrodom, elektroni bi putovali do nje kako bi elektrokemijski na nju položili srebro kao film srebra.

A da je umjesto aluminijske šipke izrađena od bakra, rješenje bi postalo plavkasto zbog prisutnosti Cu ²⁺ iona u vodi.

Elektrokemijska zaštita od korozije

Žrtveni premazi

Pretpostavimo da želite zaštititi pocinčani lim od korozije u prisustvu drugih metala. Najjednostavnija opcija bila bi dodavanje magnezija, koji bi premazao cink, tako da, kad se oksidira, elektroni koji se oslobađaju iz magnezija smanjuju povratke kationa Zn ²⁺.

Međutim, MgO film na cinku završio bi prije i puknuo, osiguravajući anodna mjesta visoke gustoće struje; to jest, korozija cinka naglo bi se ubrzala u samo tim točkama.

Ova tehnika zaštite od elektrokemijske korozije poznata je kao upotreba žrtvenih obloga. Najpoznatiji je cink, koji se koristi u poznatoj tehnici koja se naziva pocinčavanje. U njima je metal M, posebno željezo, obložen cinkom (Fe / Zn).

Ponovno, cink oksidira i njegov oksid služi za prekrivanje željeza i prijenos elektrona u njemu koji smanjuju Fe ²⁺ koji se mogu formirati.

Plemeniti premazi

Pretpostavimo opet da želite zaštititi isti lim cinka, ali sada ćete umjesto kroma koristiti krom. Krom je plemenitiji (katodni, vidi tablicu anodnih brojeva) od cinka, i stoga djeluje kao plemeniti premaz.

Problem ove vrste prevlaka je u tome što jednom kada pukne, to će dodatno promovirati i ubrzati oksidaciju metala ispod; cink bi u ovom slučaju korodirao čak i više nego što bi bio premazan magnezijem.

I na kraju, postoje i drugi premazi koji se sastoje od boja, plastike, antioksidansa, masti, smola itd.

Eksperimentirajte za djecu

Željezna ploča u otapanju bakrenih soli

Jednostavni eksperiment može se osmisliti iz iste tablice anodnih indeksa. Otapanje razumni (manje od 10 grama) CuSO ₄ · 5H ₂ O u vodi, dijete se traži da umočiti u poliranog čelična ploča. Snimljena je fotografija i postupak se dopušta da se odvija nekoliko tjedana.

Otopina je u početku plavkast, ali će početi izblijediti dok željezna ploča poprimi bakrenu boju. To je zbog činjenice da je bakar plemenitiji od željeza, pa će se zato njegovi ka 2 Cu ²⁺ reducirati u metalni bakar iz iona dobivenih oksidacijom željeza:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Čišćenje srebrnim oksidom

Srebrni predmeti s vremenom postaju crni, pogotovo ako su u kontaktu s izvorom sumpornih spojeva. Njegova hrđa može se ukloniti uranjanjem predmeta u kadu s vodom sa sodom bikarbonom i aluminijskom folijom. Soda bikarbona osigurava elektrolite koji će olakšati transport elektrona između predmeta i aluminija.

Kao rezultat toga, dijete će shvatiti da predmet gubi crne mrlje i da će svijetliti karakterističnom srebrnom bojom; dok će aluminijska folija korodirati i nestati.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck i Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje.
3. Wikipedia. (2019). Galvanska korozija. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
4. Stephen Lower. (16. lipnja 2019.). Elektrokemijska korozija. Kemija LibreTexts. Oporavak od: chem.libretexts.org
5. Pučko otvoreno učilište. (2018.). 2.4 Postupci korozije: galvanska korozija. Oporavak od: open.edu
6. Korisnička tehnička služba četkica Wellman Inc. (sf). Vodič za galvansku koroziju. Četkajte Wellman-ove materijale.
7. Giorgio Carboni. (1998). Eksperimenti u elektrokemiji. Oporavilo sa: funsci.com