GALVAANINEN KORROOSIO: MEKANISMIT, ESIMERKIT, SUOJAUS - KEMIA - 2026

Galvaaninen tai sähkökemiallinen korroosio on prosessi, jossa metallia tai seosta hajoaa enemmän jyrkästi verrattuna tavanomaiseen hapettumista. Voidaan sanoa, että se on kiihtynyt hapettuminen ja jopa tahallisesti edistetty; kuten soluissa tai paristoissa tapahtuu.

Tämä tapahtuu monissa olosuhteissa. Ensinnäkin on oltava aktiivinen metalli, nimeltään anodi. Lisäksi, ja toiseksi, siellä on oltava heikosti reaktiivinen jalometalli, jota kutsutaan katodi. Kolmas ja neljäs olosuhde ovat väliaineen, jossa elektronit etenivät, kuten vesi, läsnäolo ja ionisten lajien tai elektrolyyttien läsnäolo.

Ruosteinen rauta kruunu. Lähde: Pixnio.

Galvaaninen korroosio on erityisen havaittavissa meriympäristössä tai rantojen rannalla. Ilmavirrat nostavat vesihöyryn massaa, joka puolestaan ​​kuljettaa joitain ioneja; jälkimmäiset lopulta kiinnittyvät ohueseen vesikerrokseen tai tippoihin, jotka lepäävät metallin pinnalla.

Nämä kosteuden ja suolapitoisuuden olosuhteet suosivat metallin korroosiota. Eli kuvan kaltainen rauta kruunu ruostuu nopeammin, jos se altistuu meren läheisyyteen.

Helppous, jonka metalli hapettaa toiseen verrattuna, voidaan mitata kvantitatiivisesti pelkistyspotentiaaliensa kautta; Taulukoita, joilla on nämä potentiaalit, on runsaasti kemian kirjoissa. Mitä negatiivisempi olet, sitä suurempi taipumus ruosteeseen on.

Samoin, jos tämä metalli on läsnä toisen kanssa, jolla on erittäin positiivinen pelkistyspotentiaali, jolloin sillä on suuri AE, reaktiivisen metallin hapettuminen on aggressiivisempaa. Muut tekijät, kuten pH, ionivahvuus, kosteus, hapen läsnäolo sekä hapettuneen ja vähentyneen metallin pinta-alojen välinen suhde, ovat myös tärkeitä.

mekanismit

Käsitteet ja reaktiot

Ennen galvaanisen korroosion takana olevien mekanismien käsittelemistä on syytä selventää joitain käsitteitä.

Redox-reaktiossa yksi laji menettää elektroneja (hapettuu), kun taas toinen saavuttaa ne (pelkistää). Elektrodia, jolla hapettuminen tapahtuu, kutsutaan anodiksi; ja jonka kohdalla pelkistys tapahtuu, katodi (englanniksi muisto-sääntöä redcat käytetään yleensä sen muistamiseen).

Siten metallin M elektrodille (pala, ruuvi jne.), Jos se hapettuu, sanotaan olevan anodi:

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

Vapautettujen elektronien lukumäärä on yhtä suuri kuin tuloksena olevan kationin M ^{n +} positiivisen varauksen suuruus.

Sitten toinen elektrodi tai metalli R (molempien metallien on oltava jollain tavoin kosketuksissa) vastaanottaa vapautetut elektronit; mutta tämä ei käy läpi kemiallista reaktiota, jos se saa elektroneja, koska se johtaisi vain niitä (sähkövirta).

Siksi ratkaisussa on oltava toinen laji, joka voi muodollisesti hyväksyä nämä elektronit; yhtä helposti pelkistävät metalli-ionit, esimerkiksi:

Rn ⁺ + ne ^- => R

Toisin sanoen kerros metallia R muodostuisi ja elektrodi muuttuisi siten raskaammaksi; samalla kun metalli M menettäisi massan atomiensa liukeneessa.

depolarointiaineet

Entä jos ei olisi metallikationeja, jotka voitaisiin pelkistää riittävän helposti? Tällöin muut väliaineessa olevat lajit ottavat elektronit: depolarisaattorit. Nämä liittyvät läheisesti pH: O ₂, H ⁺, OH ^- ja H ₂: lla

Hapen ja veden voiman elektronit reaktiossa ilmaistaan ​​seuraavalla kemiallisella yhtälöllä:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Kun taas H ⁺ ionit muuttuvat H ₂:

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

Se toisin sanoen OH laji ^- ja H ₂ ovat yleisiä tuotteita galvaaninen tai sähkökemiallisen korroosion.

Vaikka metalli R ei osallistu mihinkään reaktioon, se, että se on jalompi kuin M, edistää sen hapettumista; ja tästä seuraa, että OH ^- ioneja tai vetykaasua syntyy enemmän. Koska loppujen lopuksi se on ero pelkistyspotentiaalien välillä, ΔE, yksi näiden prosessien päätekijöistä.

Rautakorroosio

Raudan korroosiomekanismi. Lähde: Wikipedia.

Edellisten selvennysten jälkeen voidaan käsitellä esimerkki rautakorroosiosta (yläkuva). Oletetaan, että on ohut vesikerros, johon happi liukenee. Ilman muiden metallien läsnäoloa, depolarisaattorit asettavat reaktion äänen.

Siksi rauta menettää tietyt atomit pinnastaan ​​liukenemaan veteen Fe ²⁺ -kationeina:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Nämä kaksi elektronia kulkevat rautakappaleen läpi, koska se on hyvä sähkönjohdin. Joten missä hapetus tai anodikohta alkoi, tiedetään; mutta ei missä katodikohdan vähennys tai sijainti etenee. Katodikohta voi olla missä tahansa; ja mitä suurempi sen mahdollinen alue on, sitä huonompi metalli syövyttää.

Oletetaan, että elektronit saavuttavat pisteen yllä olevan kuvan osoittamalla tavalla. Siellä sekä happi että vesi käyvät läpi jo kuvatun reaktion, jonka avulla OH ^- vapautuu. Nämä OH ^- anionit voivat reagoida Fe ^{2+: n} kanssa muodostaakseen Fe (OH) _{2: n}, joka saostuu ja käy läpi myöhemmät hapettumiset, jotka lopulta muuttavat sen ruosteeksi.

Samaan aikaan anodikohta halkeilee yhä enemmän.

esimerkit

Arkielämässä esimerkkejä galvaanisesta korroosiosta on paljon. Meidän ei tarvitse viitata raudan kruunuun: kaikki metalleista tehdyt esineet voivat käydä läpi saman prosessin kostean ja suolaisen ympäristön ollessa läsnä.

Talvi voi rannan lisäksi tarjota myös ihanteelliset olosuhteet korroosiolle; esimerkiksi kun lapioidaan suoloja lumelle tiellä autojen liukumisen estämiseksi.

Fysikaaliselta kannalta kosteus voidaan pidättää kahden metallin hitsatuissa liitoksissa, koska ne ovat aktiivisia korroosiokohtia. Tämä johtuu siitä, että molemmat metallit käyttäytyvät kuin kaksi elektrodia, kun reaktiivisempi menettää elektroninsa.

Jos tuotanto OH ^- ionien on huomattava, se voi jopa syövyttää maali auton tai kyseessä oleva laite.

Anodiset indeksit

Voidaan rakentaa omat esimerkit galvaanisesta korroosiosta käyttämällä pelkistyspotentiaalitaulukoita. Anodinen hakemistotaulukko (yksinkertaistettu sinänsä) valitaan kuitenkin tämän kohdan havainnollistamiseksi.

Eri metallien tai seosten anodiset indeksit. Lähde: Wikipedia.

Oletetaan esimerkiksi, että halusimme rakentaa sähkökemiallisen kennon. Metallit, jotka ovat anodisen indeksitaulukon yläosassa, ovat katodisempia; ts. niitä pienennetään helposti, ja siksi on vaikeaa saada niitä ratkaisuun. Vaikka pohjassa olevat metallit ovat enemmän anodisia tai reaktiivisia, ja ne syövyttävät helposti.

Jos valitsemme kullan ja berylliumin, molemmat metallit eivät voisi olla pitkään yhdessä, koska beryllium hapettuu erittäin nopeasti.

Ja jos toisaalta meillä on Ag ⁺ -ionien liuos ja upotamme siihen alumiinitankoa, se liukenee samaan aikaan, kun metallisia hopeapartikkeleita saostuu. Jos tämä tanko olisi kytketty grafiittielektrodiin, elektronit kulkisivat siihen, jotta se saisi sähkökemiallisesti hopeaa sen päälle hopeakalvona.

Ja jos se olisi alumiinitangon sijaan valmistettu kuparista, liuos muuttuisi sinertäväksi vedessä olevien Cu2 ⁺ -ionien vuoksi.

Sähkökemiallinen korroosionesto

Uhrautuvat pinnoitteet

Oletetaan, että haluat suojata sinkkilevyä korroosiolta muiden metallien läsnäollessa. Yksinkertaisin vaihtoehto olisi lisätä magnesiumia, joka päällystäisi sinkin niin, että hapettuneensa magnesiumista vapautuneet elektronit vähentäisivät Zn ²⁺ -kationeja.

Sinkin MgO-kalvo päätyisi kuitenkin halkeilemaan aikaisemmin kuin myöhemmin tarjoamalla korkean virrantiheyden anodikohtia; ts. sinkin korroosio kiihtyisi voimakkaasti juuri näissä kohdissa.

Tämä tekniikka suojaamiseksi sähkökemialliselta korroosiolta tunnetaan uhrauspäällysteiden käytönä. Tunnetuin on sinkki, jota käytetään kuuluisassa galvanointitekniikassa. Niissä metalli M, erityisesti rauta, on päällystetty sinkillä (Fe / Zn).

Sinkki taas hapettuu ja sen oksidin tarkoituksena on peittää rauta ja siirtää siihen elektronia, jotka vähentävät muodostuvaa Fe2 ^{+: ta}.

Noble pinnoitteet

Oletetaan jälleen, että haluat suojata saman sinkkiarkin, mutta nyt käytät kromia magnesiumin sijaan. Kromi on jalompaa (katodisempaa, katso anodilukujen taulukko) kuin sinkki, ja toimii siksi jalopäällysteenä.

Tämän tyyppisen pinnoitteen ongelmana on, että kun se halkeilee, se edistää ja kiihdyttää edelleen metallin hapettumista sen alla; tässä tapauksessa sinkki syövyttäisi jopa enemmän kuin magnesiumilla päällystetty.

Ja lopuksi, on myös muita pinnoitteita, jotka koostuvat maalista, muovista, antioksidantteista, rasvoista, hartseista jne.

Koe lapsille

Rautalevy kuparisuolojen liukenemisessa

Samasta anodi-indeksitaulukosta voidaan laatia yksinkertainen koe. Liuotettaessa kohtuullinen määrä (alle 10 grammaa) CuSO ₄ · 5H ₂ O: ta veteen, lasta pyydetään upottamaan kiillotettuun rautalevyyn. Valokuva otetaan ja prosessin annetaan edetä tapahtuvan pari viikkoa.

Liuos on alunperin sinertävä, mutta alkaa haalistua, kun rautalevy muuttuu kopioväriksi. Tämä johtuu tosiasiasta, että kupari on jalompaa kuin rauta, ja siksi sen Cu ²⁺ -kationit pelkistyvät metallikupariksi raudan hapettumisen annetuista ioneista:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Hopeoksidin puhdistus

Hopeat esineet muuttuvat mustiksi ajan myötä, varsinkin jos ne ovat kosketuksessa rikkiyhdisteiden lähteeseen. Sen ruoste voidaan poistaa upottamalla esine vesisäiliöön ruokasoodaa ja alumiinifoliolla. Bikarbonaatti tarjoaa elektrolyyttejä, jotka helpottavat elektronien kuljetusta esineen ja alumiinin välillä.

Seurauksena on, että lapsi ymmärtää, että esine menettää mustat täplänsä ja hehkuu ominaisella hopeanvärillään; kun taas alumiinifolio syövyttää katoavan.

Viitteet

1. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. (2008). Kemia. (8. painos). CENGAGE -oppiminen.
3. Wikipedia. (2019). Galvaaninen korroosio. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
4. Stephen Alempi. (16. kesäkuuta 2019). Sähkökemiallinen korroosio. Kemia LibreTexts. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
5. Avoin yliopisto. (2018). 2.4 Korroosioprosessit: galvaaninen korroosio. Palautettu: open.edu
6. Asiakkaan tekninen palvelu Brush Wellman Inc. (sf). Opas galvaaniseen korroosioon. Harjaa Wellmanin suunnitellut materiaalit.
7. Giorgio Carboni. (1998). Kokeet sähkökemiassa. Palautettu sivustolta: funsci.com