GALVANICKÁ KORÓZIA: MECHANIZMY, PRÍKLADY, OCHRANA - CHÉMIA

Galvanické alebo elektrochemická korózia je proces, pri ktorom kov alebo zliatiny degraduje strmšie porovnaní s bežnou oxidáciou. Dá sa povedať, že ide o zrýchlenú oxidáciu a dokonca zámerne podporovanú; ako sa to deje v článkoch alebo batériách.

To sa deje za mnohých podmienok. Najprv musí existovať aktívny kov nazývaný anóda. Po druhé, musí existovať nízko reaktívny ušľachtilý kov nazývaný katóda. Treťou a štvrtou podmienkou je prítomnosť média, v ktorom sa šíria elektróny, napríklad voda, a iónových druhov alebo elektrolytov.

Hrdzavá železná koruna. Zdroj: Pixnio.

Galvanická korózia je obzvlášť pozorovateľná v morskom prostredí alebo na pobreží pláží. Vzduchové prúdy zvyšujú množstvo vodnej pary, ktorá zase nesie niektoré ióny; ten nakoniec skončí priľnutím k tenkej vrstve vody alebo kvapiek, ktoré spočívajú na kovovom povrchu.

Tieto podmienky vlhkosti a slanosti podporujú koróziu kovu. To znamená, že železná koruna, ako je tá na obrázku vyššie, bude hrdzaviť rýchlejšie, ak bude vystavená v blízkosti mora.

Ľahkosť, ktorú bude musieť kov oxidovať v porovnaní s iným, sa dá kvantitatívne merať prostredníctvom jeho redukčných potenciálov; Tabuľky s týmto potenciálom oplývajú v knihách chémie, čím negatívnejší ste, tým väčší je váš sklon k hrdzaveniu.

Podobne, ak je tento kov v prítomnosti iného kovu s veľmi pozitívnym redukčným potenciálom, ktorý má teda veľký AE, oxidácia reaktívneho kovu bude agresívnejšia. Dôležité sú tiež ďalšie faktory, ako je pH, iónová sila, vlhkosť, prítomnosť kyslíka a vzťah medzi oblasťami kovu, ktorý je oxidovaný a ktorý je redukovaný.

mechanizmy

Koncepty a reakcie

Predtým, ako sa budeme zaoberať mechanizmami galvanickej korózie, je potrebné objasniť určité pojmy.

Pri redoxnej reakcii jeden druh stráca elektróny (oxiduje), zatiaľ čo iný ich získava (redukuje). Elektróda, na ktorej dochádza k oxidácii, sa nazýva anóda; a na ktorom nastane redukcia, katóda (v angličtine sa obvykle používa na zmenu mnemotechnické pravidlo redcat).

Teda pre elektródu (kus, skrutku atď.) Z kovu M, ak oxiduje, je to anóda:

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

Počet uvoľnených elektrónov sa bude rovnať veľkosti kladného náboja výsledného katiónu ^{Mn +} .

Potom ďalšia elektróda alebo kov R (oba kovy musia byť nejakým spôsobom v kontakte) prijíma uvoľnené elektróny; ale to nepodlieha chemickej reakcii, ak získava elektróny, pretože by ich viedla iba (elektrický prúd).

Preto musí existovať ďalší druh, ktorý dokáže tieto elektróny formálne prijať; ako ľahko redukované ióny kovov, napríklad:

Rn ⁺ + ne ^- => R

To znamená, že by sa vytvorila vrstva kovu R, a elektróda by sa teda stala ťažšou; zatiaľ čo kov M by stratil hmotnosť v dôsledku rozpustenia jeho atómov.

depolarizátory

Čo keby neexistovali žiadne kovové katióny, ktoré by bolo možné dostatočne ľahko redukovať? V takom prípade vezmú elektróny ďalšie druhy prítomné v médiu: depolarizátory. Tie sú úzko súvisí s pH: O ₂ , H ⁺ , OH ^- a H ₂ O.

Kyslík a voda získavajú elektróny v reakcii vyjadrenej touto chemickou rovnicou:

O ₂ + 2 H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Kým H ⁺ ióny sa transformujú na H ₂ :

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

Je teda druhov OH ^- a H ₂ sú spoločné produkty galvanickej alebo elektrochemickú koróziu.

Aj keď sa kov R nezúčastňuje na žiadnej reakcii, skutočnosť, že je vzácnejšia ako M, podporuje jeho oxidáciu; a v dôsledku toho dôjde k vyššej produkcii OH ^- ióny alebo plynného vodíka. Pretože koniec koncov je to rozdiel medzi redukčnými potenciálmi, ΔE, jedným z hlavných faktorov týchto procesov.

Korózia železa

Korózny mechanizmus pre železo. Zdroj: Wikipedia.

Po predchádzajúcich vysvetleniach je možné osloviť príklad korózie železom (horný obrázok). Predpokladajme, že existuje tenká vrstva vody, v ktorej sa kyslík rozpúšťa. Bez prítomnosti iných kovov určia tón reakcie depolarizátory.

Železo tak stratí z povrchu niektoré atómy, ktoré sa rozpustí vo vode ako katióny Fe ²⁺ :

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Tieto dva elektróny prechádzajú kusom železa, pretože sú dobrým vodičom elektriny. Takže tam, kde je známe miesto oxidácie alebo anódy, je známe; ale nie tam, kde bude prebiehať redukcia alebo umiestnenie katódového miesta. Miesto katódy môže byť kdekoľvek; a čím väčšia je jeho možná plocha, tým horší bude kov korodovať.

Predpokladajme, že elektróny dosiahnu bod tak, ako je to znázornené na obrázku vyššie. Tam už kyslík aj voda prechádzajú už opísanou reakciou, ktorou sa uvoľňuje OH ^- . Tieto OH ^- anióny môžu reagovať s Fe2 ⁺ za vzniku Fe (OH) ₂ , ktorý sa zráža a podlieha následným oxidáciám, ktoré ho nakoniec transformujú na hrdzu.

Medzitým sa anódové miesto čoraz viac krakuje.

Príklady

V každodennom živote je veľa príkladov galvanickej korózie. Nemusíme sa odvolávať na železnú korunu: akýkoľvek artefakt vyrobený z kovu môže podstúpiť rovnaký proces v prítomnosti vlhkého a slaného prostredia.

Okrem pláže môže zima poskytnúť ideálne podmienky aj na koróziu; napríklad pri odhadzovaní solí do snehu na ceste, aby sa zabránilo šmyku automobilov.

Z fyzikálneho hľadiska sa vlhkosť môže udržať vo zvarových spojoch dvoch kovov, ktoré sú aktívnymi miestami korózie. Je to tak preto, lebo oba kovy sa správajú ako dve elektródy, pričom reaktívnejšia stráca elektróny.

V prípade, že výroba OH ^- iónov je značná, môže dokonca spôsobiť koróziu lak vozidla alebo zariadenia sa jedná.

Anodické indexy

Je možné zostaviť vlastné príklady galvanickej korózie pomocou tabuliek redukčného potenciálu. Na ilustráciu tohto bodu sa však použije anodická indexová tabuľka (sama osebe zjednodušená).

Anodické indexy rôznych kovov alebo zliatin. Zdroj: Wikipedia.

Predpokladajme napríklad, že sme chceli postaviť elektrochemický článok. Kovy, ktoré sú na vrchole tabuľky anódových indexov, sú katodickejšie; to znamená, že sa dajú ľahko znížiť, a preto bude ťažké mať ich v riešení. Zatiaľ čo kovy, ktoré sú dole, sú anodické alebo reaktívnejšie a ľahko korodujú.

Ak zvolíme zlato a berýlium, obidva kovy by spolu nemohli byť dlho spolu, pretože berýlium by oxidovalo veľmi rýchlo.

A ak na druhej strane máme roztok iónov Ag ⁺ a ponoríme do neho hliníkovú tyčinku, rozpustí sa súčasne s tým, ako sa zrážajú kovové častice striebra. Keby bola táto lišta spojená s grafitovou elektródou, elektróny by k nej cestovali a elektrochemicky by na ňu ukladali striebro ako strieborný film.

Ak by sa namiesto hliníkovej tyče vyrobila z medi, roztok by sa kvôli prítomnosti iónov Cu ²⁺ vo vode zmodral.

Elektrochemická ochrana proti korózii

Obetné povlaky

Predpokladajme, že chcete chrániť zinkový plech pred koróziou v prítomnosti iných kovov. Najjednoduchšou možnosťou by bolo pridať horčík, ktorý by obalil zinok tak, aby po oxidácii elektróny uvoľnené z horčíka znížili katióny Zn2 ⁺ späť.

Film MgO na zinku by však skončil praskanie skôr ako neskôr, čím by sa poskytli miesta s anódami s vysokou hustotou prúdu; to znamená, že korózia zinku by sa v týchto miestach prudko zrýchlila.

Táto technika ochrany proti elektrochemickej korózii je známa ako použitie obetných povlakov. Najznámejší je zinok používaný v známej technike zvanej galvanizácia. V nich je kov M, najmä železo, potiahnutý zinkom (Fe / Zn).

Oxid zinočnatý a jeho oxid opäť slúži na zakrytie železa a prenos elektrónov k nemu, ktoré znižujú vznikajúci Fe2 ⁺ .

Ušľachtilé povlaky

Predpokladajme znova, že chcete chrániť ten istý plech zinku, ale namiesto horčíka budete teraz používať chróm. Chróm je ušľachtilejší (viac katodický, pozri tabuľku anódových čísel) ako zinok, a preto funguje ako ušľachtilý povlak.

Problémom tohto typu povlaku je to, že keď praskne, bude ďalej podporovať a urýchľovať oxidáciu kovu pod; v tomto prípade by zinok korodoval ešte viac, než by bol potiahnutý horčíkom.

Nakoniec existujú aj ďalšie nátery, ktoré pozostávajú z farieb, plastov, antioxidantov, tukov, živíc atď.

Experiment pre deti

Železná doska pri rozpúšťaní solí medi

Z tej istej tabuľky anódových indexov možno vyvodiť jednoduchý experiment. Rozpustenie primerané množstvo (menej ako 10 gramov) CuSO ₄ · 5H ₂ O vo vode, dieťa je požiadaný, aby ponoriť do leštené železnej dosky. Vytvorí sa fotografia a proces sa môže na niekoľko týždňov rozvinúť.

Roztok je spočiatku namodralý, ale začne miznúť, zatiaľ čo železná doska zmení farbu na medenú. Je to spôsobené skutočnosťou, že meď je ušľachtilejšia ako železo, a preto sa jej katióny Cu ²⁺ z iónov, ktoré vznikajú oxidáciou železa, zredukujú na kovovú meď:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Čistenie oxidu strieborného

Strieborné predmety časom sčernú, najmä ak sú v kontakte so zdrojom zlúčenín síry. Jej hrdzu je možné odstrániť ponorením predmetu do kúpeľa vody s jedlou sódou a hliníkovou fóliou. Hydrogenuhličitan poskytuje elektrolyty, ktoré uľahčujú transport elektrónov medzi objektom a hliníkom.

Výsledkom je, že dieťa ocení, že predmet stráca svoje čierne škvrny a bude žiariť svojou charakteristickou striebornou farbou; zatiaľ čo hliníková fólia koroduje a zmizne.

Referencie

Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning.
Wikipedia. (2019). Galvanická korózia. Obnovené z: en.wikipedia.org
Stephen Lower. (16. júna 2019). Elektrochemická korózia. Chémia LibreTexts. Obnovené z: chem.libretexts.org
Open University. (2018). 2.4 Korózne procesy: galvanická korózia. Obnovené z: open.edu
Brush Wellman Inc. (sf). Sprievodca galvanickou koróziou. Materiály skonštruované pre kefy.
Giorgio Carboni. (1998). Experimenty v elektrochémii. Obnovené z: funsci.com

GALVANICKÁ KORÓZIA: MECHANIZMY, PRÍKLADY, OCHRANA - CHÉMIA - 2026