GALVANSKA KOROZIJA: MEHANIZMI, PRIMERI, ZAŠČITA - KEMIJA - 2025

Galvanska ali elektrokemični korozija je postopek, pri katerem kovina ali zlitina okrni bolj strmo v primerjavi s konvencionalno oksidacijo. Lahko rečemo, da gre za pospešeno oksidacijo in celo namerno spodbujanje; kot se zgodi v celicah ali baterijah.

To poteka pod številnimi pogoji. Najprej mora obstajati aktivna kovina, imenovana anoda. Tudi in drugič, mora obstajati nizko reaktivna plemenita kovina, imenovana katoda. Tretji in četrti pogoj sta prisotnost medija, v katerem se razmnožujejo elektroni, na primer voda, in ionskih vrst ali elektrolitov.

Zarjavela železna krona. Vir: Pixnio.

Galvanska korozija je še posebej opazna v morskih okoljih ali na plaži. Zračni tokovi dvigajo maso vodne pare, ki v sebi nosi nekaj ionov; slednji se lepijo na tanko plast vode ali kapljic, ki počivajo na kovinski površini.

Ti pogoji vlažnosti in slanosti ugodno korozijo kovine. To pomeni, da bo železna krona, kot je ta na zgornji sliki, hitreje zarjavela, če je izpostavljena bližini morja.

Enostavnost, ki jo bo kovina morala oksidirati v primerjavi z drugo, je mogoče količinsko meriti z njenimi potenci redukcije; Tabele s temi potenciali obilujejo knjige o kemiji. Bolj ko ste negativni, večji je vaš nagib k rjavi.

Prav tako, če je ta kovina v prisotnosti druge z zelo pozitivnim redukcijskim potencialom in ima torej velik ΔE, bo oksidacija reaktivne kovine bolj agresivna. Pomembni so tudi drugi dejavniki, kot so pH, ionska trdnost, vlaga, prisotnost kisika in razmerje med površinami kovine, ki se oksidira, in tistim, ki se zmanjša.

Mehanizmi

Pojmi in reakcije

Preden se lotimo mehanizmov, ki stojijo za galvansko korozijo, je treba razjasniti nekatere koncepte.

Pri redoks reakciji ena vrsta izgubi elektrone (oksidira), druga pa jih pridobi (zmanjša). Elektroda, na kateri pride do oksidacije, se imenuje anoda; in na katerem pride do redukcije, katoda (v angleščini se zapomni običajno mnemonsko pravilo redcat).

Tako za elektrodo (kos, vijak itd.) Kovinske M, če oksidira, rečemo, da je anoda:

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

Število sproščenih elektronov bo enako velikosti pozitivnega naboja nastalega kationa M ^{n +} .

Potem druga elektroda ali kovina R (obe kovini morata biti na nek način v stiku) sprejema sproščene elektrone; vendar ta ne doživi kemične reakcije, če pridobi elektrone, saj bi jih le tako vodil (električni tok).

Zato mora biti v raztopini še ena vrsta, ki lahko formalno sprejme te elektrone; kot enostavno reducirani kovinski ioni, na primer:

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

To pomeni, da bi nastala plast kovine R in elektroda bi zato postala težja; kovinski material pa bi izgubil maso zaradi raztapljanja njegovih atomov.

Depolarizatorji

Kaj pa, če ne bi bilo kovinskih kationov, ki bi jih bilo mogoče enostavno reducirati? V tem primeru bodo druge vrste, ki so prisotne v mediju, prevzele elektrone: depolarizatorje. Ti so tesno povezane s pH: O ₂ , H ⁺ , OH ^- in H ₂ O.

Kisik in voda pridobivajo elektrone v reakciji, izraženi z naslednjo kemijsko enačbo:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Medtem ko se ioni H ⁺ pretvorijo v H ₂ :

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

To sicer vrste OH ^- in H ₂ so skupnih produktov galvanska ali elektrokemično korozijo.

Tudi če kovina R ne sodeluje v nobeni reakciji, dejstvo, da je plemenitejše od M, spodbuja njegovo oksidacijo; posledično bo večja proizvodnja OH ^- ionov ali vodikovega plina. Ker je navsezadnje razlika med redukcijskimi potenciali, ΔE, eden glavnih dejavnikov teh procesov.

Korozija železa

Korozijski mehanizem za železo. Vir: Wikipedia.

Po predhodnih pojasnilih je mogoče obravnavati primer korozije železa (zgornja slika). Recimo, da je tanka plast vode, v kateri se raztopi kisik. Brez prisotnosti drugih kovin bodo ton reakcije postavili depolarizatorji.

Tako bo železo izgubilo nekaj atomov s svoje površine, da se raztopi v vodi kot Fe ²⁺ kationi :

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Dva elektrona bosta potovala skozi košček železa, ker je dober prevodnik električne energije. Torej, kje se je začelo oksidacijo ali mesto anode, je znano; ne pa tudi, kje bo prišlo do zmanjšanja ali lokacije katodnega mesta. Stran s katodo je lahko kjer koli; in večje ko je možno območje, slabše bo kovina korodirala.

Predpostavimo, da elektroni dosežejo točko, kot je prikazano na zgornji sliki. Tukaj sta kisik in voda opraviti reakcijo že opisano, s katero OH ^- se sprosti . Ti OH ^- anioni lahko reagirajo s Fe ²⁺ in tvorijo Fe (OH) ₂ , ki se obori in podvrže kasnejšim oksidacijam, ki ga sčasoma spremenijo v rjo.

Medtem pa anodno mesto vedno bolj poči.

Primeri

V vsakdanjem življenju so primeri galvanske korozije številni. Ni treba, da se sklicujemo na železno krono: vsak artefakt, narejen iz kovin, lahko pod istim postopkom ob vlažnem in slanem okolju.

Poleg plaže lahko pozimi nudijo tudi idealne pogoje za korozijo; na primer pri odrivanju soli v sneg na cesti, da se prepreči drsanje avtomobilov.

S fizičnega vidika se lahko vlaga zadrži v varjenih spojih dveh kovin, ki sta aktivni mesti korozije. To je zato, ker se obe kovini obnašata kot dve elektrodi, bolj reaktivna pa izgublja elektrone.

Če je proizvodnja OH ^- ionov precejšnja, lahko celo korodira barvo avtomobila ali zadevne naprave.

Anodni indeksi

Lahko uporabimo svoje primere galvanske korozije z uporabo tabel potenciala redukcije. Vendar bo za prikaz te točke izbrana tabela z anodnim indeksom (poenostavljena).

Anodni indeksi za različne kovine ali zlitine. Vir: Wikipedia.

Recimo na primer, da smo želeli zgraditi elektrokemično celico. Kovine, ki so na vrhu tabele z anodnim indeksom, so bolj katodne; to je, da jih je enostavno zmanjšati in jih bo zato težko rešiti. Kovine, ki so na dnu, so bolj anodne ali reaktivne in se zlahka korodirajo.

Če izberemo zlato in berilij, obe kovini ne bi mogli biti dolgo skupaj, saj bi se berilij izjemno hitro oksidiral.

In če imamo na drugi strani raztopino ionov Ag ⁺ in vanj potopimo aluminijasto palico, se bo ta istočasno raztopila, tako da se obarjajo kovinski delci srebra. Če bi to palico povezali z grafitno elektrodo, bi elektroni potovali vanjo, da bi na njej elektrokemično odlagali srebro kot srebrni film.

In če bi bila namesto aluminijaste palice narejena iz bakra, bi raztopina postala modrikast zaradi prisotnosti ionov Cu ²⁺ v vodi.

Elektrokemična zaščita pred korozijo

Žrtveni premazi

Recimo, da želite zaščititi cinkovo ​​pločevino pred korozijo v prisotnosti drugih kovin. Najenostavnejša možnost bi bila, da dodamo magnezij, ki bi prevlekel cink, tako da bi elektroni, ki se sprostijo iz magnezija, oksidirani, zmanjšali katione Zn ²⁺ nazaj.

Vendar bi film MgO na cinku slej ko prej počil, kar bi zagotovilo anodna mesta z visoko gostoto toka; to pomeni, da bi se korozija cinka na teh točkah močno pospešila.

Ta tehnika zaščite pred elektrokemijsko korozijo je znana kot uporaba žrtvenih prevlek. Najbolj znan je cink, ki se uporablja v znameniti tehniki, imenovani pocinkanje. V njih je kovina M, zlasti železo, prevlečena s cinkom (Fe / Zn).

Ponovno se cink oksidira in njegov oksid služi za pokrivanje železa in oddajanje elektronov vanj, ki zmanjšujejo nastanek Fe ²⁺ .

Plemeniti premazi

Recimo še enkrat, da želite zaščititi isti list cinka, zdaj pa boste namesto magnezija uporabljali krom. Krom je bolj plemenit (bolj katodni, glej tabelo anodnih številk) kot cink, zato deluje kot žlahtna prevleka.

Težava te vrste prevleke je v tem, da ko enkrat poči, bo ta dodatno spodbudila in pospešila oksidacijo kovine pod njo; v tem primeru bi cink korodiral še bolj kot premazan z magnezijem.

In končno so še drugi premazi, ki so sestavljeni iz barv, plastike, antioksidantov, maščob, smol itd.

Preizkus za otroke

Železna plošča pri raztapljanju bakrovih soli

Iz iste tabele anodnih indeksov lahko oblikujemo preprost eksperiment. Otrok naj raztopi primerno količino (manj kot 10 gramov) CuSO ₄ · 5H ₂ O v vodi, da se potopi v polirano železno ploščo. Posneta je fotografija in postopek se lahko odvije nekaj tednov.

Raztopina je sprva modrikast, vendar bo začela bledeti, medtem ko železna plošča obarva bakreno barvo. To je posledica dejstva, da je baker plemenitejši od železa, zato se njegovi kationi Cu ²⁺ reducirajo na kovinski baker iz ionov, dobljenih z oksidacijo železa:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Čiščenje srebrovega oksida

Srebrni predmeti sčasoma postanejo črni, še posebej, če so v stiku z virom žveplovih spojin. Njeno rjo lahko odstranite tako, da predmet potopite v kad z vodo s sodo bikarbono in aluminijasto folijo. Soda bikarbona zagotavlja elektrolite, ki bodo olajšali transport elektronov med objektom in aluminijem.

Kot rezultat, bo otrok cenil, da predmet izgubi črne lise in bo zasijal s svojo značilno srebrno barvo; medtem ko bo aluminijasta folija korodirala, da izgine.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje.
3. Wikipedija. (2019). Galvanska korozija. Pridobljeno: en.wikipedia.org
4. Stephen Lower. (16. junij 2019). Elektrokemijska korozija. Kemija LibreTexts. Pridobljeno: chem.libretexts.org
5. Odprta univerza. (2018). 2.4 Korozijski procesi: galvanska korozija. Pridobljeno: open.edu
6. Podjetje za tehnične storitve Brush Wellman Inc. (sf). Vodnik po galvanski koroziji. Brush Wellman inženirski materiali.
7. Giorgio Carboni. (1998). Poskusi v elektrokemiji. Pridobljeno: funsci.com