GALVÁN KORRÓZIÓ: MECHANIZMUSOK, PÉLDÁK, VÉDELEM - KÉMIA - 2025

A galván vagy az elektrokémiai korrózió olyan folyamat, amelynek során egy fém vagy ötvözet a hagyományos oxidációhoz képest csapadékosabban bomlik le. Elmondható, hogy ez egy gyorsított oxidáció, sőt, szándékosan elősegíti; amint a cellákban vagy az elemekben történik.

Ez számos körülmények között zajlik. Először is aktív fémnek kell lennie, úgynevezett anódnak. Másodszor, ott kell lennie egy alacsony reagálású nemesfémnek, úgynevezett katódnak. A harmadik és a negyedik feltétel egy olyan közeg jelenléte, ahol elektronok terjednek, például víz, és ionos fajok vagy elektrolitok.

Rozsdás vaskorona. Forrás: Pixnio.

A galván korrózió különösen a tengeri környezetben vagy a strandok partján figyelhető meg. A légáramok növelik a vízgőz tömegeit, amelyek viszont néhány iont hordoznak; ez utóbbi a fém felületén levő vékony vízréteghez vagy cseppekhez tapad.

Ezek a páratartalom és sótartalom kedvezőek a fém korróziójának. Vagyis egy vaskorona, mint amely a fenti képen látható, gyorsabban rozsdásodik, ha a tenger közelében van.

A fémek oxidációjának könnyűsége egy másikhoz képest kvantitatív módon mérhető redukciós potenciálján; Az ilyen potenciállal rendelkező táblázatok bőven találhatók a kémia könyvekben: Minél negatívabb vagy, annál nagyobb a hajlandósága a rozsdához.

Hasonlóképpen, ha ez a fém egy nagyon pozitív redukciós potenciállal rendelkező másik jelenlétében van, tehát nagy AE-vel rendelkezik, a reaktív fém oxidációja agresszívebb lesz. Más tényezők, mint például a pH, az ionerősség, a páratartalom, az oxigén jelenléte, valamint az oxidált és csökkentett fém területei közötti kapcsolat is fontosak.

mechanizmusok

Fogalmak és reakciók

Mielőtt a galvanikus korrózió mögött meghúzódó mechanizmusokkal foglalkoznának, bizonyos fogalmakat tisztázni kell.

Redox reakcióban az egyik faj elveszíti az elektronokat (oxidálódik), míg egy másik elnyeri őket (redukálja). Az elektródot, amelyen az oxidáció történik, anódnak nevezzük; és amelyen a redukció bekövetkezik, katód (angolul a mnemonic rule redcat szabályt használják, hogy emlékezzen rá).

Így egy M fém elektródjának (darabja, csavarja stb.), Ha oxidálódik, azt anódnak mondják:

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

A kibocsátott elektronok száma megegyezik a kapott kation pozitív töltésének nagyságával M ^{n +}.

Ezután egy másik elektróda vagy R fém (a fémeknek valamilyen módon érintkezésben kell lenniük) megkapja a felszabadult elektronokat; de ez nem megy keresztül kémiai reakción, ha elektronokat nyer, mivel csak ezeket vezetné (elektromos áram).

Ezért van egy másik faj a megoldásban, amely hivatalosan elfogadja ezeket az elektronokat; ugyanolyan könnyen redukálható fémionok, például:

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

Vagyis egy R fémréteg képződik, és az elektróda ezért nehezebb lesz; míg az M fém tömegveszteséget okozna atomjai feloldódása miatt.

Depolarizers

Mi lenne, ha nem lennének olyan fémkationok, amelyeket elég könnyen lehet redukálni? Ebben az esetben a közegben lévő más fajok veszik az elektronokat: a depolarizátorok. Ezek szorosan kapcsolódnak a pH-hoz: O ₂, H ⁺, OH ^- és H ₂ O.

Oxigén és víz nyerő elektronok egy reakcióban, a következő kémiai egyenlettel kifejezve:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Amíg a H ⁺ -ionok H ₂ -ké alakulnak:

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

Ez, azaz az OH fajok ^- és H ₂ gyakori termékek galvanikus vagy elektrokémiai korrózió.

Még ha az R fém sem vesz részt semmilyen reakcióban, az a tény, hogy nemesebb, mint M, elősegíti oxidációját; és ennek következtében, nem lesz magasabb termelési OH ^- ionok vagy hidrogén gáz. Mivel elvégre ez a különbség a redukciós potenciál, ΔE között, ezen folyamatok egyik fő mozgatórugója.

Vaskorrózió

Korróziós mechanizmus a vashoz. Forrás: Wikipedia.

Az előző pontosítások után foglalkozhatunk a vaskorrózió példájával (felső kép). Tegyük fel, hogy van egy vékony vízréteg, amelyben az oxigén feloldódik. Más fémek jelenléte nélkül a depolarizátorok állítják be a reakció hangját.

Így a vas elveszít néhány atomot a felületéről, hogy feloldódjon vízben, amikor Fe ²⁺ kationok:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

A két elektron áthalad a vasdarabon, mert jó áramvezető. Tehát az oxidáció vagy az anód hely megkezdődött; de nem ott, ahol a katódos hely csökkentése vagy elhelyezkedése folytatódik. A katód hely bárhol lehet; és minél nagyobb a területe, annál rosszabbodik a fém korrodálása.

Tegyük fel, hogy az elektronok egy pontot elérnek, amint az a fenti képen látható. Ott mind az oxigén, mind a víz megy keresztül a már leírt reakcióval, amelynek során az OH ^- felszabadul. Ezek OH ^- anionok képesek reagálni Fe ²⁺ hogy Fe (OH) ₂, amely kicsapódik, és keresztülmegy az azt követő oxidáció, hogy végül átalakítja azt a rozsda.

Eközben az anódhely egyre inkább feltörik.

Példák

A mindennapi életben a galván korrózióra számos példa található. Nem kell utalnunk a vaskoronára: minden fémből készült tárgy ugyanazon a folyamaton mehet keresztül, nedves és sós környezetben.

A tengerparton kívül a tél ideális feltételeket is nyújt a korrózióhoz; például amikor sókat hóba kotol az úton, hogy megakadályozzák az autók csúszását.

Fizikai szempontból a nedvesség visszatartható két fém hegesztett kötésében, mivel ezek aktív korróziós helyek. Ennek oka az, hogy mindkét fém úgy viselkedik, mint két elektróda, a reakcióképesebb pedig elveszíti elektronjait.

Ha a termelés OH ^- ionok jelentős, akkor is megtámadhatják a festék az autó, vagy a kérdéses eszközt.

Anódos indexek

A redukciós potenciál táblázatok felhasználásával elkészítheti saját példáit a galván korrózióról. Ugyanakkor az anodikus index táblázatot (önmagában egyszerűsítve) választják annak bemutatására.

Különböző fémek vagy ötvözetek anódos indexei. Forrás: Wikipedia.

Tegyük fel például, hogy egy elektrokémiai cellát akartunk építeni. Az anódos index táblázat tetején levő fémek katódosabbak; vagyis könnyedén csökkennek, és ezért nehéz lesz megoldásukban megtalálni őket. Míg az alján lévő fémek anódosabbak vagy reaktívabbak, és könnyen korrodálódnak.

Ha az aranyat és a berilliumot választjuk, akkor mindkét fémet nem lehetnék sokáig együtt, mivel a berillium rendkívül gyorsan oxidálódna.

És ha viszont van Ag ⁺ -ionok oldata és belemerítünk egy alumínium rúdba, akkor ugyanakkor oldódik, amikor a fém ezüst részecskék csapódnak ki. Ha ezt a sávot egy grafit elektródhoz csatlakoztatnák, az elektronok odamennének ahhoz, hogy ezüst filmként ezüstöt elektrokémiai úton helyezzék el.

És ha az alumínium rudak helyett rézből készülne, akkor az oldat kékeské válhat, mivel a vízben Cu ²⁺ -ionok vannak.

Elektrokémiai korrózióvédelem

Áldozati bevonatok

Tegyük fel, hogy meg akarja óvni a cinklemezt a korrózió ellen más fémek jelenlétében. A legegyszerűbb megoldás az, ha magnéziumot adunk hozzá, amely bevonja a cinket úgy, hogy oxidálódása után a magnéziumból felszabaduló elektronok visszahúzzák a Zn ²⁺ kationokat.

Ugyanakkor a cinkön lévő MgO-film inkább hamarosan, mint később repedhet, és nagyáramú sűrűségű anódhelyeket biztosít; vagyis a cink korróziója ezeken a pontokon meredeken felgyorsul.

Az elektrokémiai korrózió elleni védelem ezen technikáját áldozati bevonatokként használják. A legismertebb cink, amelyet a híres galvanizálásnak nevezett technikában használnak. Ezekben az M fém, különösen a vas cinkkel (Fe / Zn) van bevonva.

A cink ismét oxidálódik, és oxidja a vas lefedésére szolgál, és elektronokat továbbít arra, amelyek csökkentik a képződött Fe ²⁺ -ot.

Nemes bevonatok

Tegyük fel újra, hogy ugyanazt a cinklapot szeretné megvédeni, de most krómot fog használni a magnézium helyett. A króm nemesebb (katódosabb, lásd az anódszámok táblázatát), mint a cink, ezért nemes bevonatként működik.

Az ilyen típusú bevonatoknál az a probléma, hogy ha egyszer megreped, tovább elősegíti és felgyorsítja az alatta lévő fém oxidációját; ebben az esetben a cink még inkább korrodálódna, mint magnéziummal bevonva.

És végül, vannak más bevonatok, amelyek festékekből, műanyagokból, antioxidánsokból, zsírokból, gyantákból stb. Állnak.

Kísérlet gyermekek számára

Vaslemez a rézsók oldódásában

Az anódindexek ugyanazon táblázata alapján egyszerű kísérletet lehet kidolgozni. Ha ésszerű (kevesebb mint 10 gramm) CuSO ₄ · 5H ₂ O-ot oldunk fel vízben, felkérjük a gyermeket, hogy merítsen egy csiszolt vaslemezre. Fotót készítünk, és hagyjuk, hogy a folyamat pár hétig kibontakozhasson.

Az oldat kezdetben kékes, de elhalványul, amíg a vaslemez rézszínűvé válik. Ennek oka az a tény, hogy a réz nemesebb, mint a vas, és ezért annak Cu ²⁺ kationjai fémes rézré redukálódnak a vas oxidációja által adott ionokból:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Ezüst-oxid tisztítás

Az ezüst tárgyak idővel feketévé válnak, különösen, ha a kénvegyületek forrásával érintkeznek. Rozsda kiküszöbölhető, ha az objektumot merítőkanállal és alumíniumfóliával ellátott víztartályba merítik. A bikarbonát biztosítja az elektrolitokat, amelyek megkönnyítik az elektronok szállítását a tárgy és az alumínium között.

Ennek eredményeként a gyermek észreveszi, hogy az objektum elveszíti fekete foltjait, és jellegzetes ezüst színű színnel világít; míg az alumínium fólia korrodálódni fog, és eltűnik.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
3. Wikipedia. (2019). Galván korrózió. Helyreállítva: en.wikipedia.org
4. Stephen Lower. (2019. június 16.) Elektrokémiai korrózió. Kémia LibreTexts. Helyreállítva: chem.libretexts.org
5. A Nyílt Egyetem. (2018). 2.4 Korróziós folyamatok: galvanikus korrózió. Helyreállítva: open.edu
6. Ügyfélszolgálat Brush Wellman Inc. (sf). Útmutató a galván korrózióhoz. Kefe Wellman által tervezett anyagok.
7. Giorgio Carboni. (1998). Kísérletek az elektrokémia területén. Helyreállítva: funsci.com