Bài 16. Hợp kim và sự ăn mòn kim loại

- Sự ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường. Có hai loại ăn mòn chính: ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá.

- Có hai phương pháp thường dùng để chống ăn mòn kim loại: phương pháp bảo vệ bề mặt và phương pháp điện hoá.

Các hợp kim thường gặp:

- Hợp kim của sắt như gang, thép, inox,…

- Hợp kim của nhôm như dural,…

- Tính chất hóa học của hợp kim tương tự như tính chất hóa học của các đơn chất thành phần.

- Hợp kim còn có các tính chất khác hơn so với các đơn chất thành phần như bền dù ở nhiệt độ cao, ít bị ăn mòn; cứng hơn; độ dẫn điện, dẫn nhiệt của hợp kim thường kém hơn;...

- Các yếu tố gây nên sự ăn mòn kim loại: hơi nước, khí oxygen, acid có trong nước mưa, không khí ẩm, muối có trong nước biển,…

- Bản chất của quá trình ăn mòn là quá trình oxi hóa khử, trong đó kim loại là chất bị oxi hóa.

- Khi chưa nối dây dẫn, thanh sắt bị hoà tan trong dung dịch \(\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4}\), xuất hiện bọt khí \(\mathrm{H}_{2}\) thoát ra ở bề mặt thanh sắt

.- Khi nối dây dẫn giữa thanh sắt và thanh đồng, sắt bị ăn mòn nhanh hơn trong dung dịch \(\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4}\), xuất hiện bọt khí \(\mathrm{H}_{2}\) thoát ra ở bề mặt thanh sắt và thanh đồng, đèn sáng.

+ Quá trình oxi hóa: \(\mathrm{Fe} \rightarrow \mathrm{Fe}^{2+}+2 \mathrm{e}\)

+ Quá trình khử: \(2 \mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{e} \rightarrow \mathrm{H}_{2}\)

- Sau một thời gian để trong không khí ẩm sợi đây bị đứt ở chỗ nối bên nhôm.

- Giải thích: ở vị trí nối hai kim loại, nhôm bị ăn mòn điện hóa. Khi nhôm và đồng tiếp xúc trực tiếp với nhau và cùng tiếp xúc với không khí ẩm, hiện tượng ăn mòn điện hóa xuất hiện.

+ Nhôm đóng vai trò là anode (-): \(\mathrm{Al} \rightarrow \mathrm{Al}^{3+}+3 \mathrm{e}\)

+ Đồng đóng vai trò là cathode (+): \(\mathrm{O}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+4 \mathrm{e} \rightarrow 4 \mathrm{OH}^{-}\)

Kết quả của hiện tượng này là nhôm bị ăn mòn ở vị trí tiếp xúc với đồng, làm sợi dây bị đứt.

Thành phần chính của thép là Fe, khi gắn \(\mathrm{Zn}\) vào vỏ tàu sẽ tạo thành cặp điện cực \(\mathrm{Zn}-\mathrm{Fe}\). Hai điện cực tiếp xúc trực tiếp với nhau và cùng tiếp xúc với dung dịch điện li (nước biển) nên xảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa. Trong đó, kẽm có tính khử mạnh hơn nên bị ăn mòn, do đó vỏ tàu được bảo vệ.

Gang, thép là hợp kim Fe - C và một số nguyên tố khác. Không khí ẩm có hoà tan khí \(\mathrm{CO}_{2}, \mathrm{O}_{2}, \ldots\) tạo ra lớp dung dịch chất điện li phủ lên bề mặt gang, thép, làm xuất hiện vô số pin điện hoá mà Fe là cực âm, C là cực dương

- Ở cực âm xảy ra sự oxi hoá : \(\mathrm{Fe} \rightarrow \mathrm{Fe}^{2+}+2 \mathrm{e}\)

- Ở cực dương xảy ra sự khử : \(\mathrm{O}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+4 \mathrm{e} \rightarrow 4 \mathrm{OH}^{-}\)

Ion \(\mathrm{Fe}^{2+}\) tan vào dung dịch chất điện li có hòa tan khí oxygen và tiếp tục bị oxi hóa tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là \(\mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot \mathrm{nH}_{2} \mathrm{O}\).

- Khi để lâu vật này trong không khí ẩm thì xuất hiện gỉ sắt vì sắt bị ăn mòn điện hóa. dung dịch chất điện li phủ lên bề mặt lớp sắt tây bị xây xát chạm tới sắt. Pin điện hóa xuất hiện với cực dương là \(S n\) và cực âm là Fe.

+ Ở cực âm xảy ra sự oxi hoá : \(\mathrm{Fe} \rightarrow \mathrm{Fe}^{2+}+2 \mathrm{e}\)

+ Ở cực dương xảy ra sự khử : \(\mathrm{O}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+4 \mathrm{e} \rightarrow 4 \mathrm{OH}^{-}\)

Ion \(\mathrm{Fe}^{2+}\) tan vào dung dịch chất điện li có hòa tan khí oxygen và tiếp tục bị oxi hóa tạo ra gỉ sắt có thành phần chú yếu là \(\mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3} \cdot \mathrm{nH}_{2} \mathrm{O}\).