Ăn mòn | Khái niệm hoá học

1. Ăn mòn là gì?

Ăn mòn là sự phá hủy dần dần các vật liệu (thường là kim loại) thông qua phản ứng hóa học hoặc phản ứng điện hóa với môi trường.

Theo nghĩa phổ biến nhất, ăn mòn có nghĩa là quá trình oxy hóa điện hóa học của kim loại trong phản ứng với các chất oxy hóa như oxy hoặc muối sulphat. Gỉ sắt - sự hình thành của các oxit sắt - là một ví dụ nổi tiếng của ăn mòn điện hóa. Ăn mòn cũng có thể xảy ra trong các vật liệu phi kim loại, chẳng hạn như đồ gốm hoặc các polyme, nhưng quá trình này thường được gọi là sự "phân hủy" hay "suy giảm vật liệu" (thay cho ăn mòn). Ăn mòn làm giảm các tính chất hữu ích của vật liệu và kết cấu bao gồm độ bền, ngoại quan, và khả năng thấm chất lỏng/ chất khí.

Nhiều hợp kim bị ăn mòn khi chỉ cần tiếp xúc với hơi ẩm trong không khí, nhưng quá trình này có thể diễn ra mạnh hơn khi tiếp xúc với một số chất nhất định. Ăn mòn có thể xảy ra cục bộ, tạo thành lỗ thủng hoặc vết nứt, hoặc nó có thể xảy ra trên bề mặt rộng hơn. Bởi vì ăn mòn là một quá trình động học khuếch tán, nên nó xảy ra trên bề mặt tiếp xúc. Do vậy, các phương pháp làm giảm tính hoạt hóa của bề mặt tiếp xúc như thụ động hóa và cromat hóa, có thể làm tăng tính kháng ăn mòn của vật liệu. Tuy nhiên, một số cơ chế ăn mòn khó nhận biết và dự đoán hơn bình thường.

Ăn mòn là một quá trình có cơ chế phức tạp, nhưng về cơ bản, có thể hiểu sự ăn mòn là một hiện tượng điện hóa. Tại một điểm trên bề mặt kim loại, quá trình oxy hóa xảy ra, nguyên tử kim loại bị mất điện tử (electron), gọi là quá trình oxy hóa. Vị trí oxy hóa đó trở thành anode (cực dương). Các electron sẽ di chuyển từ anode đến một vị trí khác trên bề mặt kim loại, làm tăng số lượng electron (quá trình khử). Vị trí bị tăng electron trở thành cathode (cực âm).

Gỉ sắt - ví dụ quen thuộc nhất của sự ăn mòn.

2. Phân loại ăn mòn kim loại

Căn cứ vào môi trường và cơ chế của sự ăn mòn kim loại, người ta phân thành hai dạng chính là ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.

a. Ăn mòn hóa học

Ăn mòn hóa học thường xảy ra ở những bộ phận của thiết bị lò đốt hoặc những thiết bị thường xuyên phải tiếp xúc với hơi nước và khí oxi...

Thí dụ: 3Fe + 4H₂O$\stackrel{{\mathrm{t}}^{\mathrm{o}}}{\to }$ Fe₃O₄ + 4H₂

Như vậy, ăn òn hóa học là quá trình oxi hóa - khử, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường.

b. Ăn mòn điện hóa

- Là ăn mòn kim loại phổ biến và nghiêm trọng nhất trong tự nhiên. Ăn mòn điện hóa là quá trình oxi hóa - khử, trong đó kim loại bị ăn mòn do tác dụng của dung dịch chất điện li và tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm đến cực dương.

- Điều kiện xảy ra ăn mòn điện hóa học

+ Các điện cực phải khác nhau về bản chất, có thể là cặp hai kim loại khác nhau, hoặc các cặp kim loại - phi kim, hoặc cặp kim loại - hợp chất hóa học, thí dụ xementit Fe3C, trong đó kim loại có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn là cực âm. Như vậy, kim loại nguyên chất khó bị ăn mòn điện hóa học.

+ Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn.

+ Các điện cực cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện li

Thiếu 1 trong 3 điều kiện trên sẽ không xảy ra ăn mòn điện hóa học

Trong thực tế, các quá trình ăn mòn kim loại diễn ra rất phức tạp, có thể bao gồm cả sự ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa học. Nhưng ăn mòn điện hóa thường đóng vai trò chủ yếu.

- Ăn mòn điện hóa học hợp kim của sắt (gang, thép) trong không khí ẩm

Sự ăn mòn điện hóa học các hợp kim của sắt (gang, thép) trong không khí ẩm có ảnh hưởng đặc biệt nghiêm trọng đối với nền kinh tế của các quốc gia. Đây là một quá trình phức tạp, có thể mô tả một cách đơn giản như sau:

Gang, thép là hợp kim Fe-C và một số nguyên tố khác. Không khí ẩm có hòa tan khí CO₂, O₂... tạo ra lớp dung dịch chất điện li phủ lên bề mặt gang, thép, làm xuất hiện vô số pin điện hóa mà Fe là cực âm, C là cực dương

- Ở cực âm xảy ra sự oxi hóa:

Fe $\to$Fe²⁺ + 2e

- Ở cực dương xảy ra sự khử

O₂ +2H₂O +4e $\to$4OH-

Ion Fe²⁺ tan vào dung dịch chất điện li có hòa tan khí oxi. Tại đây, ion Fe²⁺ tiếp tục bị oxi hóa tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe₂O₃.nH₂O

3. Chống ăn mòn kim loại

Khối lượng kim loại bị ăn mòn trung bình hàng năm trên thế giới 20-25% khối lượng kim loại được sản xuất. Sự ăn mòn kim loại đã gây tổn thất to lớn về nhiều mặt cho nền kinh tế quốc dân và đời sống con người.

Có nhiều phương pháp bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn. Phổ biến hơn cả là phương pháp bảo vệ có bề mặt và bảo vệ điện hóa.

- Phương pháp bảo vệ bề mặt

Phương pháp bảo vệ bề mặt là phủ lên bề mặt kim loại một lớp sơn, dầu mỡ, chất dẻo hoặc tráng, mạ bằng một kim loại khác. Lớp bảo vệ bề mặt kim loại phải bền vững với môi trường và có cấu tạo đặc khít không cho không khí và nước thấm qua. Nếu lớp bảo vệ bị hư hỏng, kim loại sẽ bị ăn mòn.

- Phương pháp điện hóa

Phương pháp bảo vệ điện hóa là dùng một kim loại làm "vật hi sinh" để bảo vệ vật liệu kim loại. Thí dụ, để bảo vệ vỏ tàu biển bằng thép, người ta gắn các lá Zn vào phía ngoài vỏ tàu ở phần chìm trong nước biển (nước biển là dung dịch chất điện li). Phần vỏ tàu bằng thép là cực dương, các lá Zn là cực âm.

- Ở anot (cực âm): Zn bị oxi hóa                  Zn$\to$ Zn²⁺ + 2e

- Ở catot (cực dương): O2 bị khử                 2H₂O + O₂ + 4e$\to$ 4OH^-

Kết quả là vỏ tàu được bảo vệ, Zn là vật hi sinh, nó bị ăn mòn. Nhưng tốc độ ăn mòn điện hóa của Zn trong điều kiện này tương đối nhỏ và vỏ tàu được bảo vệ trong thời gian dài. Sau một thời gian nhất định, người ta thay những lá Zn bị ăn mòn bằng những lá Zn khác.