Bài 22. Sự ăn mòn kim loại – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm và phân loại

Định nghĩa

Sự ăn mòn kim loại là quá trình kim loại bị phá hủy do tác dụng của các chất trong môi trường bên ngoài.

Có hai dạng ăn mòn chính:

Ăn mòn hoá học: kim loại bị oxi hoá trực tiếp bởi chất oxi hoá trong môi trường (thường là oxygen, chlorine, khí khác ở nhiệt độ cao), không sinh ra dòng điện.
Ăn mòn điện hoá: kim loại bị oxi hoá trong môi trường có chất điện li, tạo thành cặp điện cực và dòng điện. Đây là dạng ăn mòn phổ biến nhất trong thực tế.

Điều kiện để xảy ra ăn mòn điện hoá.

Ăn mòn điện hoá xảy ra khi có đủ ba điều kiện: (1) các điện cực khác nhau về bản chất (hai kim loại khác nhau, hoặc kim loại với phi kim như Fe – C trong gang, thép); (2) các điện cực tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn; (3) các điện cực cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện li (nước có hoà tan khí, acid loãng, dung dịch muối).

2. Cơ chế ăn mòn điện hoá

Vai trò của các điện cực.

Trong cặp kim loại tiếp xúc trong môi trường điện li, kim loại có hoạt động hoá học mạnh hơn đóng vai trò anode, bị oxi hoá và bị ăn mòn; kim loại có hoạt động hoá học kém hơn đóng vai trò cathode, không bị ăn mòn.

2.1 Các phương trình tiêu biểu

Quá trình trên anode (kim loại $\mathrm{M}$ ):

\mathrm{M} - ne \longrightarrow \mathrm{M^{n+}}

Quá trình trên cathode phụ thuộc vào môi trường:

Môi trường acid (khử ion $\mathrm{H^+}$ ):

$2\mathrm{H^+} + 2e \longrightarrow \mathrm{H_2}$
Môi trường trung tính hoặc base, có oxygen hoà tan:

$\mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} + 4e \longrightarrow 4\mathrm{OH^-}$

Ví dụ điển hình: Sắt bị gỉ trong không khí ẩm (môi trường trung tính):

\mathrm{Fe} - 2e \longrightarrow \mathrm{Fe^{2+}}

\mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} + 4e \longrightarrow 4\mathrm{OH^-}

Ion $\mathrm{Fe^{2+}}$ kết hợp với $\mathrm{OH^-}$ :

\mathrm{Fe^{2+}} + 2\mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{Fe(OH)_2}

Sau đó $\mathrm{Fe(OH)_2}$ tiếp tục bị oxi hoá bởi oxygen:

4\mathrm{Fe(OH)_2} + \mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} \longrightarrow 4\mathrm{Fe(OH)_3}

Gỉ sắt hình thành có thành phần chính gần đúng là $\mathrm{Fe_2O_3 \cdot xH_2O}$ , có cấu trúc rỗng nên không bảo vệ được kim loại bên trong.

3. Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn

Tính chất của kim loại: kim loại có hoạt tính càng mạnh (đứng càng đầu trong dãy hoạt động hoá học) thì càng dễ bị ăn mòn điện hoá.
Chênh lệch độ hoạt động giữa hai kim loại: chênh lệch càng lớn thì tốc độ ăn mòn của kim loại mạnh hơn càng nhanh.
Môi trường: có nước, chất điện li (ion muối), oxygen, độ ẩm cao, nhiệt độ cao làm tăng tốc độ ăn mòn.
Tính đồng đều của kim loại: kim loại không đồng đều (tạp chất, biến dạng cơ học) tạo nhiều cực cục bộ, làm tăng tốc độ ăn mòn.

4. Ứng dụng: phòng chống sự ăn mòn kim loại

4.1 Phương pháp vật lí và hoá học

Thay đổi thành phần hoá học: pha trộn thêm nguyên tố khác vào kim loại (ví dụ pha Cr, Ni vào sắt tạo thép không gỉ).
Phủ lớp vật lí: sơn, mạ kim loại (mạ kẽm, mạ thiếc), phủ nhựa, phủ sứ.
Xử lý bề mặt bằng hoá chất: tạo màng oxide bền, phốt phát hoá bề mặt.

4.2 Phương pháp điện hoá

Bảo vệ bằng dòng điện ngoài: nối kim loại cần bảo vệ với cực âm của nguồn một chiều, đặt một vật dẫn điện khác trong môi trường làm anode. Kim loại cần bảo vệ trở thành cathode, không bị ăn mòn.
Bảo vệ bằng anode hi sinh: gắn khối kim loại mạnh hơn (kẽm, magnesium) vào kim loại cần bảo vệ. Khối kim loại mạnh hơn đóng vai trò anode, bị ăn mòn thay. Ví dụ: gắn khối kẽm vào thân tàu thép, mạ kẽm cho tôn.

5. Phương pháp giải bài tập

Nhận biết dạng ăn mòn

1.
Nếu phản ứng xảy ra trực tiếp giữa kim loại với oxygen hoặc phi kim ở nhiệt độ cao, không có môi trường lỏng chứa điện li, đó là ăn mòn hoá học.
2.
Nếu trong môi trường có nước, acid loãng, dung dịch muối và có hai điện cực tiếp xúc hoặc kim loại không đồng đều, đó là ăn mòn điện hoá.

Viết phương trình ăn mòn điện hoá

1.
Xác định kim loại bị ăn mòn: trong hai kim loại tiếp xúc, kim loại hoạt động mạnh hơn là anode.
2.
Viết phản ứng anode: $\mathrm{M} - ne \longrightarrow \mathrm{M^{n+}}$ .
3.
Xác định môi trường để viết phản ứng ở cathode:
- Môi trường acid: $2\mathrm{H^+} + 2e \longrightarrow \mathrm{H_2}$ .
- Môi trường trung tính, base, có oxygen: $\mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} + 4e \longrightarrow 4\mathrm{OH^-}$ .
4.
Nhân với các hệ số thích hợp cho phản ứng ở anode và cathode sao cho số electron nhường bằng số electron nhận, rồi cộng lại; nếu có kết tủa thì viết thêm phản ứng tạo kết tủa.

So sánh tốc độ ăn mòn

Kim loại có hoạt tính mạnh hơn đóng vai trò anode, bị ăn mòn; kim loại kém hơn được bảo vệ.
Môi trường chứa nhiều chất điện li và oxygen làm ăn mòn điện hoá nhanh hơn.

6. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Thanh kẽm và thanh sắt được nối với nhau bằng dây dẫn rồi nhúng vào dung dịch $\mathrm{NaCl}$ . Hãy viết các phương trình xảy ra và cho biết kim loại nào bị ăn mòn.

Lời giải · 4 bước

Vì kẽm hoạt động mạnh hơn sắt nên kẽm làm anode, bị oxi hoá:

\mathrm{Zn} - 2e \longrightarrow \mathrm{Zn^{2+}}

Bước 2

Trong dung dịch $\mathrm{NaCl}$ (môi trường trung tính), cathode (sắt) xảy ra sự khử $mathrm{O_2}$ :

\mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} + 4e \longrightarrow 4\mathrm{OH^-}

Bước 3

Nhân phương trình anode với 2 rồi cộng:

2\mathrm{Zn} + \mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} \longrightarrow 2\mathrm{Zn(OH)_2}

Bước 4

Vậy kẽm bị ăn mòn, sắt được bảo vệ.

Ví dụ 2

Một mảnh thép tiếp xúc với thanh đồng trong không khí ẩm. Hãy viết các phương trình xảy ra và cho biết kim loại nào bị ăn mòn.

Lời giải · 4 bước

Sắt hoạt động mạnh hơn đồng nên sắt làm anode, bị oxi hoá:

\mathrm{Fe} - 2e \longrightarrow \mathrm{Fe^{2+}}

Bước 2

Tại cathode (đồng) trong môi trường trung tính có oxygen:

\mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} + 4e \longrightarrow 4\mathrm{OH^-}

Bước 3

Nhân phản ứng anode với 2 rồi cộng và tạo kết tủa:

2\mathrm{Fe^{2+}} + 4\mathrm{OH^-} \longrightarrow 2\mathrm{Fe(OH)_2}

4\mathrm{Fe(OH)_2} + \mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} \longrightarrow 4\mathrm{Fe(OH)_3}

Bước 4

Vậy sắt bị ăn mòn, đồng không bị. Gỉ sắt ( $\mathrm{Fe_2O_3 \cdot xH_2O}$ ) được tạo thành.

Ví dụ 3

Trong các môi trường sau, môi trường nào làm cho thép bị ăn mòn điện hoá nhanh nhất?
(1) Không khí khô ở nhiệt độ thường.
(2) Không khí ẩm ở nhiệt độ thường.
(3) Đất ẩm có muối.
(4) Nước cất ở nhiệt độ thường.

Lời giải

Ăn mòn điện hoá cần có dung dịch chất điện li. Đất ẩm có muối chứa nước, nhiều ion (chất điện li mạnh) và có oxygen nên thép bị ăn mòn điện hoá nhanh nhất: chọn (3). Trong không khí khô, thép hầu như không bị ăn mòn điện hoá.

7. Lưu ý hay nhầm

Ăn mòn điện hoá không bắt buộc phải có hai kim loại khác nhau

Một kim loại không đồng đều về thành phần hoặc bề mặt cũng có thể tự tạo thành nhiều cặp điện cực cục bộ và bị ăn mòn điện hoá.

Phân biệt mạ kẽm và mạ thiếc

Mạ kẽm: khi bị trầy xước, kẽm hoạt động mạnh hơn sắt nên kẽm làm anode, bị ăn mòn thay cho sắt, nên sắt được bảo vệ.
Mạ thiếc: khi bị trầy xước, sắt hoạt động mạnh hơn thiếc nên sắt làm anode, bị ăn mòn điện hoá nhanh tại vết trầy (cặp Fe – Sn tiếp xúc với chất điện li).

Không gộp chung sản phẩm ở hai loại môi trường

Ở môi trường acid: khử $\mathrm{H^+}$ nên sinh ra $\mathrm{H_2}$ ; không xuất hiện $\mathrm{OH^-}$ , do đó không tạo kết tủa $\mathrm{Fe(OH)_2}$ ngay.
Ở môi trường trung tính, base có oxygen: mới xuất hiện $\mathrm{OH^-}$ và các kết tủa hydroxide.

Nhớ nhanh