logo chemia maturalna

Korozja, czyli znienawidzona reakcja redoks

SPIS TREŚCI

1. Co to jest korozja ?

Korozja to zwykle stopniowy proces, w wyniku którego metale ulegają utlenieniu pod wpływem warunków środowiskowych. Jest to niemalże zawsze niechciana reakcja, stąd tytuł tego postu. Zerknijmy na wycinek z tablic maturalnych (potencjały standardowe) :

O2 + 2H2O + 4e ⟶ 4OH

E° = 0,4 V

Jak widzimy tlen (czynnik środowiskowy, bo w końcu jest obecny w powietrzu w znaczniej ilości, około 21%) co oznacza, że z chęcią się redukuje, co oznacza że jest dobrym utleniaczem.

Ale! W środowisku kwaśnym jego zdolności utleniające jeszcze bardziej rosną, ponieważ tlen wtedy jeszcze chętniej się redukuje (większa wartość potencjału standardowego) :

O2 + 4H+ + 4e ⟶ 2H2O

E° = 1,23 V

W takim razie tlen jest w stanie utlenić wiele metali, których potencjał standardowy jest niższy od tych wartości. Można powiedzieć, że korozja to przeciwny proces do tych reakcji redoks, w których metal jest otrzymywany. Przykładowo wspominaliśmy o tym, że chrom otrzymuje się w wyniku reakcji :

Cr2O3  +  2Al  ⟶  2Cr  + Al2O3

Czyli tutaj chrom ulega redukcji. Natomiast korozja będzie procesem przeciwnym, w którym metal ulega utlenieniu.

Można by zatem zadać pytanie − czemu w takim razie w przemyśle do konstrukcji budowli używa się tak często metali? Dlatego, że jeśli weźmiemy taki glin ( E° = − 1,66 V ) to on od razu ulegnie utlenieniu do Al2O3 , który jest twardą, wytrzymałą substancją, mało aktywną chemicznie. Zresztą, taki proces właśnie nazywaliśmy pasywacją! Na glinie powstaje taka ochronna warstwa tlenku, która zapobiega dalszym reakcjom, w tym korozji. Więc glin sam sobie z korozją poradzi

Nieco inaczej jest w przypadku żelaza, ponieważ jego tlenki są strukturalnie niestabilne i maja tendencję do odrywania się w postaci płatów od metalu, odkrywając go i narażając na dalszą korozję.

2. Jakie mamy reakcje chemiczne w korozji ?

Procesy chemiczne składające się na korozję są dość skomplikowane i różnią się jeszcze w zależności od podręcznika. Na pewno żelazo ulega reakcji utlenienia zgodnie z równaniem :

Fe ⟶ Fe2+ + 2e

Mówimy, że ta reakcja następuje w tak zwanych regionach anodowych, a nazwa oczywiście bierze się stąd, że jest to reakcja utlenienia (taka była definicja anody). Powstałe tam elektrony wędrują przez metaliczne żelazo do regionów katodowych, gdzie reagują z tlenem i jonami H+ i następuje oczywiście redukcja.

Skąd się tam biorą jony H+ ? Otóż w wodzie (wilgoć) mamy niewielką ilość rozpuszczonego z powietrza tlenku węgla CO2 , który łączy się z wodą dając kwas węglowy, co odpowiada za leciutko kwaśne środowisko. W regionie katodowym zachodzi zatem reakcja :

O2 + 4H+ + 4e ⟶ 2H2O

A sumaryczna reakcja wygląda wówczas następująco :

2Fe + O2 + 4H+ ⟶ Fe2+ + 2H2O

A potencjał standardowy dla tej reakcji wynosi : 1,23 − ( −0,44) = 1,67 V , zatem taka reakcja zachodzi bardzo sprawnie (co dla nas jest niekorzystne). Na nieszczęście to jeszcze nie koniec! Powstałe jony żelaza Fe2+ , mogą dalej migrować w wodzie (wilgoci) do powierzchni żelaza (regionów katodowych), gdzie są dalej utlenianie w obecności (środowiskowego) tlenu.

2Fe2+ + ½ O2 + 5H2O ⟶ 2Fe(OH)3 + 4H+

Problem dodatkowy jest taki, że wodorotlenek żelaza (III) to nie jest dokładnie Fe(OH)3 , tylko bardziej dokładnie uwodniony tlenek żelaza (III), który ma zmienną ilość cząsteczek wody, więc wyrażamy go jako hydrat z n cząsteczkami wody, czyli Fe2O3 H2O Problem dodatkowy jest taki, że wodorotlenek żelaza (III) to nie jest dokładnie Fe(OH)3 , tylko bardziej dokładnie uwodniony tlenek żelaza (III), który ma zmienną ilość cząsteczek wody, więc wyrażamy go jako hydrat z n cząsteczkami wody, czyli Fe2O3 • n H2O (rdza!) . Więc tą reakcję chemiczną utleniania jonów żelaza (II) moglibyśmy zapisać również tak :

4Fe2+ + O2 + (4+ 2n) H2O ⟶ 2 Fe2O3 • n H2O + 8H+


W uproszczonej maturalnej wersji może być też taka opcja, że nie uwzględnia się kwasowego środowiska, czyli wówczas tlen redukuje się do jonów OH . Wtedy :

Fe ⟶ Fe2+ + 2e

O2 + 2H2O + 4e ⟶ 4OH

 Reakcja sumaryczna wygląda wtedy następująco :

2Fe + O2 + 2H2O ⟶ 2Fe(OH)2

i na koniec mamy utlenianie powstałego wodorotlenku żelaza (II):

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O ⟶ 4Fe(OH)3

3. Kiedy będzie rdza ?

➦ do utworzenia rdzy potrzebna jest wilgoć, ponieważ w ostatnim etapie woda jest reagentem, a ponadto woda jest potrzebna, aby umożliwić przepływ ładunków pomiędzy regionem anodowym oraz katodowym.

A co wpływa na szybkość tworzenia rdzy ?

obecność kwasu (kwasowe środowisko). Jak widzieliśmy po wartościach potencjałów standardowych, tlen lepiej się redukuje w środowisku kwaśnym (niskim pH), więc jest wtedy lepszym utleniaczem.

obecność elektrolitu, np. NaCl. Obecność elektrolitu powoduje, że mamy lepszy przepływ ładunków, co przyspiesza tworzenie rdzy. Dlatego też samochody rdzewieją w zimie, kiedy drogi posypywane są właśnie solami (w żargonie samochodowym funkcjonuje dość agresywne sformułowanie : ,,pokrywają się rudą szmatą” , które przy okazji obrazują nam jak niekorzystny jest proces korozji w tym przypadku).

Te czynniki również wpływają na przyspieszenie korozji.

4. Jak się chronić przed korozją ?

Na wstępie jeszcze chciałbym powiedzieć, jakie są w ogóle rodzaje korozji.

Korozja chemiczna ― korozja spowodowana działaniem substancji chemicznych w warunkach, w których reakcjom chemicznym nie towarzyszy przepływ prądu (elektrony są wymieniane bezpośrednio między utlenianym metalem i utleniaczem).

Korozja elektrochemiczna ― korozja metali spowodowana procesami elektrochemicznymi. W wyniku tego procesu tworzą się ogniwa/mikroogniwa galwaniczne i reakcji towarzyszy przepływ prądu – elektronowego w metalu i jonowego w otaczającym metal elektrolicie.

A jak się uchronić przed korozją? Jest kilka metod.

➤ Oczywistym pomysłem jest ochrona fizyczna przed wilgocią. Dlatego używa się niemetaliczne powłoki ograniczające kontakt ze środowiskiem powłoki metaliczne (np. malowanie ). Wystarczy jednak zrobić zadrapanie i już odsłaniamy nasz metal na korozję.

➤ Można także użyć powłoki z metalu, który się sam poświęci (jak kamikadze), a więc musi to być metal, który łatwiej będzie się utleniał niż żelazo.


Share on facebook
Share on twitter
Share on whatsapp
Share on email
SPIS TREŚCI
pinezka
Dodaj komentarz

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.

Mogą Cię zainteresować:

Koszyk

0
image/svg+xml

Brak produktów w koszyku.

Continue Shopping

Ta strona używa plików cookie, aby zapewnić Ci najlepsze doświadczenia.