SỰ ĂN MÒN KIM LOẠI
A. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
I. KHÁI NIỆM
Sự ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường.
M ® Mn+ + ne
II. HAI DẠNG ĂN MÒN KIM LOẠI
1. Sự ăn mòn hoá học
Sự ăn mòn hoá 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 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) Fe3O4 + 4H2
2Fe + 3Cl2 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 2FeCl3
3Fe + 2O2 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) Fe3O4
Sự ăn mòn hoá học là quá trình oxi hoá - khử, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường.
2. Sự ăn mòn điện hoá học
a) Khái niệm về ăn mòn điện hoá học
Sự ăn mòn điện hoá học là quá trình oxi hoá - 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.
b) Điều kiện xảy ra sự ăn mòn điện hoá học
(1) Các điện cực phải khác nhau về bản chất, có thể là cặp hai kim loại khác nhau, hoặc cặp kim loại - phi kim, hoặc cặp kim loại - hợp chất hoá 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 hoá học.
(2) Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn.
(3) Các điện cực cùng tiếp xúc với dung dịch chất điện li.
c) Ăn mòn điện hoá học hợp kim của sắt (gang, thép) trong không khí ẩm
Sự ăn mòn điện hoá 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 giản lược như sau :
Gang, thép là hợp kim Fe - C gồm những tinh thể Fe tiếp xúc trực tiếp với tinh thể C (graphit). Không khí ẩm có hoà 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 hoá mà tinh thể Fe là cực âm, tinh thể C là cực dương
Cơ chế ăn mòn điện hoá
- Ở cực dương xảy ra sự khử :
2H+ + 2e ® H2
O2 + 2H2O + 4e ® 4OH–
- Ở cực âm xảy ra sự oxi hoá :
Fe ® Fe2+ + 2e
Ion Fe2+ tan vào dung dịch chất điện li có hoà tan khí oxi. Tại đây, ion Fe2+ bị oxi hoá tiếp thành ion Fe3+ và dưới tác dụng của ion OH- tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe2O3.nH2O
III. CHỐNG ĂN MÒN KIM LOẠI
1. Bảo vệ bề mặt
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.
2. Bảo vệ điện hoá
Bảo vệ điện hoá 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 (hình 5.15)
- Ở anot (cực âm) : Zn bị oxi hoá Zn ® Zn2+ + 2e
- Ở catot (cực dương) : O2 bị khử 2H2O + O2 + 4e ® 4OH–
Kết quả là vỏ tàu được bảo vệ, Zn là "vật hi sinh", nó bị ăn mòn. Nhưng tốc độ ăn mòn điện hoá của kẽm 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.
BÀI TẬP:
1. Bản chất của ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá học có gì giống và khác nhau ?
2. Câu nào đúng trong các câu sau ?
Trong ăn mòn điện hóa học, xảy ra
A. sự oxi hóa ở cực dương
B. sự khử ở cực âm
C. sự oxi hóa ở cực dương và sự khử ở cực âm
D. sự oxi hóa ở cực âm và sự khử ở cực dương
3. Trong các trường hợp sau, trường hợp kim loại bị ăn mòn điện hoá học là
A. Kim loại Zn trong dung dịch HCl
B. Thép cacbon để trong không khí ẩm
C. Đốt dây Fe trong khí O2
D. Kim loại Cu trong dung dịch HNO3 loãng
4. Một sợi dây phơi quần áo bằng đồng được nối tiếp với một đoạn dây nhôm. Hãy cho biết có hiện tượng gì xảy ra ở chỗ nối của 2 kim loại. Giải thích và đưa ra nhận xét.
5. Có những vật bằng sắt được tráng thiếc hoặc tráng kẽm.
a) Giải thích vì sao thiếc và kẽm có thể bảo vệ được kim loại sắt.
b) Nếu trên bề mặt của những vật đó có những vết sây sát sâu tới lớp sắt bên trong, hãy cho biết :
- Có hiện tượng gì xảy ra khi để những vật đó trong không khí ẩm.
- Trình bày cơ chế ăn mòn đối với những vật trên.
B. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Bài 1 (trang 95 SGK Hoá học 12):
Ăn mòn kim loại là gì? Có mấy dạng ăn mòn kim loại? Dạng nào xảy ra phổ biến hơn?
Hướng dẫn giải:
Sự ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường xung quanh. Đó là một quá trình hóa học hoặc quá trình điện hóa trong đó kim loại bị oxi hóa thành ion dương.
M → Mn+ + ne.
Có hai dạng ăn mòn kim loại : Ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.
Trong hai dạng ăn mòn trên thì ăn mòn điện hóa xảy ra phổ biến hơn.
Bài 2 (trang 95 SGK Hoá học 12):
Hãy nêu cơ chế của sự ăn mòn điện hóa?
Hướng dẫn giải:
Lấy sự ăn mòn sắt làm thí dụ:
- Trong không khí ẩm, trên bề mặt của lớp sắt luôn có một lớp nước rất mỏng đã hòa tan O2 và CO2 trong khí quyển tạo thành một dung dịch chất điện li.
- Sắt và các tạp chất (chủ yếu là cacbon) cùng tiếp xúc với dung dịch đó tạo nên vô số pin rất nhỏ mà sắt là cực âm và cacbon là cực dương.
- Tại cực âm : sắt bị oxi hóa thành ion Fe2+: Fe → Fe2+ + 2e
Các electron được giải phóng chuyển dịch đến cực dương.
-Tại vùng cực dương : O2 hòa tan trong nước bị khử thành ion hiđroxit.
O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
Các ion Fe2+ di chuyển từ vùng anot qua dung dịch điện li yếu đến vùng catot và kết hợp với ion OH- để tạo thành sắt (II) hiđroxit. Sắt (II) hiđroxit tiếp tục bị oxi hóa bởi oxi của không khí thành sắt (III) hiđroxit.
Chất này bị phân hủy thành sắt II oxit.
Bài 3 (trang 95 SGK Hoá học 12):
Nêu tác hại của sự ăn mòn kim loại và cách chống ăn mòn kim loại?
Hướng dẫn giải:
Tác hại của ăn mòn kim loại:
- Phá hủy kim loại, kim loại bị mất dần các tính chất quý
- Thiệt hại về mặt kinh tế : phải thay thế nhiều chi tiết, thiết bị máy móc bị ăn mòn.
+ Cách chóng ăn mòn kim loại :
- Cách li kim loại với môi trường : dùng các chất bền vững với môt trường phủ trên bề mặt kim loại như bôi dầu, mỡ, tráng men, ...
- Dùng phương pháp điện hóa: nối kim loại cần bảo vệ với một kim loại hoạt động hơn tạo thành pin điện hóa. Kim loại hoạt động hơn bị ăn mòn, kim loại còn lại được bảo vệ.
Bài 4 (trang 95 SGK Hoá học 12):
Trong hai trường hợp sau đây, trường hợp nào vỏ tàu được bảo vệ?
- Vỏ tàu thép được nối với thanh kẽm.
- Vỏ tàu thép được nối với thanh đồng.
Hướng dẫn giải:
Vỏ tàu thép (Fe) được nối với thanh Zn thì vỏ tàu được bảo vệ vì tính khử Zn > Fe. Fe-Zn tạo thành cặp pin điện hóa trong đó Zn bị ăn mòn còn lại Fe được bảo vệ.
Bài 5 (trang 95 SGK Hoá học 12):
Cho lá Fe kim loại vào :
a. Dung dịch H2SO4 loãng
b. Dung dịch H2SO4 loãng có một lượng nhỏ CuSO4. Nêu hiện tượng xảy ra, giải thích và viết phương trình phản ứng xảy ra trong mỗi trường hợp.
Hướng dẫn giải:
a. Cho lá sắt vào dung dịch H2SO4 loãng , ban đầu có phản ứng
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Xuất hiện bọt khí hidro, sau một thời gian bọt khí H2 sinh ra bám trên mặt thanh sắt sẽ ngăn cản không cho thanh sắt tiếp xúc với dung dịch H2SO4. Phản ứng dừng lại
b. Cho một lượng nhỏ dung dịch CuSO4 có phản ứng
CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu ↓
Cu sinh ra bám trên bề mặt thanh sắt hình thành cặp pin điện hóa Fe-Cu. Lúc này xảy ra quá trình ăn mòn điện hóa trong dung dịch H2SO4 loãng
Tính khử : Fe mạnh hơn Cu nên Fe đóng vai trò là cực âm. Cu đóng vai trò là cực dương
Tại cực âm: Fe - 2e → Fe2+
Tại cực dương : 2H+ + 2e → H2
Như vậy ta thấy bọt khí H2 thoát ra ở cực Cu, không ngăn cản Fe phản ứng với H2SO4 nên phản ứng xảy ra mãnh liệt hơn, bọt khí H2 thoát ra nhiều hơn.
Bài 6 (trang 95 SGK Hoá học 12):
Một dây phơi quần áo gồm một đoạn dây đồng nối với một đoạn dây thép. Hiện tượng nào xảy ra ở chỗ nối hai đoạn dây khi để lâu ngày?
A. Sắt bị ăn mòn.
B. Đồng bị ăn mòn.
C. Sắt và đồng đều bị ăn mòn.
D. Sắt và đồng đều không bị ăn mòn.
Hướng dẫn giải:
Đáp án A.
Do tinh khử của Fe > Cu. Fe-Cu tạo thành một cặp pin điện hóa trong đó Fe bị ăn mòn trước.
Hy vọng bài tập Hoá 12 sự ăn mòn kim loại của ICAN soạn thảo giúp bạn học Hoá 12 tốt hơn. Chúc các bạn học tập vui.