GALVANICKÁ KOROZE: MECHANISMY, PŘÍKLADY, OCHRANA - CHEMIE - 2025

Galvanické nebo elektrochemická koroze je proces, při kterém kov nebo slitiny degraduje strměji srovnání s běžnou oxidací. Dá se říci, že se jedná o urychlenou oxidaci, a dokonce i záměrně podporovanou; jak se děje v článcích nebo bateriích.

To se děje za řady podmínek. Nejprve musí existovat aktivní kov zvaný anoda. A za druhé, musí existovat nízko reaktivní ušlechtilý kov nazývaný katoda. Třetí a čtvrtá podmínka je přítomnost média, kde se šíří elektrony, jako je voda, a iontových druhů nebo elektrolytů.

Rezavá železná koruna. Zdroj: Pixnio.

Galvanická koroze je zvláště pozorovatelná v mořském prostředí nebo na pobřeží pláží. Vzduchové proudy zvyšují množství vodní páry, která zase nese některé ionty; ten nakonec ulpívá na tenké vrstvě vody nebo kapek, které spočívají na kovovém povrchu.

Tyto podmínky vlhkosti a slanosti podporují korozi kovu. To znamená, že železná koruna, jako je ta na obrázku výše, bude rychleji rezavět, pokud bude vystavena v blízkosti moře.

Snadnost, že kov bude muset oxidovat ve srovnání s jiným, může být kvantitativně měřena prostřednictvím jeho redukčních potenciálů; Tabulky s těmito potenciály oplývají chemickými knihami, čím negativnější jste, tím větší je váš sklon k rzi.

Podobně, pokud je tento kov v přítomnosti jiného s velmi pozitivním redukčním potenciálem, tedy s velkým AE, bude oxidace reaktivního kovu agresivnější. Důležité jsou také další faktory, jako je pH, iontová síla, vlhkost, přítomnost kyslíku a vztah mezi oblastmi kovu, který je oxidován a který je redukován.

Mechanismy

Koncepty a reakce

Před řešením mechanismů galvanické koroze je třeba objasnit některé pojmy.

Při redoxní reakci jeden druh ztrácí elektrony (oxiduje), zatímco jiný je získává (snižuje). Elektroda, na které dochází k oxidaci, se nazývá anoda; a na kterém redukce nastane, katoda (v angličtině mnemonic pravidlo redcat je obvykle používán si pamatovat to).

Takže pro elektrodu (kus, šroub atd.) Z kovu M, pokud oxiduje, se říká, že je anodou:

M => M ^{n +} + ne ^-

Počet uvolněných elektronů bude roven velikosti kladného náboje výsledného kationtu ^{Mn +}.

Poté další elektroda nebo kov R (oba kovy musí být nějakým způsobem v kontaktu), přijímá uvolněné elektrony; ale toto nepodléhá chemické reakci, pokud získává elektrony, protože by to vedlo pouze (elektrický proud).

Proto musí existovat další druh, který dokáže tyto elektrony formálně přijmout; jako snadno redukované kovové ionty, například:

R ^{n +} + ne ^- => R

To znamená, že by se vytvořila vrstva kovu R, a elektroda by se tak stala těžší; zatímco kov M by ztratil hmotu kvůli rozpuštění atomů.

Depolarizátory

Co kdyby neexistovaly žádné kovové kationty, které by bylo možné dostatečně snadno redukovat? V takovém případě vezmou elektrony další druhy přítomné v médiu: depolarizátory. Ty jsou úzce souvisí s pH: O ₂, H ⁺, OH ^- a H ₂ O.

Kyslík a voda získávají elektrony v reakci vyjádřené následující chemickou rovnicí:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Zatímco ionty H ⁺ jsou transformovány na H ₂:

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

Je tedy druhů OH ^- a H ₂ jsou společné produkty galvanické nebo elektrochemickou korozi.

I když se kov R nepodílí na žádné reakci, skutečnost, že je vzácnější než M, podporuje jeho oxidaci; a v důsledku toho dojde k vyšší produkci OH ^- ionty nebo plynného vodíku. Protože je to konec konců rozdíl mezi redukčními potenciály, ΔE, jedním z hlavních faktorů těchto procesů.

Koroze železa

Korozní mechanismus pro železo. Zdroj: Wikipedia.

Po předchozím objasnění je možné řešit příklad koroze železa (horní obrázek). Předpokládejme, že existuje tenká vrstva vody, ve které se kyslík rozpouští. Bez přítomnosti dalších kovů nastaví tón reakce depolarizátory.

Železo tak ztratí některé atomy ze svého povrchu a rozpustí se ve vodě jako Fe ²⁺ kationty:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Oba elektrony projdou kusem železa, protože jsou dobrým vodičem elektřiny. Takže tam, kde je známo zahájení oxidace nebo anodového místa; ale ne tam, kde bude probíhat redukce nebo umístění katodického místa. Místo katody může být kdekoli; a čím větší je jeho možná oblast, tím horší bude kov korodovat.

Předpokládejme, že elektrony dosáhnou bodu, jak je znázorněno na obrázku výše. Tam kyslík i voda podléhají již popsané reakci, při které se uvolňuje OH ^-. Tyto OH ^- anionty mohou reagovat s Fe2 ⁺ za vzniku Fe (OH) ₂, který se vysráží a podléhá následným oxidacím, které jej nakonec přemění na rez.

Mezitím anodové stránky stále více popraskají.

Příklady

V každodenním životě je mnoho příkladů galvanické koroze. Nemusíme se odkazovat na železnou korunu: jakýkoli artefakt vyrobený z kovů může podstoupit stejný proces v přítomnosti vlhkého a slaného prostředí.

Kromě pláže může zima také poskytnout ideální podmínky pro korozi; například při odhazování solí do sněhu na silnici, aby se zabránilo sjíždění automobilů.

Z fyzikálního hlediska může být vlhkost zachována ve svařovaných spojích dvou kovů, což jsou aktivní místa koroze. Je to proto, že oba kovy se chovají jako dvě elektrody, přičemž reaktivnější ztratí své elektrony.

Pokud je výroba OH ^- iontů značná, může dokonce korodovat barvu vozu nebo dotyčného zařízení.

Anodické indexy

Je možné vytvořit vlastní příklady galvanické koroze za použití tabulek redukčního potenciálu. Pro ilustraci tohoto bodu však bude vybrána anodická indexová tabulka (zjednodušená per se).

Anodické indexy pro různé kovy nebo slitiny. Zdroj: Wikipedia.

Předpokládejme například, že jsme chtěli postavit elektrochemický článek. Kovy, které jsou na vrcholu tabulky anodických indexů, jsou katodičtější; to znamená, že jsou snadno redukovány, a proto bude obtížné mít je v řešení. Zatímco kovy, které jsou dole, jsou více anodické nebo reaktivní a snadno korodují.

Pokud zvolíme zlato a berylium, oba kovy by nemohly být spolu dlouho, protože by berylium extrémně rychle oxidovalo.

A pokud na druhé straně máme řešení iontů Ag ⁺ a ponoříme do něj hliníkovou tyč, rozpouští se současně srážením kovových částic stříbra. Pokud by byla tato lišta spojena s grafitovou elektrodou, elektrony by k ní cestovaly a elektrochemicky na ni ukládaly stříbro jako stříbrný film.

A pokud by místo hliníkové tyče byla vyrobena z mědi, roztok by se změnil namodralým v důsledku přítomnosti iontů Cu ²⁺ ve vodě.

Elektrochemická ochrana proti korozi

Obětní povlaky

Předpokládejme, že chcete chránit zinkový plech před korozí v přítomnosti jiných kovů. Nejjednodušší možností by bylo přidání hořčíku, který by povlékal zinek tak, aby po oxidaci elektrony uvolněné z hořčíku snížily zpět kationty Zn ²⁺.

Film MgO na zinku by však nakonec praskl dříve než později a poskytoval by anodová místa s vysokou hustotou proudu; to znamená, že koroze zinku by se v těchto bodech prudce zrychlila.

Tato technika ochrany proti elektrochemické korozi je známá jako použití obětních povlaků. Nejznámější je zinek, používaný ve slavné technice zvané galvanizace. V nich je kov M, zejména železo, potažen zinkem (Fe / Zn).

Zinek oxiduje a jeho oxid slouží k pokrytí železa a přenosu elektronů k němu, které redukují Fe ^2+, které se mohou tvořit.

Vznešené povlaky

Předpokládejme, že chcete chránit stejný list zinku, ale nyní budete místo hořčíku používat chrom. Chrom je ušlechtilejší (více katodický, viz tabulka anodických čísel) než zinek, a proto funguje jako ušlechtilý povlak.

Problém s tímto typem povlaku spočívá v tom, že jakmile praskne, bude dále podporovat a urychlovat oxidaci kovu pod; v tomto případě by zinek korodoval ještě více, než kdyby byl potažen hořčíkem.

A konečně existují i ​​další povlaky, které se skládají z barev, plastů, antioxidantů, tuků, pryskyřic atd.

Experiment pro děti

Železná deska při rozpouštění solí mědi

Ze stejné tabulky anodových indexů lze vyvodit jednoduchý experiment. Rozpuštění přiměřené množství (méně než 10 gramů) CuSO ₄ · 5H ₂ O ve vodě, dítě je požádán, aby ponořit do leštěné železné desky. Pořídí se fotografie a proces se může rozvinout na několik týdnů.

Řešení je zpočátku namodralé, ale začne mizet, zatímco železná deska změní měděnou barvu. Toto je kvůli skutečnosti, že měď je více ušlechtilá než železo, a proto jeho kationty Cu ²⁺ budou redukovány na kovovou měď z iontů daných oxidací železa:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Čištění oxidu stříbrného

Stříbrné předměty časem ztmavnou, zejména pokud jsou ve styku se zdrojem sloučenin síry. Jeho rez může být odstraněn ponořením předmětu do vodní vany s jedlou sódou a hliníkovou fólií. Hydrogenuhličitan poskytuje elektrolyty, které usnadní transport elektronů mezi objektem a hliníkem.

V důsledku toho dítě ocení, že předmět ztratí černé skvrny a bude zářit svou charakteristickou stříbrnou barvou; zatímco hliníková fólie koroduje a zmizí.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.
3. Wikipedia. (2019). Galvanická koroze. Obnoveno z: en.wikipedia.org
4. Stephen Lower. (16. června 2019). Elektrochemická koroze. Chemistry LibreTexts. Obnoveno z: chem.libretexts.org
5. Otevřená univerzita. (2018). 2.4 Korozní procesy: galvanická koroze. Obnoveno z: open.edu
6. Zákaznická technická služba Brush Wellman Inc. (sf). Průvodce galvanickou korozí. Materiály vytvořené společností Brush Wellman.
7. Giorgio Carboni. (1998). Experimenty v elektrochemii. Obnoveno z: funsci.com