การกัดกร่อนของกัลวานิก: กลไกตัวอย่างการป้องกัน - เคมี

การกัดกร่อนของกัลวานิกหรือไฟฟ้าเคมีเป็นกระบวนการที่โลหะหรือโลหะผสมย่อยสลายได้เร็วกว่าเมื่อเทียบกับการออกซิเดชั่นทั่วไป อาจกล่าวได้ว่าเป็นการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันและแม้กระทั่งการส่งเสริมโดยเจตนา เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในเซลล์หรือแบตเตอรี่

สิ่งนี้เกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขหลายประการ ขั้นแรกต้องมีโลหะที่ใช้งานอยู่เรียกว่าแอโนด นอกจากนี้และประการที่สองต้องมีโลหะมีตระกูลที่มีปฏิกิริยาต่ำเรียกว่าแคโทด เงื่อนไขที่สามและสี่คือการมีอยู่ของตัวกลางที่อิเล็กตรอนแพร่กระจายเช่นน้ำและชนิดไอออนิกหรืออิเล็กโทรไลต์

มงกุฎเหล็กขึ้นสนิม ที่มา: Pixnio

การกัดกร่อนของกัลวานิกสามารถสังเกตได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมทางทะเลหรือบนชายฝั่งของชายหาด กระแสอากาศทำให้เกิดไอน้ำจำนวนมากซึ่งจะมีไอออนบางส่วน ท้ายที่สุดยึดติดกับชั้นน้ำบาง ๆ หรือหยดที่เกาะอยู่บนพื้นผิวโลหะ

สภาพความชื้นและความเค็มเหล่านี้เอื้อต่อการกัดกร่อนของโลหะ นั่นคือมงกุฎเหล็กเช่นเดียวกับในภาพด้านบนจะเกิดสนิมได้เร็วขึ้นหากสัมผัสกับทะเลในบริเวณใกล้เคียง

ความง่ายที่โลหะจะต้องออกซิไดซ์เมื่อเทียบกับอีกชิ้นหนึ่งสามารถวัดได้ในเชิงปริมาณผ่านศักยภาพในการลดลง ตารางที่มีศักยภาพเหล่านี้มีอยู่มากในหนังสือเคมียิ่งคุณคิดลบมากเท่าไหร่คุณก็ยิ่งมีแนวโน้มที่จะเป็นสนิมมากขึ้นเท่านั้น

ในทำนองเดียวกันถ้าโลหะนี้อยู่ต่อหน้าโลหะอื่นที่มีศักยภาพในการลดลงในเชิงบวกมากดังนั้นจึงมีΔEมากการเกิดออกซิเดชันของโลหะที่ทำปฏิกิริยาจะลุกลามมากขึ้น ปัจจัยอื่น ๆ เช่น pH ความแรงของไอออนิกความชื้นการมีอยู่ของออกซิเจนและความสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่ของโลหะที่ถูกออกซิไดซ์และที่ลดลงก็มีความสำคัญเช่นกัน

กลไก

แนวคิดและปฏิกิริยา

ก่อนที่จะกล่าวถึงกลไกเบื้องหลังการกัดกร่อนของกัลวานิกควรมีการชี้แจงแนวคิดบางประการ

ในปฏิกิริยารีดอกซ์สิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งจะสูญเสียอิเล็กตรอน (ออกซิไดซ์) ในขณะที่อีกชนิดหนึ่งได้รับ (ลด) อิเล็กโทรดที่เกิดออกซิเดชันเรียกว่าขั้วบวก และเมื่อเกิดการลดลงแคโทด (ในภาษาอังกฤษมักใช้กฎช่วยในการจำเรดแคท)

ดังนั้นสำหรับอิเล็กโทรด (ชิ้นส่วนสกรู ฯลฯ ) ของโลหะ M ถ้ามันออกซิไดซ์จะกล่าวได้ว่าเป็นขั้วบวก:

ม => ม^{n +} + เน^-

จำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะเท่ากับขนาดของประจุบวกของไอออนบวกที่เกิดM ^{n +}

จากนั้นอีกขั้วไฟฟ้าหรือโลหะ R (โลหะทั้งสองต้องสัมผัสกันไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง) รับอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา แต่สิ่งนี้จะไม่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีหากได้รับอิเล็กตรอนเนื่องจากมันจะดำเนินการเท่านั้น (กระแสไฟฟ้า)

ดังนั้นจึงต้องมีสิ่งมีชีวิตอื่นในสารละลายที่สามารถรับอิเล็กตรอนเหล่านี้ได้อย่างเป็นทางการ เช่นเดียวกับไอออนโลหะที่ลดลงอย่างง่ายดายตัวอย่างเช่น:

R ^{n +} + ne ^- => ร

นั่นคือชั้นของโลหะ R จะก่อตัวขึ้นและอิเล็กโทรดจะหนักขึ้น ในขณะที่โลหะ M จะสูญเสียมวลเนื่องจากอะตอมของมันละลาย

Depolarizers

จะเป็นอย่างไรถ้าไม่มีไอออนบวกโลหะที่สามารถลดได้ง่ายพอ? ในกรณีนี้สิ่งมีชีวิตชนิดอื่น ๆ ที่อยู่ในตัวกลางจะรับอิเล็กตรอน: ดีโพลาไรเซอร์ สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับ pH: O ₂ , H ⁺ , OH ^-และ H ₂ O

ออกซิเจนและน้ำได้รับอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาที่แสดงโดยสมการเคมีต่อไปนี้:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

ในขณะที่ไอออน H ⁺ถูกเปลี่ยนเป็น H ₂ :

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

เช่นสายพันธุ์ OH ^-และ H ₂เป็นผลิตภัณฑ์ทั่วไปการกัดกร่อนจากไฟฟ้าหรือเคมีไฟฟ้า

แม้ว่าโลหะ R จะไม่เข้าร่วมในปฏิกิริยาใด ๆ แต่ความจริงที่ว่ามันสูงส่งกว่า M ก็ส่งเสริมการเกิดออกซิเดชั่น ดังนั้นจะมีการผลิต OH ^-ไอออนหรือก๊าซไฮโดรเจนที่สูงขึ้น เพราะท้ายที่สุดแล้วมันคือความแตกต่างระหว่างศักยภาพในการลดลงΔEซึ่งเป็นหนึ่งในตัวขับเคลื่อนหลักของกระบวนการเหล่านี้

การกัดกร่อนของเหล็ก

กลไกการกัดกร่อนของเหล็ก ที่มา: Wikipedia

หลังจากการชี้แจงก่อนหน้านี้สามารถระบุตัวอย่างการกัดกร่อนของเหล็กได้ (ภาพบนสุด) สมมติว่ามีชั้นน้ำบาง ๆ ที่ออกซิเจนละลาย หากไม่มีโลหะอื่น ๆ อยู่มันจะเป็นตัวกำจัดโพลาไรเซอร์ที่จะกำหนดโทนเสียงสำหรับปฏิกิริยา

ดังนั้นเหล็กจะสูญเสียอะตอมบางส่วนจากพื้นผิวเพื่อละลายในน้ำเป็น Fe ²⁺ไอออนบวก:

เฟ => เฟ²⁺ + 2e ^-

อิเล็กตรอนทั้งสองจะเดินทางผ่านชิ้นเหล็กเนื่องจากเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี ดังนั้นตำแหน่งที่ทราบการเกิดออกซิเดชันหรือไซต์แอโนด แต่ไม่ใช่ว่าการลดลงหรือตำแหน่งของไซต์ cathodic จะดำเนินการอย่างไร ไซต์แคโทดสามารถอยู่ที่ใดก็ได้ และยิ่งพื้นที่ที่เป็นไปได้มีขนาดใหญ่โลหะก็จะสึกกร่อนแย่ลง

สมมติว่าอิเล็กตรอนไปถึงจุดหนึ่งดังที่แสดงในภาพด้านบน มีทั้งออกซิเจนและน้ำได้รับปฏิกิริยาอธิบายไว้แล้วโดยที่ OH ^-ถูกปล่อยออกมา แอนไอออน OH ^-เหล่านี้สามารถทำปฏิกิริยากับ Fe ²⁺เพื่อสร้าง Fe (OH) ₂ซึ่งตกตะกอนและเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นในเวลาต่อมาซึ่งจะเปลี่ยนเป็นสนิมในที่สุด

ในขณะเดียวกันไซต์ขั้วบวกกำลังแตกมากขึ้นเรื่อย ๆ

ตัวอย่าง

ในชีวิตประจำวันตัวอย่างของการกัดกร่อนของกัลวานิกมีมากมาย เราไม่จำเป็นต้องอ้างถึงมงกุฎเหล็ก: สิ่งประดิษฐ์ใด ๆ ที่ทำจากโลหะสามารถผ่านกระบวนการเดียวกันได้ในสภาพแวดล้อมที่ชื้นและมีน้ำเกลือ

นอกจากชายหาดแล้วฤดูหนาวยังสามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่นเมื่อตักเกลือลงในหิมะบนถนนเพื่อป้องกันไม่ให้รถลื่นไถล

จากมุมมองทางกายภาพความชื้นสามารถคงอยู่ในรอยต่อของโลหะสองชนิดซึ่งเป็นบริเวณที่มีการกัดกร่อน เนื่องจากโลหะทั้งสองมีพฤติกรรมเหมือนอิเล็กโทรดสองขั้วโดยยิ่งมีปฏิกิริยามากขึ้นจะสูญเสียอิเล็กตรอน

หากการผลิต OH ^-ไอออนมีความสำคัญมากก็สามารถกัดกร่อนสีของรถหรืออุปกรณ์ที่เป็นปัญหาได้

ดัชนี Anodic

เราสามารถสร้างตัวอย่างของตัวเองเกี่ยวกับการกัดกร่อนของกัลวานิกโดยใช้ตารางลดศักยภาพ อย่างไรก็ตามตารางดัชนี anodic (แบบง่ายต่อ se) จะถูกเลือกเพื่อแสดงจุดนี้

ดัชนี Anodic สำหรับโลหะหรือโลหะผสมที่แตกต่างกัน ที่มา: Wikipedia

สมมติว่าเราต้องการสร้างเซลล์ไฟฟ้าเคมี โลหะที่อยู่ด้านบนสุดของตารางดัชนีขั้วบวกจะมีแคโทดมากกว่า นั่นคือพวกมันจะลดลงอย่างง่ายดายและดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะแก้ปัญหา ในขณะที่โลหะที่อยู่ด้านล่างจะมีขั้วบวกหรือปฏิกิริยามากกว่าและสึกกร่อนได้ง่าย

ถ้าเราเลือกทองคำและเบริลเลียมโลหะทั้งสองจะอยู่ด้วยกันได้ไม่นานเนื่องจากเบริลเลียมจะออกซิไดซ์เร็วมาก

และในทางกลับกันถ้าเรามีสารละลาย Ag ⁺และเราจุ่มแท่งอะลูมิเนียมเข้าไปมันจะละลายในเวลาเดียวกับที่อนุภาคเงินโลหะตกตะกอน ถ้าแท่งนี้เชื่อมต่อกับขั้วไฟฟ้ากราไฟต์อิเล็กตรอนจะเดินทางไปที่มันเพื่อฝากเงินด้วยไฟฟ้าเป็นฟิล์มเงิน

และถ้าแทนที่จะเป็นแท่งอลูมิเนียมที่ทำจากทองแดงสารละลายจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินเนื่องจากมีไอออน Cu ²⁺อยู่ในน้ำ

การป้องกันการกัดกร่อนด้วยไฟฟ้าเคมี

เคลือบบูชายัญ

สมมติว่าคุณต้องการป้องกันแผ่นสังกะสีจากการกัดกร่อนต่อหน้าโลหะอื่น ๆ ตัวเลือกที่ง่ายที่สุดคือการเพิ่มแมกนีเซียมซึ่งจะเคลือบสังกะสีเพื่อที่เมื่อออกซิไดซ์แล้วอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแมกนีเซียมจะลดไอออนบวก Zn ²⁺กลับ

อย่างไรก็ตามฟิล์ม MgO บนสังกะสีจะเกิดการแตกร้าวไม่ช้าก็เร็วโดยให้ไซต์แอโนดความหนาแน่นกระแสสูง นั่นคือการกัดกร่อนของสังกะสีจะเร่งขึ้นอย่างรวดเร็วที่จุดเหล่านั้น

เทคนิคการป้องกันการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้านี้เรียกว่าการใช้สารเคลือบบูชายัญ ที่รู้จักกันดีคือสังกะสีซึ่งใช้ในเทคนิคที่มีชื่อเสียงเรียกว่าการชุบสังกะสี ในนั้นโลหะ M โดยเฉพาะเหล็กเคลือบด้วยสังกะสี (Fe / Zn)

อีกครั้งสังกะสีออกซิไดซ์และออกไซด์ของมันทำหน้าที่หุ้มเหล็กและส่งอิเล็กตรอนไปยังมันเพื่อลด Fe ²⁺ที่สามารถเกิดขึ้นได้

สารเคลือบอันสูงส่ง

สมมติอีกครั้งว่าคุณต้องการป้องกันสังกะสีแผ่นเดียวกัน แต่ตอนนี้คุณจะใช้โครเมียมแทนแมกนีเซียม โครเมียมมีค่าสูงกว่า (แคโทดดูตารางตัวเลขขั้วบวก) มากกว่าสังกะสีดังนั้นจึงใช้เป็นสารเคลือบชั้นสูง

ปัญหาของการเคลือบประเภทนี้คือเมื่อเกิดรอยแตกมันจะส่งเสริมและเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของโลหะที่อยู่ข้างใต้ ในกรณีนี้สังกะสีจะสึกกร่อนมากกว่าการเคลือบด้วยแมกนีเซียม

และในที่สุดก็มีสารเคลือบอื่น ๆ ที่ประกอบด้วยสีพลาสติกสารต้านอนุมูลอิสระไขมันเรซิน ฯลฯ

การทดลองสำหรับเด็ก

แผ่นเหล็กในการละลายเกลือทองแดง

การทดลองอย่างง่ายสามารถคิดค้นได้จากตารางดัชนีขั้วบวกเดียวกัน การละลาย CuSO ₄ · 5H ₂ O ในปริมาณที่เหมาะสม (น้อยกว่า 10 กรัม) ในน้ำเด็กจะถูกขอให้จุ่มลงในแผ่นเหล็กขัดเงา ถ่ายภาพแล้วและกระบวนการนี้จะได้รับอนุญาตให้เปิดเผยได้สองสามสัปดาห์

ในตอนแรกสารละลายจะเป็นสีน้ำเงิน แต่จะเริ่มจางลงในขณะที่แผ่นเหล็กเปลี่ยนเป็นสีทองแดง เนื่องจากทองแดงมีค่าสูงกว่าเหล็กดังนั้นไอออนบวก Cu ²⁺จะลดลงเป็นทองแดงโลหะจากไอออนที่ได้รับจากการเกิดออกซิเดชันของเหล็ก:

เฟ => เฟ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

การทำความสะอาดซิลเวอร์ออกไซด์

วัตถุสีเงินจะเปลี่ยนเป็นสีดำเมื่อเวลาผ่านไปโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากสัมผัสกับแหล่งของสารประกอบกำมะถัน สนิมสามารถขจัดออกได้โดยการจุ่มวัตถุลงในอ่างน้ำที่มีเบกกิ้งโซดาและอลูมิเนียมฟอยล์ ไบคาร์บอเนตให้อิเล็กโทรไลต์ที่จะอำนวยความสะดวกในการขนส่งอิเล็กตรอนระหว่างวัตถุกับอลูมิเนียม

เป็นผลให้เด็กรู้สึกซาบซึ้งที่วัตถุสูญเสียจุดดำและจะเรืองแสงด้วยสีเงินที่มีลักษณะเฉพาะ ในขณะที่อลูมิเนียมฟอยล์จะสึกกร่อนจนหายไป

อ้างอิง

ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE การเรียนรู้
วิกิพีเดีย (2019) การกัดกร่อนของกัลวานิก สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
Stephen Lower (16 มิถุนายน 2562). การกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้า เคมี LibreTexts สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
มหาวิทยาลัยเปิด. (2018) 2.4 กระบวนการกัดกร่อน: การกัดกร่อนของกัลวานิก กู้คืนจาก: open.edu
ฝ่ายบริการลูกค้า Brush Wellman Inc. (sf) คู่มือการกัดกร่อนของกัลวานิก Brush Wellman วัสดุวิศวกรรม
Giorgio Carboni (1998) การทดลองทางเคมีไฟฟ้า. ดึงมาจาก: funsci.com

การกัดกร่อนของกัลวานิก: กลไกตัวอย่างการป้องกัน - เคมี - 2025