קורוזיה גלוונית: מנגנונים, דוגמאות, הגנה - כִּימִיָה - 2025

הקורוזיה גלווני או אלקטרוכימי היא תהליך שבו מתכת או סגסוגת מדרדרת יותר תלולה לעומת החמצון הקונבנציונלי. ניתן לומר שמדובר בחמצון מואץ, ואף מקודם במכוון; כמו שקורה בתאים או בסוללות.

זה מתרחש במספר תנאים. ראשית, חייבת להיות מתכת פעילה, הנקראת האנודה. כמו כן, ושנית, חייבת להיות מתכת אצילית בעלת תגוב נמוך הנקראת הקתודה. התנאי השלישי והרביעי הם נוכחות של מדיום בו מתפשטים אלקטרונים, כמו מים, ושל מינים יוניים או אלקטרוליטים.

כתר ברזל חלוד. מקור: Pixnio.

קורוזיה גלוונית ניתנת לצפייה במיוחד בסביבות ימיות או בחופי חופים. זרמי האוויר מרימים המוני אדי מים, אשר בתורם נושאים כמה יונים; האחרונים דבקים בשכבה דקה של מים או טיפות שנחות על משטח המתכת.

תנאי לחות ומליחות אלה מעדיפים את קורוזיה של המתכת. במילים אחרות, כתר ברזל כמו זה שבתמונה למעלה יחליד מהר יותר אם הוא נחשף לים.

את הקלות שתצטרך מתכת לחמצן בהשוואה לאחרת ניתן למדוד כמותית באמצעות פוטנציאל הפחתה שלה; טבלאות עם פוטנציאלים אלה שופעות בספרי כימיה: ככל שאתה שלילי יותר, כך נטייתך לחלודה גדולה יותר.

באופן דומה, אם מתכת זו נמצאת בנוכחות אחרת עם פוטנציאל הפחתה חיובי מאוד, ובכך היא בעלת ΔE גדול, חמצון המתכת המגיבה יהיה אגרסיבי יותר. הם חשובים גם גורמים אחרים, כמו pH, חוזק יוני, לחות, נוכחות חמצן והקשר בין אזורי המתכת המחמצנת לבין זה שמופחת.

מנגנונים

מושגים ותגובות

לפני שמתייחסים למנגנונים שמאחורי קורוזיה גלוונית, יש להבהיר מושגים מסוימים.

בתגובת redox, מין אחד מאבד אלקטרונים (מתחמצן) ואילו אחר מרוויח אותם (מפחית). האלקטרודה עליה מתרחשת חמצון נקראת האנודה; ועליה מתרחשת ההפחתה, קתודה (באנגלית הכלל המנומוני משמש בדרך כלל בכדי לזכור אותו).

לפיכך, עבור אלקטרודה (חתיכה, בורג וכו ') של מתכת M, אם היא מתחמצנת, נאמר שהיא האנודה:

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

מספר האלקטרונים המשוחררים יהיה שווה לגודל המטען החיובי של הקטיון שהתקבל M ⁺ .

ואז אלקטרודה אחרת או מתכת R (שתי המתכות חייבות להיות במגע בדרך כלשהי), מקבלת את האלקטרונים המשוחררים; אך זו אינה עוברת תגובה כימית אם היא משיגה אלקטרונים, מכיוון שהיא רק תוליך אותם (זרם חשמלי).

לפיכך, צריך להיות פתרון אחר שיכול לקבל רשמית אלקטרונים אלה; כמו יוני מתכת מופחתים בקלות, למשל:

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

כלומר, נוצרה שכבה של מתכת R ולכן האלקטרודה הייתה הופכת לכבדה יותר; בעוד שהמתכת M תאבד מסה בגלל שהתמוסס האטומים שלו.

מפחתים

מה אם לא היו קטיוני מתכת שניתן היה להפחית די בקלות? במקרה כזה, מינים אחרים שנמצאים במדיום ייקחו את האלקטרונים: depolarizers. אלה קשורים קשר הדוק ל- pH: O ₂ , H ⁺ , OH ^- ו- H ₂ O.

חמצן ומים מרוויחים אלקטרונים בתגובה המתבטאת במשוואה הכימית הבאה:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

בעוד שיוני H ⁺ הופכים ל- H ₂ :

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

כלומר המין OH ^- ו- H ₂ הם מוצרים נפוצים קורוזיה גלוונית או אלקטרוכימית.

גם אם המתכת R אינה משתתפת בשום תגובה, העובדה שהיא אצילית יותר מ- M מקדמת את חמצון שלה; וכתוצאה מכך, תהיינה הפקה גבוהה של OH ^- יונים או גז מימן. כי אחרי הכל, זה ההבדל בין פוטנציאל הפחתה, ΔE, אחד המניעים העיקריים של תהליכים אלה.

קורוזיה מברזל

מנגנון קורוזיה לברזל. מקור: ויקיפדיה.

לאחר ההבהרות הקודמות ניתן לטפל בדוגמה של קורוזיה מברזל (תמונה עליונה). נניח שיש שכבה דקה של מים שבה החמצן מתמוסס. ללא נוכחות של מתכות אחרות, זה יהיה המרתח הקוטב שיעניק את הטון לתגובה.

לפיכך, ברזל יאבד אטומים מסוימים מעל פני השטח שלו להתמוסס במים ^{כקטיוני} Fe ²⁺ :

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

שני האלקטרונים יעברו דרך פיסת הברזל מכיוון שזה מוליך חשמל טוב. אז איפה ידוע התחמצנות או אתר האנודה; אך לא היכן שתמשיך הקטנה או מיקום האתר הקתודי. אתר הקתודה יכול להיות בכל מקום; וככל שטחו האפשרי גדול יותר, כך המתכת תישחית.

נניח שהאלקטרונים מגיעים לנקודה כמוצג בתמונה למעלה. שם גם החמצן והמים עוברים את התגובה שכבר תוארה, ובאמצעותה משתחרר OH ^- . OH אלה ^- אניונים יכול להגיב עם Fe ²⁺ להקים פה (OH) ₂ , מזרז ועובר oxidations עוקב כי בסופו של דבר להפוך אותה חלוד.

בינתיים, אתר האנודה נסדק יותר ויותר.

דוגמאות

בחיי היומיום הדוגמאות לקורוזיה גלוונית הן רבות. איננו צריכים להתייחס לכתר הברזל: כל חפץ העשוי מתכות יכול לעבור את אותו התהליך בנוכחות סביבות לחות ומלח.

בנוסף לחוף הים, החורף יכול לספק גם תנאים אידיאליים לקורוזיה; לדוגמה, כשאתה דוחף מלחים לשלג בכביש כדי למנוע החלקה של מכוניות.

מנקודת מבט פיזית, ניתן לשמור על לחות במפרקים המרותכים של שתי מתכות, בהיותן אתרי קורוזיה פעילים. הסיבה לכך היא ששתי המתכות מתנהגות כמו שתי אלקטרודות, כאשר המתגובה יותר מאבדת את האלקטרונים שלה.

אם הייצור של OH ^- היונים הוא לא מבוטל, זה אפילו יכול לאכל את הצבע של המכונית או את המכשיר מדובר.

מדדים אנודיים

ניתן לבנות דוגמאות משלו לקורוזיה גלוונית תוך שימוש בטבלאות פוטנציאל הפחתה. עם זאת, טבלת האינדקס האנודה (מפושטת כשלעצמה) תבחר להמחשת נקודה זו.

מדדים אנודיים למתכות או סגסוגות שונות. מקור: ויקיפדיה.

נניח למשל שרצינו לבנות תא אלקטרוכימי. המתכות שנמצאות בראש טבלת אינדקס האנודה הן קתודיות יותר; כלומר הם מופחתים בקלות ולכן יהיה קשה להם לפתור אותם. בעוד שהמתכות שנמצאות בתחתית הן אנודיות יותר או תגוביות יותר, והן מסתתרות בקלות.

אם אנו בוחרים בזהב ובריליום, שתי המתכות לא יכולות להיות יחד לאורך זמן, מכיוון שהבריליום היה מתחמצן במהירות רבה.

ואם, לעומת זאת, יש לנו פיתרון של יוני Ag ⁺ ואנחנו טובלים בו מוט אלומיניום, הוא יתמוסס באותה עת שחלקיקי הכסף המתכתי משקעים. אם סרגל זה היה מחובר לאלקטרודה גרפיטית, אלקטרונים היו נוסעים אליו כדי להפקיד עליו אלקטרוכימית כסרט כסוף.

ואם במקום מוט האלומיניום הוא היה עשוי נחושת, הפיתרון היה הופך לאפרפר בגלל נוכחותם של יוני ^{2 +} Cu במים.

הגנה מפני קורוזיה אלקטרוכימית

ציפוי הקרבה

נניח שאתה רוצה להגן על דף אבץ מפני קורוזיה בנוכחות מתכות אחרות. האפשרות הפשוטה ביותר הייתה להוסיף מגנזיום, אשר יכסה את האבץ כך שברגע שיחמצנו, האלקטרונים המשתחררים מהמגנזיום יפחיתו את קטיוני Zn ²⁺ בחזרה.

עם זאת, הסרט MgO על אבץ בסופו של דבר ייפגע מוקדם יותר מאשר במאוחר, ויספק אתרי אנודה בצפיפות זרם גבוהה; כלומר, קורוזיה של האבץ תאיץ בחדות בדיוק באותן נקודות.

טכניקה זו של הגנה מפני קורוזיה אלקטרוכימית ידועה כשימוש בציפוי הקרבה. הידוע ביותר הוא אבץ, המשמש בטכניקה המפורסמת הנקראת גלוון. בתוכם, המתכת M, בעיקר ברזל, מצופה באבץ (Fe / Zn).

שוב, אבץ מתחמצן ותחמוצתו משמשת לכיסוי הברזל ולהעברת אלקטרונים אליו שמפחיתים את ה- Fe ²⁺ שיכול להיווצר.

ציפויים אצילים

נניח שוב שאתה רוצה להגן על אותה גיליון אבץ, אך כעת תשתמש בכרום במקום במגנזיום. כרום הוא אצילי יותר (קתודי יותר, ראה טבלה של מספרים אנודיים) מאשר אבץ, ולכן עובד כציפוי אצילי.

הבעיה בציפוי מסוג זה היא שברגע שהוא ייסדק, הוא יקדם ויאיץ עוד יותר את חמצון המתכת שמתחת; במקרה זה, האבץ ישתתק אפילו יותר מאשר להיות מצופה במגנזיום.

ולבסוף, ישנם ציפויים אחרים המורכבים מצבעים, פלסטיקים, נוגדי חמצון, שומנים, שרפים וכו '.

ניסוי לילדים

צלחת ברזל בפירוק מלחי נחושת

ניתן להמציא ניסוי פשוט מאותו טבלה של מדדי אנודה. ממיסים כמות סבירה (פחות מ -10 גרם) של CuSO ₄ · 5H ₂ O במים, הילד מתבקש לטבול בצלחת ברזל מלוטשת. צולם תמונה ומותר להתפתח התהליך למשך מספר שבועות.

הפיתרון כחלחל בתחילה, אך יתחיל לדעוך בזמן שצלחת הברזל הופכת לצבע מרקם. זה נובע מהעובדה שהנחושת אצילית יותר מברזל, ולכן קטיוני ה- Cu ^{2+ שלהם} יצטמצמו לנחושת מתכתית מהיונים הניתנים על ידי חמצון הברזל:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

ניקוי תחמוצות כסף

חפצי כסף משחירים עם הזמן, במיוחד אם הם במגע עם מקור לתרכובות גופרית. ניתן להסיר את החלודה על ידי טבילת החפץ באמבט מים עם סודה לשתייה ונייר אלומיניום. הביקרבונט מספק את האלקטרוליטים שיאפשרו את הובלת האלקטרונים בין האובייקט לאלומיניום.

כתוצאה מכך הילד יעריך שהאובייקט מאבד את הכתמים השחורים שלו ויהיה זוהר בצבעו הכסוף האופייני; ואילו רדיד האלומיניום ישתבש ונעלם.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
3. ויקיפדיה. (2019). קורוזיה גלווני. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. סטיבן תחתון. (16 ביוני 2019). קורוזיה אלקטרוכימית. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
5. האוניברסיטה הפתוחה. (2018). 2.4 תהליכי קורוזיה: קורוזיה גלוונית. התאושש מ: open.edu
6. שירות טכני של לקוחות מברשת Wellman Inc. (sf). מדריך לקורוזיה גלוונית. מברשת חומרים מהונדסים וולמן.
7. ג'ורג'יו קרבוני. (1998). ניסויים באלקטרוכימיה. התאושש מ: funsci.com