PowerPoint Presentation ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU KHÁI NIỆM ĐIỆN HÓA HỌC VÀ CHUYỂN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN – HÓA Các loại phản ứng 1 – Không thay đổi số oxy hóa, 2 – Thay đổi số oxy hóa (trao đổi electron) Dò[.]
ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ VẬT LIỆU KHÁI NIỆM ĐIỆN HÓA HỌC VÀ CHUYỂN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN – HÓA Các loại phản ứng: – Không thay đổi s ố oxy hóa, – Thay đổi số oxy hóa (trao đổi electron) Dịng electron trao đổi phản ứng dịng điện! Ví dụ, phản ứng oxy hóa – khử: Zn + CuSO = ZnSO + Cu 4 Cho e: Chất khử (bị oxy hóa): Zn0 – 2e = Zn2+ Nhận e: Chất oxy hóa (bị khử): Cu2+ + 2e = Cu0 PIN VÀ THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN Sức điện động c d C C RT o E E ln Ca Db nF C C A B n – số electron trao đổi F – số Faraday Thế điện cực: Là hiệu so với điện cực chuẩn Hydro RT COx ln nF C Kh o Ví dụ: Li / Li 3,045 V Fe 2 / Fe 0,440 V Fe3 / Fe 0,037 V Ni 2 / Ni 0,250 V Cr 3 / Cr 0,744 V Pin Cu – Zn: (-)Zn│ZnSO ║CuSO │Cu(+) 4 (-)Zn│Zn2+║Cu2+│Cu(+) Ăn mịn điện hố Nhúng kẽm đồng vào cốc đựng dung dịch H2SO4 loãng Nối kẽm với đồng dây dẫn qua vôn kế Kim vơn kế quay, chứng tỏ có dịng điện chạy qua +Thanh Zn tan vào d.d., bị mòn dần, + Thanh Cu có bọt khí Giải thích : Ở điện cực âm (anot), kẽm bị ăn mòn theo phản ứng : Ăn mịn điện hố là q trình oxy hố -khử: kim loại bị ăn mịn tác dụng dung dịch chất điện ly tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm đến cực dương Zn = Zn2+ + 2e Ở điện cực dương (catot), ion H+ d.d H2SO4 nhận electron biến thành nguyên tử H phân tử Hydro thoát ra: H 2e H H SO4 Tuần Chương 9: Ăn mòn bảo vệ vật liệu ÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐIỆN HĨA HỌC Sự ăn mịn kim loại là phá huỷ kim loại hợp kim tác dụng chất n môi trường xung quanh: M M ne Đó q trình hố học q trình điện hố kim loại bị oxi hố thành ion dương Có hai kiểu ăn mịn kim loại: Ăn mịn hố học Ăn mịn điện hố Giới thiệu ăn mịn • Photos courtesy L.M Maestas, Sandia National Labs Used with permission Tổn hao: 4-5% GNP*, vào khoảng 400 tỉ/năm (toàn cầu) ** * H.H Uhlig and W.R Revie, Corrosion and Corrosion Control: An Introduction to Corrosion Science and Engineering, 3rd ed., John Wiley and Sons, Inc., 1985 **Economic Report of the President (1998) b)Cơ chế ăn mòn điện hóa hợp kim sắt khơng khí ẩm: Trong khơng khí ẩm, bề mặt sắt ln có lớp nước mỏng hoà tan O2 CO2 khí quyển, tạo thành dung dịch chất điện li H2CO3 Sắt tạp chất (chủ yếu cacbon) tiếp xúc với d.d điện ly tạo nên vô số pin nhỏ (GALVANI) mà sắt anot cacbon catot Tại anot, sắt bị oxy hoá thành ion Fe2+: Fe = Fe2+ + 2e Các electron giải phóng chuyển dịch đến catot Tại catơt, O2 hoà tan nước bị khử thành ion hydroxyt : O2 + 2H2O + 4e = 4OHCác ion Fe2+ di chuyển từ anot qua d.d điện li đến catot kết hợp với OHđể tạo thành sắt (II) hydroxyt Hydroxyt Sắt (II) tiếp tục bị oxy hoá oxy khơng khí thành hydroxyt sắt (III), chất lại phân huỷ thành oxyt sắt II Gỉ sắt màu đỏ nâu, có thành phần Fe2O3.xH2O Điều kiện xảy ăn mịn điện hố - Các điện cực phải khác chất nhau, là cặp kim loại khác cặp kim loại với phi kim - Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp gián tiếp với qua dây dẫn - Các điện cực tiếp xúc với dung dịch chất điện ly So sánh Ăn mịn hóa học Ăn mịn điện hóa - e chuyển trực tiếp tới chất - Khơng có chất điện ly - Tốc độ ăn mịn khơng nhanh - e từ cực âm tới dương tạo dòng điện - Có dung dịch điện ly - Tốc độ ăn mịn nhanh Ví dụ : Ăn mịn kẽm axit • phản ứng xảy ra: Phản ứng oxi hóa: Phản ứng khử : Kẽm Zn Zn2 2e 2H 2e H2 (gas) H+ PU oxi hóa Zn Zn 2+ Chuyển động e2e KL H+ H+ H+ Dung dịch axit H+ H2(gas) PU khử H+ H+ Adapted from Fig 17.1, Callister 7e (Fig 17.1 is from M.G Fontana, Corrosion Engineering, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company, 1986.) • Các p.ư khử khác: dd axit O2 4H 4e 2H2O mơi trường trung tính hay kiềm O2 2H2O 4e 4(OH)8 Chiều chuyển động eDo chuyển động e- định (Electromotive force: EMF) H2(gas) Mn+ H+ ions H+ e2e - 25°C 1M Mn+ sol’n 1M H + sol’n KL anode (-) o Vmetal (so với Pt) e- ne metal, M metal, M ne - e- Platinum e- Bề mặt KL bị phủ Mn+ ions H+ 2e H+ Platinum Bề mặt KL ăn mòn 25°C 1M Mn+ sol’n 1M H+ sol’n KL cathode (+) o Vmetal (so với Pt) Adapted from Fig 17.2, Callister 7e Thế điện cực tiêu chuẩn (Standard Electrode Potential) anodic cathodic Ví dụ: Thế tiêu chuẩn KL metal Au Cu Pb Sn Ni Co Cd Fe Cr Zn Al Mg Na K • KL nhỏ bị ăn mịn • VD: Pin Cd(-) / Ni(+) o Vmetal +1.420 V +0.340 - 0.126 - 0.136 - 0.250 DV o = - 0.277 0.153V - 0.403 - 0.440 - 0.744 - 0.763 - 1.662 - 2.363 - 2.714 - 2.924 - Cd + 25°C Ni 1.0 M 1.0 M Cd 2+ solution Ni 2+ solution Adapted from Fig 17.2, Callister 7e 10 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch VD: Pin NL Cd/Ni dd • VD: Pin NL Cd/Ni dd tiêu chuẩn 1M phi tiêu chuẩn VNio VCdo 0.153 - Cd + 25°C Ni 1.0 M 1.0 M Cd 2+ solution Ni 2+ solution VNi VCd - Cd T RT X V V ln nF Y o Ni + o Cd Ni XM YM Cd 2+ solution Ni 2+ solution • Giảm chênh lệch VNi - VCd cách: tăng X giảmY n = số etham gia oxi hóa/khử (= 2e-) F= Hằng số Faraday = 96,500 C/mol 11 Thế Galvanic anodic (hoạt động) cathodic (trơ) • Khả hoạt động KL/hợp kim nước biển Platinum Gold Graphite Titanium Silver 316 Stainless Steel Nickel (passive) Copper Nickel (active) Tin Lead 316 Stainless Steel Iron/Steel Aluminum Alloys Cadmium Zinc Magnesium Based on Table 17.2, Callister 7e (Source of Table 17.2 is M.G Fontana, Corrosion Engineering, 3rd ed., McGrawHill Book Company, 1986.) 12 Các dạng ăn mịn • Stress corrosion • Uniform Attack Oxidation & reduction occur uniformly over surface • Selective Leaching Stress & corrosion work together at crack tips Preferred corrosion of one element/constituent (e.g., Zn from brass (Cu-Zn)) • Intergranular Corrosion along grain boundaries, often where special phases exist g.b prec attacked zones Fig 17.18, Callister 7e Forms of corrosion • Galvanic Dissimilar metals are physically joined The more anodic one corrodes.(see Table 17.2) Zn & Mg very anodic • Erosion-corrosion Break down of passivating layer by erosion (pipe elbows) • Pitting Downward propagation of small pits & holes Fig 17.17, Callister 7e (Fig 17.17 from M.G Fontana, Corrosion Engineering, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company, 1986.) • Crevice Between two pieces of the same metal Rivet holes Fig 17.15, Callister 7e (Fig 17.15 is courtesy LaQue Center for Corrosion Technology, Inc.) 13 Kiểm sốt ăn mịn • Tự bảo vệ chống ăn mòn! Ion k.l kết hợp Oxy tạo lớp màng mỏng, làm chậm ăn mòn Metal oxide Metal (e.g., Al, stainless steel) • Giảm T (giảm tốc độ p.ư Oxy hóa - khử • Thêm chất ức chế - Giảm tốc độ Oxy hóa - khử cách giảm tác nhân p.ư (giảm oxy) - Sơn phủ bề mặt (VD sơn bề mặt) • Bảo vệ cathode cách phủ VL anod lên Cathod cần bảo vệ VD: phủ kẽm (anod) lên thép (cathod) Zn 2+ zinc 2e - 2e steel zinc Adapted from Fig 17.23, Callister 7e 14 Tóm tắt * Ăn mịn xảy do: - KL có xu hướng cho e- Điện tử (e-) tham gia PU OXH/khử • KL tiêu chuẩn nhỏ dễ bị ăn mịn so với KL tiêu chuẩn lớn • Thế Galvanic cho biết tốc độ ăn mòn Kl nước biển • Tăng T làm tăng tốc độ PU OXH/khử • Ăn mịn kiểm sốt bởi: • Lớp oxit bảo vệ KL • Giảm T • Thêm chất ngăn ăn mịn • Sơn bề mặt KL • Bảo vệ cathod 16