Đề tiểu luận số 1 trình bày các khái niệm cơ bản về Ăn mòn kim loại

Về nghĩa rộng sự ăn mòn được dùng để chỉ cho sự phá huỷ vật liệu trong đó bao gồm kim loại và các vật liệu phi kim loại khi có sự tương tác hoá học hoặc vật lý giữa chúng với môi trường

Đề tiểu luận số 1

TRÌNH BÀY CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI

1 Khái niệm về ăn mòn và ăn mòn kim loại

Cụm từ “ăn mòn” được dịch ra từ chữ “corrosion”, nó xuất phát từ từ ngữ latin “corrodère” có nghĩa là “gặm nhấm” hoặc “phá huỷ” Về nghĩa rộng sự ăn mòn được dùng để chỉ cho sự phá huỷ vật liệu trong đó bao gồm kim loại và các vật liệu phi kim loại khi có sự tương tác hoá học hoặc vật lý giữa chúng với môi trường ăn mòn gây ra Có thể đơn cử một số hiện tượng ăn mòn sau: – Sự chuyển hoá thép thành gỉ thép khi thép tiếp xúc với không khí ẩm – Sự rạn nứt của đồng thau, kim loại đồng khi tiếp xúc với môi trường amoniac – Sự lão hoá của các vật liệu polyme do tác dụng của tia cực tím, do tác dụng của dung môi, của nhiệt độ v.v – Sự ăn mòn thuỷ tinh do môi trường kiềm gây ra v.v Ở đây chúng ta chỉ quan tâm đến vấn đề ăn mòn kim loại, vì kim loại là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các ngành công nghiệp, nó có một số ưu điểm hơn hẳn các vật liệu khác: độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao; độ bền cơ học cao, độ co giảm, độ kháng kéo cao; độ bền nhiệt cao Đặc biệt từ nó dễ dàng chế tạo ra các thiết bị, máy móc v.v

Ăn mòn kim loại là một quá trình xảy

ra phản ứng oxi hoá khử trên mặt giới

hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi

trường chất điện li, nó gắn liền với sự

chuyển kim loại thành ion kim loại

đồng thời kèm theo sự khử một thành

phần của môi trường và sinh ra một

dòng điện

2 Những ảnh hưởng của ăn mòn kim loại đến kinh tế và xã hội

Vấn đề ăn mòn kim loại có liên quan đến hầu hết các ngành kinh tế Người ta đã tính được rằng giá tiền chi phí cho lĩnh vực bảo vệ chống ăn mòn chiếm khoảng 4% tổng thu nhập quốc dân đối với

những nước có nền công nghiệp phát triển Chi phí hàng năm để khắc phục ăn mòn kim loại tiêu tốn rất nhiều chi phí và nhân lực thậm chí gây nguy hiểm cho các công trình dân dụng, công nghiệp, nông nghiệp, viễn thông, điện lực, dầu khí, quân sự, quốc phòng và đặc biệt là các công trình ven biển Chi phí này tính cho các khoản sau: – Những mất mát trực tiếp: Tiền chi phí cho việc thay thế các vật liệu

đã bị ăn mòn và những thiết bị xuống cấp do ăn mòn gây ra – Những tổn thất gián tiếp: Chi phí cho việc sửa chữa số lượng sản phẩm giảm chất lượng trong quá trình sản xuất hoặc bị mất mát do hiện tượng ăn mòn kim loại gây ra.a, Đối với lĩnh vực hàng hải

Theo thống kê bảng xếp hạng sức mạnh hải

quân thế giới năm 2021 của Global Firepower,

Việt Nam đứng ở vị trí thứ 38 toàn cầu và thứ

5 ở khu vực Đông Nam Á với 65 tàu chiến các

loại Cũng theo dữ liệu của Global Firepower,

Hải quân Việt Nam đang có trong biên chế 65

tàu chiến các loại, trong số đó có 4 tàu hộ vệ

tên lửa, 7 tàu hộ vệ săn ngầm (phần lớn đã

được thay tính năng), 13 tàu tên lửa tấn công

nhanh, 8 tàu tên lửa, 12 tàu pháo, 5 tàu

phóng lôi và một số tàu chiến khác Theo như

thống kê tổng khối lượng kim loại bị ăn mòn

trung bình hằng năm trên thế giới khoảng

10-30% khối lượng kim loại được sản xuất ra Sự

ăn mòn kim loại gây tổn thất lớn về nhiều mặt

cho nền kinh tế và đời sống con người Tuy

nhiên, nếu hiểu rõ nguồn gốc ăn mòn, chúng

ta có thể giảm thiểu tác hại từ quá trình ăn

mòn

b, Đối với lĩnh vực hàng không và quân đội

Đối với lĩnh vực hàng không và quân đội, đặc điểm chung của các lĩnh vực này đều sở hữu những thiết bị máy móc, thiết bị, công trình lớn hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt Sự ăn mòn nếu không được ngăn chặn thì nó sẽ tiếp tục tới khi phá

hỏng hoàn toàn vật, không có khả năng sửa chữa lúc đó chi phí bỏ ra để thay thế vật tư, thiết bị là một con số khổng lồ Theo thống

kê, ăn mòn kim loại gây tổn thất cho nền kinh tế Hoa Kỳ khoảng 300 tỷ đô mỗi năm Khoảng 30% chi phí này có thể cắt giảm nếu áp dụng phương pháp chống ăn mòn phù hợp

3 Ăn mòn kim loại gồm những loại nào? Sự khác biệt giữa chúng?

Trên quan điểm nhìn nhận vấn đề ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại và gây ra thiệt hại thì: sự

ăn mòn kim loại là quá trình làm giảm chất lượng và tính chất của kim loại do sự tương tác của chúng với môi trường xâm thực gây ra Có nhiều cách phân loại các quá trình ăn mòn kim loại Thông thường

có 3 cách:

 3.1 Phân loại theo cơ chế của quá trình

ăn mòn Dựa trên cơ chế của quá trình

ăn mòn, người ta chia ra 2 loại: ăn mòn

hóa học và ăn mòn điện hóa

 a Ăn mòn hóa học:

 Ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn

do tác dụng hóa học giữa kim loại với

môi trường; xảy ra khi kim loại tiếp xúc

với các khí khô như: Cl2, O2, ; một số

dung môi hữu cơ (môi trường lỏng

không dẫn điện) Theo cơ chế ăn mòn

hóa học thì ăn mòn kim loại là một

phản ứng không thuận nghịch xảy ra

trên bề mặt giới hạn giữa vật liệu kim

loại và môi trường xâm thực đuọc gắn

liền với sự mất mát hoặc tạo ra trên bề

mặt kim loại một thành phần nào đó do

môi trường cung cấp

b Ăn mòn điện hóa:

- Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn do tác dụng do tác dụng điện hóa học giữa kim loại với môi

trường phản ứng điện hóa, nó tuân theo quy luật của phản ứng điện hóa

 - Sự ăn mòn điện hóa xảy ra khi kim

loại tiếp xúc với môi trường điện ly: môi

trường đất, nước, bê tông

 - Ăn mòn điện hóa gồm 3 giai đoạn

chính

 + Giai đoạn 1: kim loại hòa tan ion để

tạo thành hydrat hóa trong dung dịch

và để lại các điện tử vùng anot, gọi là

quá trình anot

 + Giai đoạn 2: có sự chyển dịch điện tử

từ vùng anot sang vùng catot trong lim

loại và tương ứng có sự chuyển dịch các

cation sang catot và anion sang anot

 + Giai đoạn 3: chất oxi hóa của môi

trườngđến nhận e tại vùng catot, đây là

quá trình catot

Nghiên cứu chi tiết cơ chế quá trình ăn mòn hóa học và điện hóa học cho thấy không có ranh giới phân biệt rõ nét giữa chúng

Trong nhiều trường hợp, sự biến đổi chậm từ cơ chế hóa học sang

cơ chế điện hóa có thể xảy ra và ngược lại Sự ăn mòn trong dung dịch điện li có thể xảy ra theo cả cơ chế điện hóa lẫn cơ chế hóa học.Theo cơ chế ăn mòn điện hóa thì ăn mòn kim loại là một quá trình xảy ra phản ứng oxi hóa khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện li, gắn liền với sự chuyển rời kim loại thành ion đồng thời kèm theo sự khử thành phần của môi trường và sinh ra một dòng điện

3.2 Phân loại theo điều kiện của quá trình ăn mòn

- Ăn mòn khí quyển

- Ăn mòn trong chất điện ly (axit, bazơ, muối)

- Ăn mòn trong lòng đất

- Ăn mòn điện (gây ra dưới tác dụng của dòng điện ngoài)

- Ăn mòn trong bê tông - Ăn mòn vi sinh vật

 3.3 Phân loại theo dạng đặc trưng của ăn mòn

 - Ăn mòn toàn bộ: xảy ra trên toàn bộ bề mặt của kim loại, nó có thể đều đặn hoặc không đều

 - Ăn mòn cục bộ: tập trung ở các khu riêng biệt của bề mặt Ví dụ: ăn mòn hang hốc, ăn mòn điểm

 - Ăn mòn tinh giới: là sự phá hủy kim loiaj dọc theo ranh giới giữa các tinh thể

 - Ăn mòn xuyên tinh: hình thành các vết rạn xuyên tinh dẫn đến sự phá hủy toàn bộ kim loại

4 Khái niệm dung dịch, dung dịch điện ly; phân loại và tính chất của dung dịch điện ly

Trong hóa học, một dung dịch là một hỗn hợp đồng chất và chỉ có một pha Trong một hỗn hợp như vậy, một chất tan là một chất hòa tan được trong một chất khác, được biết là dung môi

4.1 Dung dịch điện ly là dây dẫn loại hai

Tùy theo cơ chế và tính chất dẫn điện, dây dẫn rắn và lỏng được chia thành hai loại: dây dẫn điện tử hay dây dẫn loại một và dây dẫn ion hay dây dẫn loại hai

 a Đặc điểm của dây dẫn loại một ( dây

kim loại )

 - Độ dẫn điện cao

 - Có thể cắm trực tiếp vào nguồn

 b Đặc điểm của dây dẫn loại hai:

 - dây dẫn truyền điện bằng các ion muối,

axit, bazo

 - độ dẫn điện thấp hơn dây dẫn loại 1

 - không nối trực tiếp với nguồn

 - khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt dung dịch, độ

solvat, dung dịch giảm, độ dẫn điện tăng

Thí dụ: muốn cho dòng điện đi qua dung dịch, ta phải đặt vào đó hai điện cực bằng dây dẫn loại một của nguồn điện

Dưới tác dụng của điện trường giữa hai điện cực, các cation chuyển về catot, các anion chuyển về anot Quá trình chuyển của ion trong lòng dây dẫn loại hai cũng giống sự chuyển vận điện tử trong lòng dây dẫn loại một, không gây ra 17 một biến đổi hóa học gì Nhưng khi tới điện cực, cation nhận điện tử từ catot và bị khử Thí dụ: Cu2+ + 2e = Cu còn anion nhường điện tử cho anot và bị oxy hóa, thí dụ: 2 Cl- - 2e = Cl2

Kết quả là phân tử chất tan bị phân hủy thành các hợp phần

Từ đó ta thấy một đặc điểm điển hình của dây dẫn loại hai khác với dây dẫn loại một là dòng điện muốn qua dây dẫn loại hai phải qua những bề mặt phân chia pha

 Tại những bề mặt phân chia ấy xảy ra sự thay đổi về cơ chế dẫn điện, dẫn tới một hệ quả

không thể tránh được là gây ra những quá trình điện hóa Chính vì lý do vừa trình bày mà dây dẫn loại hai là đối tượng của điện hóa học

 4.2 Độ dẫn điện của dung dịch điện ly

 Độ dẫn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng chuyển điện của dây dẫn Theo định

nghĩa, độ dẫn điện là nghịch đảo của điện trở, còn đìện trở thì phụ thuộc vào độ dài l, tiết

diện S, và điện trở suất ρ của dây dẫn

5 Phân loại dung dịch axit, bazơ, muối

5.1 Axit

Theo mức độ điện li của axit

- Axit mạnh: khi tan trong nước phân li hoàn toàn thành ion

- Axit yếu: khi tan trong nước chỉ phân li một phần ra ion

Theo số nguyên tử H trong phân tử

- Axit một nấc: trong dung dịch nước chỉ phân li ra một nấc ra ion H+

- Axit nhiều nấc:trong dung dịch nước phân li nhiều nấc ra ion H+

Lưu ý: Các axit nhiều nấc phân li lần lượt theo từng nấc

- Ngoài ra, ta có thể phân loại dựa vào số nguyên tử oxi (axit có oxi và không có oxi), hay theo nguồn gốc (axit vô cơ và axit hữu cơ)

5.2 Bazo

Theo mức độ điện li của bazơ

- Bazơ mạnh: khi tan trong nước phân li hoàn toàn thành ion

- Bazơ yếu: khi tan trong nước chỉ phân li một phần ra ion

Theo số nhóm OH

- Bazơ một nấc: trong dung dịch nước chỉ phân li ra một nấc ra ion

- Bazơ nhiều nấc: trong dung dịch nước phân li nhiều nấc ra ion OH-

OH-Khi viết phương trình điện li, cần đảm bảo cân bằng nguyên tố và cân bằng điện tích ở cả 2 vế của phương trình

Ngoài ra, ta có thể phân loại dựa vào độ tan (bazơ tan trong nước và không tan trong nước)

5.3 Muối

- Muối trung hòa: là muối mà anion gốc axit không còn khả năng phân li ra ion H+ (trong phân tử muối thường không có nguyên tử H trừ muối amoni NH4+ )

Ví dụ: NaCl, ( NH4 )2SO4

 - Muối axit là muối mà anion gốc axit còn có khả năng phân li ra ion H+

 Ví dụ:

 Chú ý: Nếu anion gốc axit còn hidro có tính axit, thì gốc này tiếp tục phân li yếu ra ion H+

 Tuy nhiên có một số muối trong phân tử vẫn còn nguyên tử H nhưng không có khả năng phân

li ra ion H+ thì vẫn là muối trung hoà

 Ví dụ :

 Ngoài ra ta cần lưu ý:

 Chất lưỡng tính: vừa phản ứng được với axit, vừa phản ứng được với bazơ

Chất trung tính: không phản ứng với cả dung dịch axit và bazơ

ví dụ: NaCl, Na2SO4

- Muối phức:

- Muối kép:

6 Khái niệm hệ điện hóa và điều kiện hình thành hệ điện hóa

Điện hóa là một lĩnh vực trong hóa lý nghiên cứu về mối liên hệ giữa các quá trình hóa học và dòng điện Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa

Quá trình điện hoá là một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế

Quá trình: Bản chất của ăn mòn điện hóa chính là quá trình oxi hóa khử xảy ra trên bề mặt của các điện cực, trong đó quá trình oxi hóa kim loại xảy ra ở cực âm còn quá trình khử các ion (nếu dung dịch điện li là axit) sẽ xảy ra ở cực dương Quá trình này sẽ tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm sang cực dương và khiến cho kim loại bị ăn mòn

 Thí dụ: Pin điện hóa

 - Cấu tạo: một hệ điện hóa, gồm 2 điện cực anot và catot đặt trong một dung dịch điện

giải nhất định, gồm 2 cực có bản chất khác nhau ngâm trong dung dịch điện phân

 - Hoạt động: pin hoạt động dựa trên nguyên lý ăn mòn Điện – Hóa giữa các điện cực

 - Nguyên tắc hoạt động: khi sạc pin, nguồn điện sẽ đẩy lùi ion từ catot sang anot và lưu

trữ tại đây, quá trình sử dụng đi theo chiều ngược lại ion sẽ từ anot quay trở lại catot để tạo

ra năng lượng

Cụ thể qua thí dụ về pin đồng – kẽm :

- Cấu tạo: một thanh kẽm nhúng trong dung dịch ZnSO4 tạo ra điện cực kẽm, một thanh đồng nhúng tỏng dung dịch CuSO4 tạo ra điện cực đồng, nối 2 dung dịch bằng cầu dung dịch điện ly đậm đặc KCl hay NHNO3, nối 2 điện cực bằng dây dẫn kim loại Zn ta được pin đồng kẽm kí hiệu như sau: Zn/ZnSO4 ll CuSO4/Cu

- Quy ước cực âm bên trái, cực dương bên phải

- Hoạt động: khi pin Cu – Zn hoạt động thì ở cực âm có quá trình oxy hóa: Zn – 2e = Zn2+ (1), còn

ở cực dương có quá trình khử: Cu2+ + 2e = Cu (2)

- Pin hoạt động nhờ phản ứng oxy hóa khử sau: Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu (3)