Chemiese reaksies in die korrosieproses
Korrosie is een van die chemiese verskynsels wat die nouste verwant is aan die alledaagse lewe, maar die impak daarvan kan diepgaande wees. Van roesende heinings tot verswakte voertuigrame tot lekkende industriële pype – alles kan met die korrosieproses begin. Eenvoudig gestel, korrosie kan verstaan word as die agteruitgang van materiale (veral metale) as gevolg van chemiese of elektrochemiese reaksies met die omgewing. Alhoewel dit dikwels bloot as "roes" beskou word, behels korrosie eintlik 'n komplekse reeks reaksies wat beïnvloed word deur water, suurstof, sout, suurheid en elektriese potensiaalverskille oor die metaaloppervlak.
Korrosie as 'n Elektrochemiese Proses
In die meeste gevalle vind metaalkorrosie plaas deur elektrochemiese meganismes, wat beteken dat die proses die vloei van elektrone behels wat voortspruit uit die vorming van 'n mikro-elektrochemiese sel op die metaaloppervlak. Hierdie sel bestaan uit twee hoofdele: die anodegebied en die katodegebied. Alhoewel die metaal homogeen voorkom, bevat die oppervlak dikwels onvolmaakthede, interne spanning, verskille in mikrosamestelling of kontak met ander metale wat veroorsaak dat 'n deel van die oppervlak as die anode en 'n ander deel as die katode optree.
– By die anode ondergaan die metaal oksidasie (waarmee elektrone vrygestel word).
– By die katode vind 'n reduksiereaksie (aanvaarding van elektrone) plaas, gewoonlik met suurstof- of waterstofione.
Met ander woorde, korrosie kan beskou word as 'n "klein battery" wat voortdurend op die metaaloppervlak werk, solank daar 'n elektroliet (bv. water) as 'n medium vir die geleiding van ione is.
Basiese Reaksies van Ysterkorrosie: Bronne van Roes
Yster (Fe) is die mees algemene voorbeeld in besprekings van korrosie omdat dit maklik roes. Roes is 'n komplekse mengsel, hoofsaaklik gehidreerde ysteroksiede (bv. Fe₂O₃·nH₂O), maar die vorming daarvan word deur verskeie reaksiestappe geïnisieer.
1. Anodiese Reaksie: Ysteroksidasie
By die anode los yster op deur elektrone vry te stel:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Hierdie reaksie veroorsaak dat Fe²⁺-ione vorm, wat veroorsaak dat die metaal massa verloor by die anodiese punt. Dit is die begin van die proses van "korrosie" in die metaal.
2. Katodiese Reaksie: Suurstofreduksie
In neutrale of alkaliese omgewings (soos gewone water), is die mees algemene katodiese reaksie die reduksie van opgeloste suurstof:
O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)
Elektrone wat deur die anode vrygestel word, vloei na die katodegebied en word gebruik om suurstof te reduseer. Die teenwoordigheid van water en suurstof is twee sleutelfaktore.
3. Vorming van intermediêre verbinding: Fe(OH)₂
Die Fe²⁺-ione wat by die anode gevorm word, sal met die OH⁻-ione van die katodiese reaksie reageer om 'n neerslag te vorm:
Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)
Hierdie neerslae is nog nie finale roes nie, maar is "vroeë korrosieprodukte" wat verder kan verander.
4. Verdere oksidasie tot Fe(OH)₃ en gehidreerde ysteroksied
Fe(OH)₂ kan deur suurstof geoksideer word na Fe(OH)₃:
4Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(s)
Dan ondergaan Fe(OH)₃ gedeeltelike dehidrasie en strukturele herorganisasie in die gehidreerde ysteroksied wat ons as roes ken:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (water)
Roesprodukte is poreus en kleef nie stewig vas nie, dus beskerm hulle nie die onderliggende metaallae nie. Daarom is korrosie van die yster geneig om voort te gaan en te vererger.
Die effek van elektroliete en soutione
Korrosie sal baie vinniger wees in die teenwoordigheid van 'n goeie elektroliet, soos seewater of water wat sout bevat. Chloriedione (Cl⁻) is een van die gevaarlikste korrosieversnellers. Sout verhoog die geleidingsvermoë van die oplossing, wat die elektrochemiese stroom by die metaaloppervlak verhoog. Verder kan chloried die passiewe laag op sekere metale beskadig en gelokaliseerde korrosie soos spleetkorrosie en putkorrosie veroorsaak.
In yster kan 'n omgewing wat Cl⁻ bevat ook die vorming van meer onstabiele korrosieprodukte aanmoedig en die vorming van klein, diep anodekolle versnel, wat lei tot korrosieputte wat moeilik is om van buite af op te spoor.
Korrosie in suur omgewings: Waterstofioonreduksie
In 'n suur omgewing kan die katodiese reaksie verander. As die H⁺-konsentrasie hoog is, is die dominante reduksiereaksie die vorming van waterstofgas:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Terwyl die anodiese reaksie die ontbinding van die metaal bly:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Hierdie kombinasie versnel die tempo van ysteroplossing in suur. Gevolglik kan die metaal erodeer sonder die teenwoordigheid van groot hoeveelhede opgeloste suurstof. Dit is hoekom pype of tenks wat aan suur vloeistowwe blootgestel word, 'n groter risiko vir vinnige korrosie het as hulle nie bedek is nie of hul pH nie beheer word nie.
Galvaniese Korrosie: Wanneer Twee Metale Ontmoet
Korrosie word nie net deur die omgewing beïnvloed nie, maar ook deur die metale wat in kontak is. Wanneer twee verskillende metale elektries in 'n elektroliet verbind word, word 'n galvaniese sel gevorm. Die meer aktiewe (makliker geoksideerde) metaal tree op as die anode en korrodeer vinniger, terwyl die meer edelmetaal as die katode optree en relatief beskerm word.
Byvoorbeeld, as yster in kontak kom met koper in vogtige toestande, is die yster geneig om as die anode op te tree en vinniger te roes. Dit is as gevolg van die verskil in standaard elektrodepotensiaal tussen die twee metale, wat die rigting van elektronvloei bepaal.
Passiewe lae en korrosie op ander metale
Nie alle metale korrodeer soos yster nie. Aluminium en vlekvrye staal, byvoorbeeld, is geneig om 'n dun, digte en styf aanhegtende oksiedlaag te vorm wat 'n passiewe laag genoem word. Hierdie laag inhibeer die diffusie van suurstof en water na die metaaloppervlak, waardeur die korrosiespoed verminder word. Op aluminium is die Al₂O₃-laag baie stabiel. In vlekvrye staal word die passiewe laag deur chroom ondersteun, wat Cr₂O₃ vorm.
Die passiewe laag kan egter deur sekere toestande beskadig word, soos hoë chloriedkonsentrasies, suurstofarme toestande in nou gapings, of verskille in belugting (suurstofkonsentrasieselle). Wanneer die passiewe laag in klein areas gebreek word, kan gelokaliseerde korrosie baie vinnig voorkom en gevaarlik wees.
Faktore wat korrosiereaksies beïnvloed
Van die belangrikste faktore wat die spoed van korrosie bepaal, sluit in:
1. Beskikbaarheid van water en suurstof: Water tree op as 'n elektroliet en reaksiemedium, terwyl suurstof as 'n oksideermiddel in die katodiese reaksie optree.
2. Omgewings-pH: Suur omgewings versnel metaaloplossing. Alkaliese omgewings help soms om 'n beskermende laag op sekere metale te vorm.
3. Ioonkonsentrasie (veral Cl⁻): Verhoog geleidingsvermoë en veroorsaak plaaslike korrosie.
4. Temperatuur: Oor die algemeen neem die tempo van chemiese reaksies toe met temperatuur, dus is korrosie geneig om vinniger te wees by hoë temperature.
5. Vloeistofvloeisnelheid: Vloei kan die beskermende laag erodeer en suurstoftoevoer versnel, wat erosie-korrosie veroorsaak.
6. Intermetalliese kontak: Veroorsaak galvaniese korrosie indien daar 'n potensiaalverskil is.
Sluiting
Korrosie is in wese 'n reeks oksidasie-reduksie-reaksies wat spontaan plaasvind wanneer 'n metaal met sy omgewing in wisselwerking tree. In yster begin die proses met die oksidasie van Fe tot Fe²⁺ by die anode en die reduksie van suurstof (of waterstofione in suur toestande) by die katode. Die eindproduk is gehidreerde ysteroksied, bekend as roes. Die teenwoordigheid van water, suurstof, sout en pH-toestande bepaal die tempo van hierdie reaksie aansienlik, asook materiaalfaktore soos metaalparing en die vermoë om 'n passiewe laag te vorm. Deur die chemiese reaksies betrokke by die korrosieproses te verstaan, kan ons gepaste voorkomingsstrategieë ontwerp – van bedekkings, die gebruik van inhibeerders, katodiese beskerming tot materiaalkeuse – sodat verliese as gevolg van korrosie aansienlik verminder kan word.
