Reactiones Chemicae in Processu Corrosionis
Corrosio est unum e phaenomenis chemicis quae maxime ad vitam cotidianam pertinent, tamen eius effectus profundus esse potest. A sepibus rubiginosis ad debilitatas structuras vehiculorum ad fistulas industriales rimosas — omnia a processu corrosionis incipere possunt. Simpliciter dictum, corrosio intelligi potest ut deterioratio materiarum (praesertim metallorum) propter reactiones chemicas vel electrochemicas cum ambitu. Quamquam saepe simpliciter "rubigo" cogitatur, corrosio re vera seriem complexam reactionum implicat, quae ab aqua, oxygenio, sale, aciditate, et differentiis potentialis electrici per superficiem metallicam influuntur.
Corrosio ut Processus Electrochemicus
Plerumque, corrosio metallorum per mechanismos electrochemicos fit, id est, processus fluxum electronum implicat, qui ex formatione microcellulae electrochemicae in superficie metallica oritur. Haec cellula ex duabus partibus principalibus constat: regione anodica et regione cathodica. Quamquam metallum homogeneum apparet, superficies eius saepe imperfectiones, tensiones internas, differentias in microcompositione, vel contactum cum aliis metallis continet, quae efficiunt ut pars superficiei anodum et alia pars cathodum fungatur.
– Ad anodum, metallum oxidationem subit (electrones liberans).
Ad cathodum, reactio reductionis (electrones accipiens) fit, plerumque iones oxygenii vel hydrogenii implicans.
Aliis verbis, corrosio considerari potest quasi "parva altilium" quod in superficie metalli continue operatur, dummodo electrolytum (e.g. aqua) ut medium ionibus conducendis adsit.
Reactiones Fundamentales Corrosionis Ferri: Fontes Rubiginis
Ferrum (Fe) exemplum frequentissimum est in disputationibus de corrosione quia facile rubiginem contrahit. Rubigo est mixtura complexa, praesertim oxyda ferri hydrata (e.g., Fe₂O₃·nH₂O), sed eius formatio initiatur pluribus gradibus reactionis.
1. Reactio Anodica: Oxidatio Ferri
In anodo, ferrum electrones emittendo dissolvitur:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Haec reactio iones Fe²⁺ formari efficit, ita ut metallum massam in puncto anodico amittat. Hoc est initium processus "corrosionis" in metallo.
2. Reactio Cathodica: Reductio Oxygenii
In ambitu neutro vel alcalino (velut aqua pura), reactio cathodica frequentissima est reductio oxygenii dissoluti:
O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)
Electrona ab anodo emissa ad regionem cathodi fluunt et ad oxygenium reducendum adhibentur. Praesentia aquae et oxygenii duo factores clavis sunt.
3. Formatio Compositorum Intermediorum: Fe(OH)₂
Iones Fe²⁺ in anodo formati cum ionibus OH⁻ ex reactione cathodica reagent ut praecipitatum forment:
Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)
Hae depositae nondum sunt rubigo finalis, sed "producta corrosionis praecocis" quae ulterius mutari possunt.
4. Oxidatio Ulterior ad Fe(OH)₃ et Ferri Oxidum Hydratum
Fe(OH)₂ ab oxygenio ad Fe(OH)₃ oxidari potest:
4Fe(OH)₂(s) + O*(g) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(s)
Deinde Fe(OH)₃ partialem dehydrationem et reorganizationem structuralem in oxydum ferri hydratum, quod rubiginem appellamus, subit:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (aqua)
Producta rubiginis porosa sunt nec firmiter adhaerent, itaque stratas metallicas subiacentes non protegunt. Ergo, corrosio ferri pergere et peior fieri solet.
Effectus Electrolytorum et Ionum Salis
Corrosio multo velocior erit praesente bono electrolyto, ut aqua marina vel aqua salem continente. Iones chloridi (Cl⁻) inter periculosissimos acceleratores corrosionis numerantur. Sal conductivitatem solutionis auget, currentem electrochemicum in superficie metalli augens. Praeterea, chloridum stratum passivum in quibusdam metallis laedere et corrosionem localizatam, ut corrosionem fissurarum et corrosionem foveolarem, excitare potest.
In ferro, ambitus Cl⁻ continens etiam formationem productorum corrosionis instabiliorum magis incitare et formationem macularum anodicarum parvarum et profundarum accelerare potest, unde foveae corrosionis creantur quae extrinsecus difficulter deteguntur.
Corrosio in Ambientibus Acidis: Reductio Ionum Hydrogenii
In ambiente acido, reactio cathodica mutari potest. Si concentratio H⁺ alta est, reactio reductionis dominans est formatio hydrogenii gasei:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Dum reactio anodica manet dissolutio metalli:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Haec combinatio dissolutionis ferri in acido accelerat. Quam ob rem, metallum erodere potest sine praesentia magnarum quantitatum oxygenii dissoluti. Quam ob rem tubi vel receptacula liquoribus acidis exposita periculo maiori corrosionis celeris obnoxii sunt, nisi tegantur aut pH earum non regitur.
Corrosio Galvanica: Cum Duo Metalla Concurrunt
Corrosio non solum ab ambiente sed etiam a metallis quae in contactu sunt afficitur. Cum duo metalla dissimilia electrice in electrolyto coniunguntur, cellula galvanica formatur. Metallum activius (facilius oxidatur) anodum agit et celerius corroditur, dum metallum nobilius cathodum agit et relative protectum est.
Exempli gratia, si ferrum cum cupro in condicionibus humidis in contactum venit, ferrum solet anodum agere et celerius rubiginem contrahere. Hoc propter differentiam in potentiali electrodi normali inter duo metalla fit, quae directionem fluxus electronum determinat.
Strata Passiva et Corrosio in Aliis Metallis
Non omnia metalla sicut ferrum corroduntur. Aluminium et chalybs inoxidabilis, exempli gratia, stratum oxidi tenue, densum et arcte adhaerens, stratum passivum appellatum, formare solent. Hoc stratum diffusionem oxygenii et aquae ad superficiem metalli inhibet, ita ratem corrosionis minuens. In aluminio, stratum Al₂O₃ valde stabile est. In chalybe inoxidabili, stratum passivum a chromio sustentatur, Cr₂O₃ formans.
Stratum passivum autem certis condicionibus laedi potest, ut puta magnis chloridi concentrationibus, condicionibus oxygenii carentibus in angustiis, vel differentiis aerationis (cellulis oxygenii concentrationis). Cum stratum passivum in parvis locis frangitur, corrosio localis celerrime et periculose oriri potest.
Factores Reactiones Corrosionis Afficientes
Inter praecipuas causas quae celeritatem corrosionis determinant sunt hae:
1. Praesto aquae et oxygenii: Aqua ut electrolytum et medium reactionis agit, dum oxygenium ut agens oxidans in reactione cathodica.
2. pH ambientale: Ambientes acidi dissolutionem metallorum accelerant. Ambientes alcalini interdum adiuvant ad stratum protectivum in quibusdam metallis formandum.
3. Concentratio ionum (praesertim Cl⁻): Conductivitatem auget et corrosionem localem incitat.
4. Temperatura: Generaliter, celeritas reactionum chemicarum cum temperatura crescit, ita corrosio celerior esse solet ad altas temperaturas.
5. Velocitas fluxus fluidi: Fluxus stratum protectivum erodere et copiam oxygenii accelerare potest, erosionem-corrosionem causans.
6. Contactus intermetallicus: Corrosionem galvanicam incitat si differentia potentialis adest.
Extrema
Corrosio essentialiter est series reactionum oxidationis-reductionis quae sponte fiunt cum metallum cum ambitu suo interagit. In ferro, processus incipit cum oxidatione Fe ad Fe²⁺ apud anodum et reductione oxygenii (vel ionum hydrogenii in condicionibus acidis) apud cathodum. Productum finale est oxidum ferri hydratum, quod rubigo appellatur. Praesentia aquae, oxygenii, salis, et condiciones pH significanter determinant celeritatem huius reactionis, sicut factores materiales ut copulatio metallorum et facultas formandi stratum passivum. Intellegendo reactiones chemicas implicatas in processu corrosionis, possumus consilia praeventionis apta designare — a tunicis, usu inhibitorum, protectione cathodica, ad selectionem materiae — ita ut damna ob corrosionem significanter reduci possint.
