Giáo trình Ăn mòn và bảo vệ kim loại - Lê Ngọc Trung
ThS. LÃ NGOC TRUNG (CHU BIÃN)
GIAO TRÇNH
ÀN MON VA BAO VÃ
KIM LOAI
Âa Nàng, thang 9 - 2005
(Læu hanh näi bä)
LÅI GIÅI THIÃU
Àn mon va bao vã kim loai la mät nganh khoa hoc co liãn quan âãn nhiãu
lénh væc khac nhau: kim loai hoc, hoa lê, hoa phán têch, hoa polimer, hoa mäi
træång, hoa silicat .... Giao trçnh âæåc soan thao ngàn gon, suc têch nhàm giup cho
giao viãn va sinh viãn dã âoc va nàm bàt âæåc ván âã mät cach dã dang. Nhçn
chung, cac chæång âæåc thiãt kã tæ phán âënh tênh, mä ta bao gäm nguyãn lê va cac
tênh chát nhiãt âäng âãn phán âënh læång bao gäm cac phæång phap ngàn can va
cac phæång phap kiãm tra. Âàc biãt, phán cuäi cung âã cáp âãn mät sä æng dung
mang tênh thæc tã cao. Thát váy, giao trçnh nay co thã cung cáp thäng tin cho ban
âoc mät sä kiãn thæc mong muän.
Mät sä kiãn thæc vã âiãn hoa âa âæåc trçnh bay kha chi tiãt trong cac
chæång 2, chæång 3 va chæång 4, nhàm giup cho sinh viãn co mät cäng cu âã
nghiãn cæu vã nhæng ván âã phán têch va bao vã kim loai khoi àn mon. Chæång 5
âã cáp âãn ván âã thu âäng hoa kim loai va cac phæång phap âiãn hoa chäng àn
mon. Chæång 1 giåi thiãu täng quan vã cac dang àn mon thæång gàp trong thæc tã.
Hai chæång cuäi âã cáp âãn cac nhán tä anh hæång âãn täc âä àn mon va mät sä
phæång phap co hiãu qua âæåc sæ dung âã chäng àn mon trong thæc tã.
Giao trçnh nay khäng phai la mät cám nang cho ván âã àn mon va chäng àn
mon. Âiãu cán nhán manh la âã cáp âãn nguyãn lê va mät sä phæång phap âa âæåc
nghiãn cæu âã lam giam tênh àn mon cua kim loai trong thæc thã cäng nghiãp hiãn
nay. Thát váy, muc âêch cua giao trçnh nay nhàm giåi thiãu mät cach khai quat vã
nguyãn ly va cach phong chäng àn mon kim loai cho cac sinh viãn khäng thuäc
chuyãn nganh âiãn hoa va àn mon kim loai å cac træång Âai hoc va Cao âàng ky
thuát å cac nàm thæ hai va thæ ba hoàc co thã lam cå så cho cac ngæåi bàt âáu
nghiãn cæu vã nganh khoa hoc nay.
Tac gia xin chán thanh cam ån Bä män Cäng nghã hoa hoc, Khoa Hoa ky
thuát, lanh âao træång Âai Hoc Bach Khoa Âa Nàng cung nhæ Âai Hoc Âa Nàng
âa tao moi âiãu kiãn thuán låi trong qua trçnh biãn soan va xuát ban giao trçnh nay.
Tuy váy, giao trçnh nay con rát nhiãu khiãm khuyãt, rát mong âæåc sæ gop
y cua cac âäc gia âàc biãt la cua âäng nghiãp, sinh viãn va cac nha nghiãn cæu
trong lénh væc àn mon va chäng àn mon âã giao trçnh ngay mät hoan thiãn hån.
Xin chán thanh cam ån.
Âa Nàng, ngay 20 thang 06 nàm 2003
ThS. LÃ NGOC TRUNG
CHÆÅNG 1
MÅ ÂÁU
I/ Tçnh hçnh àn mon va bao vã kim loai cua thã giåi va Viãt Nam.
II/ Âai cæång àn mon:
1. Âënh nghéa:
Àn mon kim loai la sæ tæ pha huy kim loai do tac dung hoa hoc va âiãn hoa
giæa chung våi mäi træång bãn ngoai.
Noi mät cach khac àn mon la qua trçnh chuyãn biãn kim loai tæ dang nguyãn tä
thanh dang håp chát. Sæ àn mon thæång bàt âáu xay ra trãn bã màt kim loai, räi
qua trçnh phat triãn vao sáu kem theo sæ biãn âäi thanh phán va tênh chát hoa lê cua
kim loai va håp kim. Kim loai co thã hoa tan mät phán hay toan bä tao ra cac san
phám àn mon dæåi dang kãt tua trãn bã màt kim loai (låp gè, oxyt, hydrat, ...)
2. Phán loai
2.1. Theo cå cáu cua qua trçnh àn mon
- Àn mon hoa hoc
- Àn mon âiãn hoa
2.2. Theo âiãu kiãn cua qua trçnh àn mon
- Àn mon khê
- Àn mon khê quyãn
- Àn mon trong chát âiãn giai
- Àn mon trong âát
- Àn mon do dong âiãn ngoai
- Àn mon do tiãp xuc
- Àn mon do æng suát
- Àn mon do vi sinh vát
2.3. Theo âàc træng cua dang àn mon (Hçnh 1.1)
- Àn mon âãu (thep cacbon trong dung dëch axit sunphuaric)
- Àn mon khäng âãu (thep cacbon trong næåc biãn)
- Àn mon chon læa, tæc chè mät pha bë pha huy (gang trong axit)
- Àn mon vãt, tao thanh nhæng vãt dai trãn bã màt (âäng thau trong næåc
biãn)
- Àn mon hä (àn mon trong âát)
- Àn mon âiãm, âæång kênh tæ 0.1 ÷ 2 mm (thep khäng gè trong næåc biãn)
- Àn mon dæåi bã màt
- Àn mon giæa cac tinh thã (thep crom å 500 oC ÷ 800oC)
- Àn mon næt, do tac âäng âäng thåi giæa àn mon va cå hoc (àn mon canh
tuäc bin)
Hçnh 1.1
CHÆÅNG 2
ÀN MON ÂIÃN HOA
I/ Khai niãm
1.1. Giåi thiãu:
Khi nghiãn cæu sæ lam viãc cua pin Cu-Zn trong dung dëch âiãn giai nao âo
ta tháy phêa Zn mon dán do hiãn tæång hoa tan. Nhæ váy Zn âong vai tro anod
trong pin Cu-Zn. Cac phan æng âiãn cæc xay ra nhæ sau:
Cu2+ (l) + Zn(r) ⇔ Cu(r) + Zn2+ (l)
Zn ZnSO4
CuSO4 Cu (r)
Qua trçnh anod Cáu näi
Qua trçnh catod
Zn(r) Zn2+(l)
Cu2+(l) Cu (r)
Trong thæc tã qua trçnh àn mon xay ra trãn cung mät kim loai, nghéa la trãn
âo âäng thåi xay ra qua trçnh anod va catod, âæa âãn sæ pha huy kim loai.
K
A
A
A
K
Hçnh 2.1.
1.2. Phan æng âiãn hoa:
Ky thuát âiãn hoa âæåc sæ dung räng rai trong ké thuát va âåi säng. Tuy
nhiãn, trong àn mon va trong nganh ma âiãn ván âã cán quan tám âo la âàc tênh
cua bã màt phán pha giæa kim loai-dung dëch: vê du, täc âä phan æng tai bã màt,
tênh chát cua låp mang trãn bã màt hoàc hçnh dang cua bã màt. Cäng cu âã khao
sat va nghiãn cæu cac tênh chát trãn la thã va dong. Tæ hai thäng sä nay chung ta
co thã suy luán moi thæ co thã xay ra trãn bã màt phán pha. Khi chung ta nhung
mät thanh kim loai vao dung dëch âiãn li, thç kim loai co khuynh hæång phan æng
våi dung dëch âiãn li âo: kim loai co thã hoa tan âã tao thanh cation hoàc cac
cation trong dung dëch co thã kãt tua thanh kim loai:
Vê du:
Hoàc
Fe → Fe2+ + 2e
Fe2+ + 2e → Fe
Kãt qua cua nhæng phan æng nay la kim loai co khuynh hæång têch tu âiãn
têch ám hoàc dæång. Sæ têch tu nhæng âiãn têch nay se lam thay âäi âiãn thã cua
kim loai va âiãn thã se âat âãn gia trë khi täc âä cua hai phan æng âat cán bàng.
Âiãn thã nay goi la âiãn thã cán bàng.
Mät âiãu quan trong, khi cho mät manh kim loaë vao dung dëch âiãn li å
âiãn thã cán bàng cua no, âiãu nay khäng co nghia la täc âä hoa tan kim loai va
phan æng kãt tua kim loai la bàng khäng. Phan æng âiãn hoa luän luän la mät qua
trçnh chuyãn âiãn têch, chung ta co thã âënh nghéa täc âä cua cac phan æng nay
bàng mát âä dong. Khi täc âä phan æng hoa tan kim loai bàng täc âä phan æng kãt
tua kim loai thç chung ta co thã âënh nghéa täc âä cua cac phan æng nay bàng mát
âä dong trao âäi.
Trong àn mon kim loai co hai phan æng quan trong khac la phan æng khæ
oxy hoa tan âã tao thanh ion hydroxyl va phan æng khæ ion hydro hoàc phán tæ
næåc âã tao thanh khê hydro:
−
O2 + 2H2O + 4e → 4OH
+
2H + 2e → H2
−
2H2O + 2e → H2 + 2OH
Sæ cán bàng giæa mät hoàc nhiãu phan æng catod våi phan æng anod hoa
tan kim loai thç ta xac âënh âæåc mát âä dong àn mon. Mät trong nhæng æng dung
phæång phap âiãn hoa âã nghiãn cæu àn mon la xac âënh âä lån cua mát âä dong
àn mon va cå chã cua qua trçnh àn mon.
1.3. Âënh luát Faraday:
Cac phan æng âiãn hoa hoàc san xuát ra electron hoàc tiãu thu electron.
Dong electron âæåc âo bàng dong I (A). Theo âënh luát Faraday tè lã giæa khäi
læång chát phan æng m, våi dong I, âæåc xac âënh nhæ sau:
Ita
nF
m =
(1)
F: hàng sä Faraday (=96500 coulomb)
n: sä electron trao âäi
a: khäi læång nguyãn tæ
t: thåi gian
Chia phæång trçnh (1) cho thåi gian t va diãn têch bã màt A, ta xac âënh
âæåc täc âä àn mon r:
m
ia
r =
=
(2)
tA nF
I
i: mát âä dong (i = ).
A
Phæång trçnh (2) chè ra tè lã giæa khäi læång kim loai mát âi trãn mät âån vë
diãn têch trong mät âån vë thåi gian (vê du: mg/dm2/ngay) va mát âä dong I (vê du:
mA/cm2).
II/ Âiãn thã âiãn cæc:
2.1. Låp âiãn têch kep:
Khi cho kim loai tiãp xuc våi chát âiãn giai thç xay ra sæ tac dung giæa kim
loai våi chát âiãn giai âo. Trãn giåi han phán chia giæa hai pha âiãn cæc-dung dëch
se xuát hiãn låp âiãn têch kep (chiãu day cua låp nay <0.1nm) va bæåc nhay thã
âæåc goi la âiãn thã âiãn cæc. Co nhiãu lê thuyãt mä ta cáu truc cua låp âiãn têch
kep nay nhæ lê thuyãt cua Helmholz, Gouy-Chapman va Gouy-Chapman-Stern.
2.2. Nguyãn nhán xuát hiãn låp âiãn têch kep:
- Chuyãn âiãn têch tæ pha nay sang pha khac
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
Hçnh 2.2.
- Háp phu chon loc cac anion hay cac phán tæ læång cæc trong dung dëch
Hçnh 2.3.
- Do hai nguyãn nhán trãn
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
Hçnh 2.4.
2.3. Cac loai âiãn cæc so sanh:
- Âiãn cæc chuán hydro (Standard Hydrogen Electrode: SHE)
Hay con âæåc goi Normal Hydrogen Electrode: NHE
- Âiãn cæc Calomel bao hoa (Saturated Calomel Electrode: SCE)
- Âiãn cæc bac-clorua bac (Silver-Silver Chloride Electrode: Ag/AgCl)
III/ Phæång trçnh âäng hoc cå ban cua qua trçnh âiãn cæc:
3.1. Nàng læång hoat hoa tæ do:
Xet mät âiãn cæc kim loai-ion kim loai nghéa la âiãn cæc kim loai nhung
vao dung dëch chè chæa ion kim loai âo. Trong træång håp nay chát khæ (RED) la
nhæng nguyãn tæ kim loai trãn bã màt âiãn cæc, con chát oxy hoa (OX) la cac ion
kim loai trong dung dëch:
Qua trçnh oxy hoa:
Qua trçnh khæ:
Vê du:
RED ⇔ OX + ne (mát âiãn tæ)
OX + ne ⇔ RED (nhán âiãn tæ)
Ag ⇔ Ag+ + e
Kim loai Låp âiãn têch kep
Chát âiãn li
G
(nàng læång tæ do)
ion k.l. trong mang tinh thã
ion k.l. bë hydrat hoa trong dung dëch
→
←
∆G*
∆G*
Hçnh 2.5
våi ∆G = −nFE
3.2. Qua trçnh phán cæc hoat hoa å trang thai cán bàng:
Nàng læång hoat âiãn hoa hoc âäi våi qua trçnh chuyãn âiãn têch (kê hiãu
_____
∆G* ) cua mät phan æng âiãn cæc âæåc xac âënh bàng täng cua:
- Nàng læång hoat hoa hoa hoc (∆Gc* ) âäi våi phan æng catod:
OX + ne → RED
hoàc nàng læång hoat hoa hoa hoc (∆Ga* ) âäi våi phan æng anod:
RED → OX + ne
- Hiãu æng âiãn træång trong låp kep, yãu tä nay se lam tàng hay giam nàng
læång hoat hoa âã væåt qua hang rao thã nàng va no bàng mät âai læång αnF∆E.
α: hã sä chuyãn âiãn têch, âæåc âæa ra âã âån gian viãc tênh toan anh hæång
cua âiãn træång âäi våi hang rao thã nàng (tæ phêa kim loai la α, con vã phêa dung
dëch la (1-α). Thäng thæång nhæng phæång trçnh âæåc dung trong âäng hoc àn
mon thç α = 0.5).
_____
Nhæ váy:
va
∆Ga* = ∆Ga* −αnF∆E
(1)
(2)
_____
∆Gc* = ∆Gc* + (1−α)nF∆E
Kim loai
Låp âiãn têch kep Chát âiãn li
G
(nàng læång tæ do)
_____
∆Ga*
∆Gc*
_____
∆Gc*
∆Ga*
αnF∆E
(1−α)nF∆E
Hçnh 2.6
Täc âä phan æng âiãn cæc hoan toan phu thuäc vao tán sä giao âäng cua
cac ion co thã væåt qua hang rao thã nàng giæa hai pha âiãn cæc-dung dëch âã hoan
thanh phan æng chuyãn âiãn tich.
Dæa vao phæång trçnh Gibbs va âënh luát Faraday ta co:
* Âäi våi phan æng RED → OX + ne (phan æng anod hay qua trçnh oxy
hoa)
______
∆Ga*
RT
ia = nFfaCRED exp[−
]
(3)
* Âäi våi phan æng OX + ne → RED (phan æng catod hay qua trçnh khæ)
______
∆Gc*
RT
(−ic ) = nFfcCOX exp[−
]
(4)
Thay gia trë (1) va (2) vao (3) va (4) ta co:
(∆Ga* −αnF∆E)
ia = nFfaCRED exp[−
]
(5)
RT
[∆Gc* + (1−α)nF∆E]
(−ic ) = nFfcCOX exp{−
}
(6)
(7)
(8)
RT
αnF∆E
hay
ia = nFfa'CRED exp[
]
RT
(1−α)nF∆E
(−ic ) = nFfc' COX exp{−
}
RT
∆G*
a ) va fc' = fc exp(−
RT
∆Gc*
Våi fa' = fa exp(−
)
RT
Å trang thai cán bàng âäng:
Ta co:
Nhæ váy, ta co:
RED = OX + ne
(ia )cb = (−ic )cb = i0
αnF∆Ecb
(1−α)nF∆Ecb
nFfa'CRED exp[
] = nFfc'COX exp{−
}
(9)
RT
RT
'
fc COX
nF
RT
exp(
∆Ecb ) =
(10)
fa'CRED
fc'
COX
nF
RT
∆Ecb = ln
+ ln
(11)
(12)
fa'
fc'
fa'
CRED
COX
nF CRED
RT
nF
RT
∆Ecb
=
ln
+
ln
Phæång trçnh (12) co thã viãt dæåi dang âiãn thã âiãn cæc, trong âo E khac
våi ∆E mät âai læång χ nao âo:
fc'
fa'
COX
nF CRED
RT
nF
RT
Ecb = ∆Ecb + χ = (
ln
+ χ) +
ln
(13)
COX, CRED: näng âä chát oxy hoa va chát khæ tai âiãn cæc å trang thai cán bàng.
Å âiãu kiãn chuán: COX = CRED = 1mol /l
⇒
cb = 0 (âiãn thã âiãn cæc chuán)
COX
RT
⇒
Ecb = E0 +
ln
(14)
nF CRED
Âáy chênh la phæång trçnh NERNST
3.3. Qua trçnh phán cæc hoat hoa å trang thai khäng cán bàng:
Khi cán bàng thç täc âä anod bàng täc âä catod. Khi cán bàng âiãn hoa bë
pha vå bàng cach lam thay âäi nàng læång tæ do cua cac chát phan æng âãn mät
gia trë khac, nghéa la lam cho ∆E ≠ ∆Ecb thç luc âo mät dong âiãn anod hay catod
se âæåc sinh ra do anh hæång cua sæ di chuyãn khoi gia trë ∆Ecb tåi nàng læång
hoat hoa cua phan æng catod hay anod. Trong træång håp nay ta co:
αnF∆E
ia = nFfa'CR' ED exp[
]
(15)
RT
(1−α)nF∆E
(−ic ) = nFfc' CO' X exp{−
}
(16)
RT
CR' ED ,CO' X : la näng âä chát khæ va chát oxy hoa tai bã màt âiãn cæc å trang
thai khäng cán bàng
Phæång trçnh (15) va (16) co thã viãt lai nhæ sau:
CR' ED
CRED
αnF(∆E − ∆Ecb )
ia = i0
exp[
]
(17)
(18)
RT
CO' X
COX
(1−α)nF(∆E − ∆Ecb )
(−ic ) = i0
exp[−
]
RT
Luc nay CRED ,COX : la näng âä chát khæ va chát oxy hoa å trong dung dëch.
Våi ∆E - ∆Ecb = E - Ecb = η thç luc nay mát âä dong âiãn täng itotal å âiãn
cæc se la:
itotal = ia + ic
CR' ED
CRED
CO' X
COX
αnFη
RT
(1−α)nFη
Hay
itotal = i0{
exp[
] −
exp[−
]}
(19)
RT
Phæång trçnh (19) la phæång trçnh cå ban trong âäng hoc cac qua trçnh âiãn
cæc, no cho biãt mäi quan hã giæa täc âä phan æng i våi η, CRED, COX, io, α.
Nãu nhæ qua trçnh khuyãch tan nhanh thç näng âä cac cáu tæ phan æng tai
bã màt âiãn cæc va trong thã têch dung dëch se nhæ nhau, co nghéa la:
CR' ED = CRED va CO' X = COX
Nhæ váy phæång trçnh (19) se trå thanh:
αnFη
RT
(1−α)nFη
itotal = i0{exp[
] − exp[−
]}
(20)
RT
Phæång trçnh nay âæåc goi la phæång trçnh BUTLER-VOLMER. Âáy la
phæång trçnh cå ban cho tát ca cac qua trçnh âäng hoc cua phan æng âiãn hoa.
IV/ Âäng hoc cua cac qua trçnh âiãn cæc:
4.1. Phan æng âiãn cæc bë khäng chã båi giai âoan chuyãn âiãn têch:
Nhæ âa trçnh bay, nãu qua trçnh khuyãch tan nhanh thç näng âä cua cac cáu
tæ phan æng xem nhæ bo qua. Luc âo, täc âä cua qua trçnh anod va catod nhæ sau
va âæåc thã hiãn bàng 2 nhanh trãn âä thë i- η (Hçnh 2.7.)
αnFη
RT
ia = i0 exp
(21)
(22)
(1−α)nFη
− ic = i0 exp[−
]
RT
η
i=ia + ic > 0
ia
i
ic
i=ia + ic < 0
Hçnh 2.7
* Qua thã lån (trãn âä thë nãu qua thã dæång lån thç phan æng catod riãng
phán co thã bo qua va nãu qua thã ám lån thç phan æng anod riãng phán co thã bo
qua). Luc nay ta co:
αa nF
logia = logi0 +
ηa (η>50mV)
(22)
(23)
(24)
2.303RT
(1−αc )nF
2.303RT
logic = logi0 −
2.303RT
ηc (η> -50mV)
2.303RT
αa nF
Hay: ηa = −
logi0 +
logia
αa nF
2.303RT
(1−αc )nF
2.303RT
(1−αc )nF
ηc =
logi0 −
logic
(25)
Dang täng quat:
η = a + blogi
(26)
Phæång trçnh (26) goi la phæång trçnh Tafel (Hçnh 2.8). Âä däc cua âæång
thàng η(logi) âæåc goi la âä däc Tafel, âæåc dung âã xac âënh cac thäng sä âäng
hoc cua qua trçnh chuyãn âiãn têch io, α.
2.303RT
αa nF
2.303RT
(1−αc )nF
Våi ba =
va bc = −
η
ia
io
ic
logi
Hçnh 2.8
* Qua thã nho, va gia sæ ràng αa= αc= 0.5
nF
RT
Ta co:
i = i0
η
(27)
(28)
Do âo, ta co âiãn trå phán cæc Rp:
η
i
RT
Rp =
=
nFi0
Thay bàng gia trë cua âä däc Tafel ta co:
babc
i0 =
(29)
2.303(ba + bc )Rp
Phæång trçnh (29) âæåc goi la phæång trçnh Stern-Geary.
Chu y: gia trë bc å trãn âæåc láy gia trë dæång âã cho täng quat hoa. Thæc ra bc
mang gia trë ám, va do âo phán bë chia trong phæång trçnh Stern-Geary phai la
2.303(ba-bc)Rp
4.2. Phan æng âiãn cæc bë khäng chã båi khuyãch tan:
Täc âä phan æng âiãn cæc cung co thã bë khäng chã båi sæ ván chuyãn cua
cac cáu tæ phan æng âãn va âi khoi bã màt âiãn cæc. Sæ chuyãn ván nay co thã do:
- Sæ âiãn di (do gradient âiãn thã gáy ra): co thã loai træ.
- Sæ khuyãch tan (do gradient näng âä gáy ra)
- Sæ âäi læu (do gradient täc âä gáy ra)
Gia sæ xet mät phan æng âiãn cæc trãn âo xay ra qua trçnh khæ:
2H+ + 2e → H2
Sæ dung mä hçnh NERNST (Hçnh 2.9.):
Näng âä
CH0
2
dC
dx
(
)
x=0
CH'
2
δ
khoang cach x
Hçnh 2.9.
CH0 : näng âä ion H+ trong dung dëch
2
CH' : näng âä ion H+ trãn bã màt âiãn cæc
2
δ : chiãu day låp khuyãch tan
Sæ dung mä hçnh Nernst, cac âënh luát Fick, va âënh luát Faraday ta co:
ic
iL
2.303RT
ηc =
log(1−
)
nF
4.3. Sæ phán cæc liãn håp:
Täng qua trçnh phán cæc catod (kê hiãu ηT,c) la täng cua qua trçnh phán cæc
hoat hoa va phán cæc näng âä:
ηT ,c = ηact,c +ηconc
ic
i0
2.303RT
(1−αc )nF
2.303RT
(1−αc )nF
ηact,c
=
logi0 −
logic = bc log
våi
ic
iL
2.303RT
ηconc
=
log(1−
)
nF
ic
i0
ic
iL
2.303RT
nF
ηT ,c = bc log
+
log(1−
)
Con âäi phan æng anod hoa tan kim loai thç phán cæc näng âä xem nhæ
khäng âang kã (co thã bo qua). Do âo:
ia
ηa = ba log
i0
η
nhanh anod (chuyãn âiãn têch khäng chã)
iL
i
nhanh catod
(chuyãn âiãn têch khäng chã)
nhanh catod
(khuyãch tan khäng chã)
Hçnh 2.10.
CHÆÅNG 3
LY THUYÃT ÀN MON HÄN HÅP
I/ Cå cáu àn mon âiãn hoa:
Kim loai
Chát âiãn li
Vung anod
ne
Me
Men+
K+
Vung catod
A-
ne
D
D.ne
Hçnh 3.1.
ne ← Me mH2O→ Men+.mH2O
Gäm 3 qua trçnh:
1. Qua trçnh anod:
2. Qua trçnh chuyãn âiãn tæ thæa:
3. Qua trçnh catod:
D + ne → [D.ne]
II/ Âiãu kiãn nhiãt âäng cua sæ àn mon:
Âiãu kiãn âã hã nhán co thã trao âäi âiãn tæ våi hã cho khi:
ERcb > EMcb
ERcb : âiãn thã cán bàng cua hã nhán
EMcb : âiãn thã cán bàng cua hã cho (kim loai)
Vê du: cho thanh sàt nhung trong dung dëch acid våi pH = 1,
CFe2+ = 10−6 mol /l , PH = 1atm
2
Hã cho:
Fe → Fe2+ + 2e
←
RT
nF
= EF0e2+
+
/ Fe
lnCFe2+
cb
E
Fe2+ / Fe
cb
E
= −0.44 + 0.03log10−6 = −0.62V
Fe2+ / Fe
+
Hã nhán:
2H + 2e → H2
←
EHcb+
EHcb+
= −0.059pH
= −0.06V
/ H2
/ H2
Váy ERcb > EMcb , nãn sàt bë àn mon va co khê hydro thoat ra.
III/ Àn mon våi sæ khæ phán cæc hydro va oxy:
3.1. Àn mon våi sæ khæ phán cæc hydro:
3.1.1. Âiãu kiãn nhiãt âäng:
Nhæng qua trçnh àn mon kim loai ma chát khæ phán cæc la ion H+ va san
phám thoat ra å catod la H2 , thç âæåc goi la àn mon kim loai våi sæ khæ phán cæc
1
2
+
hydro:
H .H2O + e → H + H2O → H2 + H2O
Âiãu kiãn cå ban: EHcb > EMcb
2
3.1.2. Qua trçnh âiãn cæc:
Gäm 6 giai âoan:
1/ Cac ion H+ bë hydrat hoa tao thanh cac ion hydroxon va khuyãch tan âãn
bã màt catod.
2/ Phong âiãn cua ion hydroxon tao thanh ion háp thu:
+
H .H2O + e → Hhp + H2O
3/ Mät phán nguyãn tæ hydro tao thanh hoa tan vao kim loai
4/ Kãt håp cac nguyãn tæ háp phu: Hhp + Hhp = H2 hay khæ háp phu âiãn
+
hoa: Hhp + H .H2O + e → H2 + H2O
5/ Khuyãch tan cac phán tæ H2 vao dung dëch sau âo khuyãch tan vao
khäng khê.
6/ Cac phán tæ H2 trãn bã màt catod táp håp lai thanh bot khê va thoat ra
khoi bã màt kim loai:
H2 + H2 + H2 + H2 + H2 + H2 + .... = nH2
Kim loai
Khäng khê
6
5
Dung dëch
4
2
3
1
δ
p
Hçnh 3.2.
3.1.3. Âàc âiãm cua sæ khæ phán cæc hydro:
- Àn mon våi sæ khæ phán cæc hydro co kem theo sæ khæ phán cæc oxy.
- Sæ khæ phán cæc hydro phu thuäc nhiãu vao pH.
- Sæ khæ phán cæc hydro phu thuäc voa bã màt kim loai, cac tap chát.
- Àn mon våi sæ khæ phán cæc hydro co kem theo sæ don cua thep.
3.2. Àn mon våi sæ khæ phán cæc oxy:
3.2.1. Âiãu kiãn nhiãt âäng:
Nhæng qua trçnh àn mon kim loai ma chát khæ phán cæc la oxy hoa tan
trong dung dëch theo phan æng sau, goi la àn mon kim loai våi sæ khæ phán cæc
−
oxy:
O2 + 2H2O + 4e → 4OH
Âiãu kiãn cå ban: EOcb > EMcb
2
3.1.2. Qua trçnh âiãn cæc:
Gäm 6 giai âoan:
1/ Oxy trong khäng khê khuyãch tan vao dung dëch qua bã màt K-L
2/ Oxy hoa tan vao dung dëch nhå chuyãn âäng âäi læu tæ nhiãn hay cæång
bæc.
3/ Chuyãn oxy qua låp Pran.
4/ Chuyãn oxy qua låp khuyãch tan δ.
5/ Ion hoa oxy
* Trong mäi træång trung tênh-kiãm:
−
O2 + 2H2O + 4e → 4OH
* Trong mäi træång acid:
+
O2 + 4H + 4e → 2H2O
6/ Khuyãch tan ion OH- ra dung dëch.
Kim loai
Khäng khê
O2
1
6
Dung dëch
2
5
4
3
δ
p
Hçnh 3.3.
IV/ Ly thuyãt âiãn thã hän håp:
Àn mon kim loai trong dung dëch "næåc" la kãt qua cua 2 hay nhiãu phan
æng âiãn cæc xay ra trãn bã màt kim loai, trong âo co mät phan æng anod (oxy hoa
kim loai thanh ion cua no thanh dang oxyt hay hydroxyt), âäng thåi cung xay ra
mät hoàc nhiãu phan æng catod (khæ cac cáu tæ oxy hoa co màt trong dung dëch).
Ly thuyãt hän håp âæåc âã cáp trong phán nay âäi våi qua trçnh àn mon
kim loai trong mäi træång acid, trung tênh hay kiãm yãu. Cac vê du sau se cho tháy
täc âä àn mon âæåc quyãt âënh båi täc âä cua giai âoan chám nhát trong qua trçnh
chuyãn âiãn têch hoàc qua trçnh khuyãch tan cua phan æng anod hay catod.
Vê du: Nhung mät thanh sàt sach vao dung dëch acid (pH < 2)
Trong hã nay co 5 phan æng âiãn cæc âæåc xet âãn:
ia,Fe
Fe
Fe2+ + 2e
H2
(1)
(2)
ic,Fe
ic,H+
2H+ + 2e
(dd acid)
ia,H+
ic,H2O
ia,H2O
ic,O2
2H2O + 2e
O2 + 4H+ + 4e
O2 + 2H2O + 4e
H2 + 2OH- (2a) (dd trung tênh-kiãm)
2H2O
4OH-
(3)
(dd acid)
ia,O2
ic,O2
(3a) (dd trung tênh-kiãm)
ia,O2
Theo quan âiãm nhiãt âäng hoc thç phan æng (2) va (2a); (3) va (3a) la nhæ
nhau, chung co cung âiãn thã âiãn cæc cán bàng.
Gia sæ ràng dung dëch âa âuäi hãt khê âã loai træ kha nàng phan æng (3) va
(3a) xay ra. Ngoai ra phan æng (2a) co mát âä dong trao âäi tháp. Vç váy, phan
æng khæ næåc kho co thã xay ra. Nhæ váy, trong hã sàt - acid å trang thai än âënh
ta co sàt bë hoa tan va khê H2 thoat ra:
Å anod:
ia,Fe
ic,Fe
ic,H+
ia,H+
Fe
Fe2+ + 2e
Å catod:
2H+ + 2e
H2
Hai phan æng nay xay ra âäng thåi trãn cung mät bã màt. Mäi phan æng co
âiãn thã âiãn cæc va mát âä dong trao âäi riãng (Hçnh 3.4.).
Tải về để xem bản đầy đủ
125 trang
21600
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Ăn mòn và bảo vệ kim loại - Lê Ngọc Trung", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_an_mon_va_bao_ve_kim_loai_le_ngoc_trung.pdf
