Bài học

Ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá học

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá học, nêu được ba điều kiện để xảy ra ăn mòn điện hoá, và giải thích được cơ chế gỉ sắt bằng đúng hai nửa phản ứng ở hai điện cực, dựa trên mô hình pin điện hoá đã học.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 6, em đã học pin Zn–Cu: khi hai kim loại khác nhau cùng tiếp xúc với dung dịch điện li và được nối với nhau, kim loại hoạt động mạnh hơn đóng vai trò cực âm bị oxi hoá, kim loại yếu hơn (hoặc chất dẫn điện trơ) đóng vai trò cực dương xảy ra quá trình khử. Dãy hoạt động hoá học vừa học ở chương trước cho biết kim loại nào mạnh hơn kim loại nào. Bài này ghép hai mảnh kiến thức đó lại để giải thích hiện tượng ăn mòn kim loại trong tự nhiên.

Khởi động

Một chiếc đinh sắt tinh khiết gỉ khá chậm khi để ngoài không khí ẩm. Nhưng một chiếc đinh sắt lẫn chút tạp chất than (carbon) — vốn thường gặp trong sắt luyện công nghiệp — lại gỉ nhanh hơn hẳn trong cùng điều kiện. Tại sao sự có mặt của một chất trơ như carbon lại khiến sắt gỉ nhanh hơn?

Kiến thức trọng tâm

Ăn mòn kim loại là quá trình kim loại bị oxi hoá bởi các chất trong môi trường xung quanh, chuyển từ kim loại tự do (M) thành hợp chất chứa ion kim loại ( $M^{n+}$ ) — về bản chất đây luôn là một phản ứng oxi hoá – khử. Có hai kiểu ăn mòn khác nhau về cơ chế.

Ăn mòn kim loại là quá trình kim loại bị oxi hoá bởi các chất trong môi trường xung quanh, chuyển từ kim loại tự do (M) thành hợp chất chứa ion kim loại ($M^{n+}$) — về bản chất đây luôn là một phản ứng oxi hoá – khử. Có hai kiểu ăn mòn khác nhau về cơ chế.

Ăn mòn hoá học xảy ra khi kim loại phản ứng trực tiếp với chất oxi hoá trong môi trường (khí oxygen khô, khí chlorine, hơi nước ở nhiệt độ cao...) mà không sinh ra dòng điện. Đây là kiểu ăn mòn tương đối đơn giản, tuân theo đúng các phương trình phản ứng kim loại – phi kim đã học ở chương trước, ví dụ thanh sắt trong lò cao tiếp xúc trực tiếp với khí nóng.

Ăn mòn điện hoá học phức tạp và phổ biến hơn nhiều trong thực tế. Nó xảy ra khi kim loại tiếp xúc với một kim loại khác (hoặc một chất dẫn điện khác như carbon) trong một môi trường có chứa dung dịch điện li — khi đó tại chỗ tiếp xúc hình thành vô số cặp pin điện hoá cực nhỏ, gọi là vi pin. Ba điều kiện bắt buộc để xảy ra ăn mòn điện hoá là: các điện cực phải khác bản chất nhau; các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn; và cả hai điện cực phải cùng tiếp xúc với một dung dịch điện li. Thiếu bất kì điều kiện nào trong ba điều kiện trên, ăn mòn điện hoá không xảy ra được — nhiều lắm chỉ còn ăn mòn hoá học chậm hơn.

Cơ chế gỉ sắt là ví dụ điển hình nhất của ăn mòn điện hoá. Sắt luyện công nghiệp thường lẫn tạp chất than (C). Trong không khí ẩm, lớp nước mỏng bám trên bề mặt kim loại (có hoà tan $O_2$ , $CO_2$ ) đóng vai trò dung dịch điện li, hình thành vô số vi pin Fe–C. Vì Fe hoạt động hoá học mạnh hơn C rất nhiều, Fe đóng vai trò cực âm, bị oxi hoá: $Fe \to Fe^{2+} + 2e$ . Electron sinh ra di chuyển đến các hạt than (cực dương), tại đó xảy ra quá trình khử oxygen hoà tan trong lớp nước: $O_2 + 2H_2O + 4e \to 4OH^-$ . Ion $Fe^{2+}$ sinh ra ở cực âm tiếp tục bị oxi hoá bởi oxygen trong không khí và kết hợp với $OH^-$ , cuối cùng tạo thành gỉ sắt — chủ yếu là $Fe_2O_3.xH_2O$ màu nâu đỏ, xốp. Vì lớp gỉ này xốp, không bám chắc và không che kín bề mặt kim loại bên dưới, nó hoàn toàn không bảo vệ được sắt khỏi ăn mòn tiếp theo — khác hẳn với lớp oxide đặc, bám chắc trên bề mặt của nhôm hay crom.

Cơ chế gỉ sắt là ví dụ điển hình nhất của ăn mòn điện hoá. Sắt luyện công nghiệp thường lẫn tạp chất than (C). Trong không khí ẩm, lớp nước mỏng bám trên bề mặt kim loại (có hoà tan $O_2$, $CO_2$) đóng vai trò dung dịch điện li, hình thành vô số vi pin Fe–C. Vì Fe hoạt động hoá học mạnh hơn C rất nhiều, Fe đóng vai trò cực âm, bị oxi hoá: $Fe \to Fe^{2+} + 2e$. Electron sinh ra di chuyển đến các hạt than (cực dương), tại đó xảy ra quá trình khử oxygen hoà tan trong lớp nước: $O_2 + 2H_2O + 4e \to 4OH^-$. Ion $Fe^{2+}$ sinh ra ở cực âm tiếp tục bị oxi hoá bởi oxygen trong không khí và kết hợp với $OH^-$, cuối cùng tạo thành gỉ sắt — chủ yếu là $Fe_2O_3.xH_2O$ màu nâu đỏ, xốp. Vì lớp gỉ này xốp, không bám chắc và không che kín bề mặt kim loại bên dưới, nó hoàn toàn không bảo vệ được sắt khỏi ăn mòn tiếp theo — khác hẳn với lớp oxide đặc, bám chắc trên bề mặt của nhôm hay crom.

Ví dụ

Xác định kiểu ăn mòn cho ba tình huống thực tế

1
Xác định kiểu ăn mòn (hoá học hay điện hoá học) cho ba tình huống: (a) thanh sắt tiếp xúc trực tiếp với khí $Cl_2$ khô; (b) vỏ tàu biển bằng thép ngâm trong nước biển; (c) ống dẫn khí bằng thép chôn dưới đất ẩm, lẫn các mảnh kim loại khác.
Xác định kiểu ăn mòn (hoá học hay điện hoá học) cho ba tình huống: (a) thanh sắt tiếp xúc trực tiếp với khí $Cl_2$ khô; (b) vỏ tàu biển bằng thép ngâm trong nước biển; (c) ống dẫn khí bằng thép chôn dưới đất ẩm, lẫn các mảnh kim loại khác.
2
Khí $Cl_2$ khô không có mặt dung dịch điện li, phản ứng chỉ là $Fe$ tác dụng trực tiếp với phi kim ( $2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$ ), không hình thành vi pin. Đây là ăn mòn hoá học.
Khí $Cl_2$ khô không có mặt dung dịch điện li, phản ứng chỉ là $Fe$ tác dụng trực tiếp với phi kim ($2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t^\circ} 2FeCl_3$), không hình thành vi pin. Đây là ăn mòn hoá học.
3
Nước biển là dung dịch điện li mạnh (chứa nhiều ion hoà tan); thép vốn là hợp kim Fe lẫn C và các nguyên tố khác, đủ điều kiện hình thành vi pin Fe với tạp chất — đây là ăn mòn điện hoá. Tương tự, đất ẩm chứa nước và các ion hoà tan đóng vai trò dung dịch điện li, ống thép lẫn mảnh kim loại khác đủ điều kiện hình thành vi pin — cũng là ăn mòn điện hoá.
Nước biển là dung dịch điện li mạnh (chứa nhiều ion hoà tan); thép vốn là hợp kim Fe lẫn C và các nguyên tố khác, đủ điều kiện hình thành vi pin Fe với tạp chất — đây là ăn mòn điện hoá. Tương tự, đất ẩm chứa nước và các ion hoà tan đóng vai trò dung dịch điện li, ống thép lẫn mảnh kim loại khác đủ điều kiện hình thành vi pin — cũng là ăn mòn điện hoá.
4
Vậy (a) là ăn mòn hoá học; (b) và (c) đều là ăn mòn điện hoá học. Điểm mấu chốt để phân biệt luôn là: có mặt đồng thời dung dịch điện li và hai chất dẫn khác bản chất tiếp xúc nhau hay không.

Ví dụ

Giải thích chi tiết cơ chế ăn mòn điện hoá của đinh sắt trong nước biển

1
Giải thích vì sao một chiếc đinh sắt gỉ nhanh hơn nhiều khi ngâm trong nước biển so với khi để trong không khí ẩm bình thường, viết đầy đủ hai nửa phản ứng ở hai điện cực.
2
Nước biển chứa nhiều ion hoà tan (chủ yếu $Na^+$ , $Cl^-$ ...) nên dẫn điện tốt hơn hẳn lớp nước mỏng trong không khí ẩm thông thường — đó là một dung dịch điện li mạnh.
Nước biển chứa nhiều ion hoà tan (chủ yếu $Na^+$, $Cl^-$...) nên dẫn điện tốt hơn hẳn lớp nước mỏng trong không khí ẩm thông thường — đó là một dung dịch điện li mạnh.
3
Cực âm (Fe, lẫn tạp chất kim loại/C trong thép): $Fe \to Fe^{2+} + 2e$ . Cực dương (tạp chất, đóng vai trò điện cực trơ): $O_2 + 2H_2O + 4e \to 4OH^-$ .
Cực âm (Fe, lẫn tạp chất kim loại/C trong thép): $Fe \to Fe^{2+} + 2e$. Cực dương (tạp chất, đóng vai trò điện cực trơ): $O_2 + 2H_2O + 4e \to 4OH^-$.
4
Dung dịch điện li dẫn điện càng tốt, dòng electron trao đổi giữa hai cực trong vi pin càng lớn, tốc độ oxi hoá Fe ở cực âm càng nhanh. Vì nước biển dẫn điện tốt hơn nhiều so với lớp nước mưa/hơi ẩm thông thường, ăn mòn điện hoá xảy ra mạnh hơn hẳn.
5
Vậy đinh sắt gỉ nhanh hơn trong nước biển vì dung dịch điện li mạnh hơn làm tăng tốc độ trao đổi electron giữa hai điện cực trong vi pin — sản phẩm cuối cùng vẫn là gỉ $Fe_2O_3.xH_2O$ , nhưng hình thành nhanh hơn đáng kể.
Vậy đinh sắt gỉ nhanh hơn trong nước biển vì dung dịch điện li mạnh hơn làm tăng tốc độ trao đổi electron giữa hai điện cực trong vi pin — sản phẩm cuối cùng vẫn là gỉ $Fe_2O_3.xH_2O$, nhưng hình thành nhanh hơn đáng kể.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ ăn mòn hoá học luôn "nhanh và nguy hiểm hơn" ăn mòn điện hoá — thực tế ngược lại: ăn mòn điện hoá thường xảy ra nhanh và phổ biến hơn nhiều trong đời sống vì có dòng electron trao đổi liên tục hỗ trợ phản ứng, còn ăn mòn hoá học đòi hỏi kim loại tiếp xúc trực tiếp với chất oxi hoá mạnh, ít gặp hơn trong điều kiện thường. Lỗi thứ hai là quên kiểm tra điều kiện "cùng tiếp xúc dung dịch điện li" khi xác định kiểu ăn mòn của một tình huống.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ăn mòn hoá học: kim loại phản ứng trực tiếp với chất oxi hoá, không sinh dòng điện. Ăn mòn điện hoá học: cần ba điều kiện (điện cực khác bản chất, tiếp xúc nhau, cùng chạm dung dịch điện li); kim loại mạnh hơn luôn là cực âm bị oxi hoá. Gỉ sắt là ăn mòn điện hoá điển hình: $Fe \to Fe^{2+} + 2e$ ở cực âm, $O_2 + 2H_2O + 4e \to 4OH^-$ ở cực dương, tạo gỉ xốp không bảo vệ được kim loại.

Vì kim loại mạnh hơn luôn "chịu thiệt" trong vi pin, ý tưởng bảo vệ kim loại tự nhiên nảy sinh: nếu chủ động gắn một kim loại còn mạnh hơn cả kim loại cần bảo vệ, nó sẽ giành lấy vai trò cực âm và bị ăn mòn thay. Đó chính là nguyên lý của bài học tiếp theo.