Bài học

Các biện pháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn

Em sẽ làm được gì?

Nêu được các biện pháp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn và giải thích được nguyên tắc chung đằng sau mỗi biện pháp, kể cả ý tưởng "bảo vệ hi sinh" bằng mạ kẽm.

Cần nhớ trước

Nhớ lại điều kiện gỉ sắt — cần đồng thời nước và oxygen (bài trước) — và dãy hoạt động hóa học.

Khởi động

Mái tôn nhà em thường được mạ một lớp kẽm sáng bóng, còn dụng cụ nấu ăn cao cấp lại làm bằng thép không gỉ (inox). Đây là hai cách bảo vệ kim loại rất khác nhau — một cách dùng kim loại phủ ngoài, một cách thay đổi thành phần bên trong. Vì sao lại có hai hướng tiếp cận này?

Nguyên tắc chung để chống ăn mòn

Từ bài trước, ta biết sắt gỉ khi tiếp xúc đồng thời với nước và oxygen. Vậy nguyên tắc chống ăn mòn đơn giản nhất là: ngăn không cho kim loại tiếp xúc trực tiếp với nước và oxygen trong không khí. Ngoài ra, có thể thay kim loại dễ gỉ bằng kim loại/hợp kim khó gỉ hơn cho lớp bề mặt hoặc toàn bộ vật dụng.

Các biện pháp ngăn tiếp xúc trực tiếp

Sơn phủ bề mặt: tạo lớp màng ngăn nước và oxygen — dùng cho khung cửa sắt, thân tàu.
Bôi dầu mỡ: dùng cho các chi tiết máy móc, dụng cụ cần bảo dưỡng thường xuyên.
Tráng men: dùng cho đồ gia dụng như xoong, chậu tráng men.
Bảo quản nơi khô ráo: giảm độ ẩm, giảm tốc độ gỉ.

- **Sơn phủ bề mặt**: tạo lớp màng ngăn nước và oxygen — dùng cho khung cửa sắt, thân tàu. - **Bôi dầu mỡ**: dùng cho các chi tiết máy móc, dụng cụ cần bảo dưỡng thường xuyên. - **Tráng men**: dùng cho đồ gia dụng như xoong, chậu tráng men. - **Bảo quản nơi khô ráo**: giảm độ ẩm, giảm tốc độ gỉ.

Dùng kim loại/hợp kim để bảo vệ

Mạ kẽm (tôn mạ kẽm) là biện pháp rất phổ biến và thú vị: kẽm hoạt động mạnh hơn sắt trong dãy hoạt động. Khi lớp mạ kẽm còn nguyên vẹn, nó đóng vai trò như một lớp áo giáp bình thường. Nhưng ngay cả khi lớp mạ bị trầy xước để lộ sắt bên trong, kẽm xung quanh vết xước vẫn tiếp tục bị ăn mòn thay cho sắt (vì kẽm hoạt động mạnh hơn, dễ bị oxi hóa hơn) — đây gọi là cơ chế bảo vệ hi sinh. Nhờ vậy, tôn mạ kẽm bền hơn nhiều so với tôn sắt không mạ, ngay cả khi có vài vết xước nhỏ.

Ngoài mạ kẽm, người ta còn dùng mạ thiếc (vỏ hộp đồ hộp), mạ chromium (đồ trang trí, phụ tùng xe), hoặc chế tạo hẳn hợp kim chống gỉ như thép không gỉ (inox) chứa thêm chromium, nickel.

**Mạ kẽm** (tôn mạ kẽm) là biện pháp rất phổ biến và thú vị: kẽm hoạt động **mạnh hơn** sắt trong dãy hoạt động. Khi lớp mạ kẽm còn nguyên vẹn, nó đóng vai trò như một lớp áo giáp bình thường. Nhưng ngay cả khi lớp mạ bị **trầy xước** để lộ sắt bên trong, kẽm xung quanh vết xước vẫn tiếp tục bị ăn mòn **thay cho sắt** (vì kẽm hoạt động mạnh hơn, dễ bị oxi hóa hơn) — đây gọi là cơ chế **bảo vệ hi sinh**. Nhờ vậy, tôn mạ kẽm bền hơn nhiều so với tôn sắt không mạ, ngay cả khi có vài vết xước nhỏ. Ngoài mạ kẽm, người ta còn dùng **mạ thiếc** (vỏ hộp đồ hộp), **mạ chromium** (đồ trang trí, phụ tùng xe), hoặc chế tạo hẳn hợp kim chống gỉ như **thép không gỉ (inox)** chứa thêm chromium, nickel.

Mỗi biện pháp thực hiện một trong hai nguyên tắc: che chắn vật lí, hoặc lợi dụng kim loại hoạt động mạnh hơn để "hi sinh" thay sắt.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Chọn biện pháp phù hợp (dạng chuẩn)

1
Vì sao mái tôn thường được mạ kẽm chứ không mạ đồng?
2
Kẽm hoạt động mạnh hơn sắt, còn đồng hoạt động yếu hơn sắt.
3
Nếu mạ kẽm bị xước, kẽm (mạnh hơn) sẽ bị ăn mòn thay cho sắt. Nếu mạ đồng (yếu hơn sắt) mà bị xước, sắt sẽ bị ăn mòn nhanh hơn cả khi không mạ, vì hai kim loại tiếp xúc tạo cặp ăn mòn có lợi cho kim loại yếu hơn (Cu) và bất lợi cho sắt.
4
Mạ kẽm là lựa chọn đúng đắn vì kẽm hoạt động mạnh hơn sắt, bảo vệ được sắt ngay cả khi lớp mạ bị xước.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Giải thích cơ chế bảo vệ hi sinh (dạng đề thi)

1
Một tấm tôn mạ kẽm bị một vết xước nhỏ để lộ sắt bên trong, để ngoài trời mưa nhiều tháng. Sắt tại vết xước có bị gỉ ngay không? Giải thích.
2
Tại vết xước có cả nước mưa và oxygen — đủ điều kiện gây gỉ nếu chỉ có sắt trơ trọi.
3
Tuy nhiên xung quanh vết xước vẫn còn lớp kẽm. Vì kẽm hoạt động mạnh hơn sắt, kẽm sẽ bị oxi hóa (ăn mòn) trước, "hi sinh" để bảo vệ sắt bên trong không bị gỉ ngay.
4
Sắt tại vết xước chưa bị gỉ ngay, vì kẽm xung quanh tiếp tục bị ăn mòn thay. Đây là lí do tôn mạ kẽm bền hơn nhiều so với tôn sắt thường dù có xước nhỏ.

Bảo vệ điện hóa bằng khối kim loại hi sinh (anode hi sinh)

Nguyên tắc bảo vệ hi sinh của mạ kẽm còn được mở rộng ở quy mô lớn hơn nhiều: với các công trình khó mạ toàn bộ (thân tàu biển bằng thép, đường ống dẫn dầu/khí chôn dưới đất), người ta gắn thêm những khối kim loại hoạt động mạnh hơn thép (thường là kẽm hoặc magnesium) trực tiếp lên bề mặt cần bảo vệ — gọi là khối anode hi sinh (sacrificial anode). Khối này đóng đúng vai trò như lớp mạ kẽm: bị ăn mòn dần thay cho thép; khi mòn gần hết thì thay khối mới — rẻ và dễ bảo trì hơn nhiều so với sơn/mạ lại toàn bộ công trình có diện tích rất lớn.

Nguyên tắc bảo vệ hi sinh của mạ kẽm còn được mở rộng ở quy mô lớn hơn nhiều: với các công trình khó mạ toàn bộ (thân tàu biển bằng thép, đường ống dẫn dầu/khí chôn dưới đất), người ta gắn thêm những **khối kim loại hoạt động mạnh hơn thép** (thường là kẽm hoặc magnesium) trực tiếp lên bề mặt cần bảo vệ — gọi là **khối anode hi sinh** (sacrificial anode). Khối này đóng đúng vai trò như lớp mạ kẽm: bị ăn mòn dần thay cho thép; khi mòn gần hết thì thay khối mới — rẻ và dễ bảo trì hơn nhiều so với sơn/mạ lại toàn bộ công trình có diện tích rất lớn.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Chọn kim loại làm khối anode hi sinh (dạng đề thi)

1
Kỹ sư cần chọn kim loại gắn vào thân tàu biển bằng thép để bảo vệ chống ăn mòn trong nước biển. Trong bốn kim loại Cu, Sn (thiếc), Zn, Ag, nên chọn kim loại nào? Giải thích.
2
Kim loại gắn thêm phải hoạt động mạnh hơn sắt/thép để bị ăn mòn thay, đúng nguyên tắc bảo vệ hi sinh.
3
Dãy hoạt động: K, Na, ..., Mg, Al, Zn, Fe, Sn, ..., Cu, ..., Ag. Chỉ có Zn đứng trước Fe (mạnh hơn); Cu, Sn, Ag đều đứng sau Fe (yếu hơn).
4
Chọn Zn. Nếu chọn Cu, Sn hoặc Ag (đều yếu hơn thép), thép sẽ trở thành kim loại hoạt động mạnh hơn trong cặp điện hóa và bị ăn mòn nhanh hơn — phản tác dụng bảo vệ hoàn toàn.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến: nghĩ rằng lớp mạ chỉ có tác dụng che chắn vật lí. Với mạ kẽm, ngay cả khi lớp che bị mất (trầy xước), sắt vẫn được bảo vệ nhờ kẽm hoạt động mạnh hơn bị ăn mòn thay. Một lỗi hay gặp: nghĩ kim loại gắn thêm chỉ cần "khác" kim loại nền là đủ — thực chất phải chọn kim loại hoạt động mạnh hơn kim loại nền, nếu chọn kim loại yếu hơn sẽ làm ăn mòn nhanh hơn thay vì bảo vệ.

Nhầm lẫn phổ biến: nghĩ rằng lớp mạ chỉ có tác dụng che chắn vật lí. Với mạ kẽm, ngay cả khi lớp che bị mất (trầy xước), sắt **vẫn được bảo vệ** nhờ kẽm hoạt động mạnh hơn bị ăn mòn thay. Một lỗi hay gặp: nghĩ kim loại gắn thêm chỉ cần "khác" kim loại nền là đủ — thực chất phải chọn kim loại hoạt động **mạnh hơn** kim loại nền, nếu chọn kim loại yếu hơn sẽ làm ăn mòn nhanh hơn thay vì bảo vệ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Có hai nhóm biện pháp chống ăn mòn kim loại: (1) ngăn tiếp xúc trực tiếp với môi trường (sơn, dầu mỡ, tráng men, bảo quản khô ráo); (2) dùng kim loại/hợp kim bảo vệ (mạ kẽm — bảo vệ hi sinh, mạ thiếc, thép không gỉ). Mạ kẽm hiệu quả vì kẽm hoạt động mạnh hơn sắt.

Thép không gỉ vừa nhắc tới thực ra chỉ là một ví dụ của hợp kim — chương tiếp theo sẽ đi vào khái niệm hợp kim nói chung, và hai hợp kim quan trọng nhất của sắt: gang và thép.