Sự ăn mòn kim loại là gì? Hai dạng ăn mòn kim loại lớp 12?

1. Sự ăn mòn kim loại là gì?

Sự ăn mòn kim loại là quá trình mà kim loại bị phá hủy dần dần do tác động của các yếu tố môi trường, như nhiệt độ, độ ẩm, oxy hóa, hoá chất, vi sinh vật, vv. Bản chất của ăn mòn kim loại là quá trình oxi hóa- khử, trong đó kim loại bị mất điện tử và chuyển thành ion dương. Sự ăn mòn kim loại có thể gây ra nhiều hậu quả tiêu cực, như giảm khả năng chịu lực, độ bền và độ an toàn của các cấu trúc kim loại, làm mất giá trị thẩm mỹ và kinh tế của các sản phẩm kim loại, gây ô nhiễm môi trường và nguy hiểm cho sức khỏe con người. Do đó, việc phòng ngừa và kiểm soát sự ăn mòn kim loại là rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp.

2. Hai dạng ăn mòn kim loại lớp 12:

Có hai dạng ăn mòn kim loại phổ biến mà chúng ta có thể bắt gặp thường xuyên trong các bài thi lớp 12 cũng như trong cuộc sống thường ngày. Hai dạng này được dựa trên sự phân loại ăn mòn kim loại.

Phân loại ăn mòn kim loại là quá trình phân chia các loại ăn mòn kim loại dựa trên các đặc điểm, nguyên nhân, cơ chế và ảnh hưởng của chúng. Có nhiều cách phân loại ăn mòn kim loại khác nhau, nhưng một trong những cách phổ biến nhất là phân loại theo cơ chế ăn mòn. Theo cách này, có thể chia ăn mòn kim loại thành hai loại chính: ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học.

Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn kim loại xảy ra do sự tạo thành và phá vỡ các tế bào điện hóa trên bề mặt kim loại. Tế bào điện hóa bao gồm hai điểm cực: cực âm (điểm ăn mòn) và cực dương (điểm bảo vệ). Tại cực âm, kim loại bị oxy hóa và tan ra trong dung dịch. Tại cực dương, oxy hoặc các chất khác bị khử và giải phóng electron. Các electron này di chuyển từ cực dương đến cực âm qua kim loại hoặc qua một dẫn điện bên ngoài. Đồng thời, có một luồng ion di chuyển từ cực âm đến cực dương qua dung dịch để duy trì sự cân bằng điện tích. Các ví dụ về ăn mòn điện hóa là ăn mòn đồng nhất, ăn mòn không đồng nhất, ăn mòn khe rãnh, ăn mòn nứt, ăn mòn sinh học và ăn mòn liên kết.

Ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn kim loại xảy ra do sự tác động trực tiếp của các tác nhân hóa học lên bề mặt kim loại. Không có sự tham gia của điện trở hay dòng điện trong quá trình này. Kim loại bị phản ứng với các tác nhân hóa học và tạo thành các sản phẩm ăn mòn, thường là các muối hoặc oxit. Các ví dụ về ăn mòn hóa học là ăn mòn do oxy hóa khí, ăn mòn do oxy hóa lỏng, ăn mòn do nhiệt và ăn mòn do vi khuẩn.

3. Tác hại của ăn mòn kim loại:

Tác hại của ăn mòn kim loại là một vấn đề nghiêm trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành dầu khí, hóa chất và xây dựng. Ảnh hưởng của ăn mòn kim loại không chỉ gây thiệt hại về kinh tế, mà còn gây nguy hiểm cho sức khỏe và môi trường. Một số tác hại cụ thể của ăn mòn kim loại là:

– Làm giảm tuổi thọ và hiệu suất của các thiết bị, máy móc, đường ống, kết cấu và vật liệu bằng kim loại. Điều này có thể dẫn đến các sự cố như rò rỉ, nứt, gãy, phá hủy hoặc thất thoát sản phẩm.

– Làm tăng chi phí bảo trì, sửa chữa, thay thế và phục hồi các thiết bị, máy móc, đường ống, kết cấu và vật liệu bằng kim loại bị ăn mòn. Điều này có thể chiếm đến 3-4% GDP của một quốc gia.

– Làm giảm an toàn và an ninh của các nhân viên, khách hàng và cộng đồng. Ảnh hưởng của ăn mòn kim loại có thể gây ra các tai nạn như cháy nổ, rò rỉ chất độc hại, ô nhiễm không khí và nước, gây hại cho sức khỏe con người và sinh vật.

– Làm giảm chất lượng và giá trị của các sản phẩm bằng kim loại hoặc có chứa kim loại. Điều này có thể làm mất niềm tin và uy tín của các doanh nghiệp và người tiêu dùng.

4. Biện pháp phòng ngừa tác hại của ăn mòn kim loại:

Vì vậy, việc phòng ngừa và kiểm soát ăn mòn kim loại là rất quan trọng và cần thiết trong nhiều lĩnh vực hoạt động. Có nhiều phương pháp để làm điều này, như sử dụng các vật liệu chống ăn mòn, áp dụng các biện pháp bảo vệ bề mặt, thiết kế và lắp đặt các thiết bị phù hợp, kiểm tra và giám sát định kỳ, tuân thủ các tiêu chuẩn và quy định an toàn. Một số biện pháp phổ biến có thể kể đến như sau:

– Sử dụng các kim loại chống ăn mòn hoặc hợp kim chống ăn mòn, như thép không gỉ, nhôm, titan, vv. Các kim loại này có khả năng tạo ra một lớp phủ bảo vệ trên bề mặt khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn, ngăn chặn quá trình ăn mòn tiếp tục.

– Sử dụng các phương pháp bọc hoặc phủ bề mặt kim loại bằng các vật liệu khác có khả năng chống ăn mòn cao hơn, như sơn, nhựa, cao su, gốm, vv. Các phương pháp này giúp cô lập kim loại khỏi môi trường ăn mòn, giảm thiểu sự tiếp xúc và tương tác giữa hai bên.

– Sử dụng các phương pháp điều chỉnh hoặc kiểm soát các yếu tố môi trường có thể gây ra ăn mòn kim loại, như giảm độ pH, giảm nồng độ oxy hoặc các ion hoá chất gây ăn mòn, thêm các chất ức chế ăn mòn, vv. Các phương pháp này nhằm giảm sự kích thích hoặc tăng cường kháng cự của kim loại đối với quá trình ăn mòn.

– Sử dụng các phương pháp anod hóa hoặc đánh bóng bề mặt kim loại để tạo ra một lớp ôxit bền vững và láng mịn trên bề mặt kim loại. Các phương pháp này giúp tăng cường tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn của kim loại.

5. Bài tập tính tốc độ ăn mòn kim loại và lời giải:

– Bài tập 1: Cho một thanh kim loại có khối lượng ban đầu là 100 g, sau khi để trong dung dịch axit HCl 1M trong 24 giờ, khối lượng thanh kim loại giảm xuống còn 90 g. Biết rằng phản ứng ăn mòn của kim loại với axit là:

M + 2HCl -> MCl2 + H2

Tính tốc độ ăn mòn của kim loại theo đơn vị g/cm2.năm.

Lời giải:

– Tính khối lượng kim loại bị ăn mòn trong 24 giờ:

m = 100 – 90 = 10 (g)

– Tính diện tích bề mặt của thanh kim loại. Giả sử thanh kim loại có hình dạng hộp chữ nhật với chiều dài là 20 cm, chiều rộng là 2 cm và chiều cao là 0.5 cm. Khi đó, diện tích bề mặt của thanh kim loại là:

S = 2(20 x 2 + 20 x 0.5 + 2 x 0.5) = 92 (cm2)

– Tính tốc độ ăn mòn của kim loại theo đơn vị g/cm2.năm. Biết rằng trong một năm có 365 ngày và trong một ngày có 24 giờ. Khi đó, tốc độ ăn mòn của kim loại là:

v = (m/S) / (24 x 365) = (10/92) / (24 x 365) = 1.19 x 10^-5 (g/cm2.năm)

– Bài tập 2: Một thanh thép có chiều dài 1 m, đường kính 2 cm bị ăn mòn trong dung dịch HCl 0.5 M. Sau 24 giờ, khối lượng thanh thép giảm đi 0.5 g. Tính tốc độ ăn mòn của thanh thép theo đơn vị mm/năm.

Lời giải: Tốc độ ăn mòn của thanh thép là tỉ lệ giữa khối lượng kim loại bị ăn mòn và diện tích bề mặt tiếp xúc với dung dịch trong một đơn vị thời gian nhất định. Ta có:

– Khối lượng kim loại bị ăn mòn: m = 0.5 g

– Diện tích bề mặt tiếp xúc với dung dịch: S = πdL = π x 0.02 x 1 = 0.0628 m2

– Thời gian tiếp xúc với dung dịch: t = 24 giờ = 24 x 3600 = 86400 giây

Tốc độ ăn mòn của thanh thép theo đơn vị g/m2.s là:

v = m / (S x t) = 0.5 / (0.0628 x 86400) = 9.4 x 10^-8 g/m2.s

Để chuyển sang đơn vị mm/năm, ta cần biết khối lượng riêng của thép là ρ = 7.8 g/cm3 và độ dày của kim loại bị ăn mòn là h = m / (S x ρ). Do đó:

v = h / t = (m / (S x ρ)) / t = (m / (S x t)) / ρ

v (mm/năm) = v (g/m2.s) / ρ (g/cm3) x 10^7 (mm/cm)

v (mm/năm) = 9.4 x 10^-8 / 7.8 x 10^7 = 0.012 mm/năm

– Bài tập 3: Một miếng nhôm có diện tích bề mặt là 100 cm2 bị phản ứng với dung dịch NaOH trong điều kiện tiêu chuẩn. Sau khi phản ứng hoàn toàn, khối lượng nhôm giảm đi 1.08 g. Tính tốc độ phản ứng của nhôm theo đơn vị mol/m2.s.

Lời giải: Tốc độ phản ứng của nhôm là tỉ lệ giữa số mol nhôm phản ứng và diện tích bề mặt tiếp xúc với dung dịch trong một đơn vị thời gian nhất định. Ta có:

– Số mol nhôm phản ứng: n = m / M = 1.08 / 27 = 0.04 mol

– Diện tích bề mặt tiếp xúc với dung dịch: S = 100 cm2 = 10^-2 m2

– Thời gian phản ứng: t = không cho biết, ta giả sử là t = 1 s

Tốc độ phản ứng của nhôm theo đơn vị mol/m2.s là:

v = n / (S x t) = 0.04 / (10^-2 x 1) = 4 mol/m2.s