Tài liệu Bài giảng vật liệu học - Chương 6: Tính chất hóa học ppt

TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
1
1
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
VẬT LIỆU HỌC
VẬT LIỆU HỌC
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
2
2
6.1.Sự ăn mòn của vật liệu kim loại
6.1.Sự ăn mòn của vật liệu kim loại
6.2.Sự ăn mòn của vật liệu vô cơ
6.2.Sự ăn mòn của vật liệu vô cơ
6.3.Sự thoái hoá (hoá già) của vật liệu hữu
6.3.Sự thoái hoá (hoá già) của vật liệu hữu
cơ
cơ
Chương 6
Chương 6
Tính chất hóa học
Tính chất hóa học
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
3

3
6.1.1.Khái niệm
6.1.1.Khái niệm
6.1.2.Ăn mòn hoá
6.1.2.Ăn mòn hoá
6.1.3.Ăn mòn điện hoá
6.1.3.Ăn mòn điện hoá
6.1.4.Tốc độ ăn mòn
6.1.4.Tốc độ ăn mòn
6.1.Sự ăn mòn của vật liệu kim loại
6.1.Sự ăn mòn của vật liệu kim loại
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
4
4
Xác định mối quan hệ
Xác định mối quan hệ
t/d hóa học
t/d hóa học


Vật liệu
Vật liệu
6.1.1.Khái niệm
6.1.1.Khái niệm
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng

TS. Hà Văn Hồng
5
5
Ăn mòn hoá học là sự phá huỷ của kim loại
Ăn mòn hoá học là sự phá huỷ của kim loại
do phản ứng hoá học giữa kim loại với các
do phản ứng hoá học giữa kim loại với các
chất khí (chứa O
chất khí (chứa O
2
2
, Cl
, Cl
2,
2,
SO
SO
2
2
…) của môi
…) của môi
trường xung quanh
trường xung quanh
6.1.2.Ăn mòn hoá học
6.1.2.Ăn mòn hoá học
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
6

6
6.1.2.1.Cơ chế ăn mòn hoá học
6.1.2.1.Cơ chế ăn mòn hoá học
Me
Me
n+
+ 1/2O
2
+
2e
O
2-
O
2
O
2(hp)
ne
-
Kim loai
(Me)
Oxyt
(Me
m
O
mn/2)
ne
Me
n+
O
2-

Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
7
7
•
Khuếch tán
Khuếch tán
O
O
2
2
và hấp phụ lên bề mặt
và hấp phụ lên bề mặt
•
Phản ứng oxy hoá-khử
Phản ứng oxy hoá-khử
-P/u oxy hoá :
-P/u oxy hoá :
-P/u khử :
-P/u khử :


P/u tổng :
P/u tổng :


•
Kết tinh:

Kết tinh:
sinh mầm MeO và phát triển
sinh mầm MeO và phát triển
thành lớp oxyt trên bề mặt kim loại
thành lớp oxyt trên bề mặt kim loại


+
=−
n
MeneMe
−
=+
2
2
2
2
1
OeO
2
2
4
mnm
OMeO
mn
mMe
=+
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng

TS. Hà Văn Hồng
8
8
6.1.2.2.Điều kiện ăn mòn hoá học
6.1.2.2.Điều kiện ăn mòn hoá học
[ ]
[ ]
[ ]
4/
2/
2
lnln
mn
O
m
mnm
o
T
o
TT
PMe
OMe
RTGKRTGG
+∆=+∆=∆
[ ]
4/
2
1
ln
mn

O
o
TT
P
RTGG
+∆=∆
0
=∆
T
G
[ ]
[ ]
cb
O
cb
mn
O
o
T
P
RTKRT
P
RTG
2
2
1
lnln
1
ln
4/

−=−=−=∆
0<∆
o
T
G
K
cb
>1
22
11
)( OcbO
PP
>
)(22 cb
OO
PP
>
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
9
9
Nhiệt độ : T-cao → ↑Ăn mòn
 Oxy của môi trưởng : ↑O
2
→ ↑Ăn mòn

Cấu trúc của màng oxyt kim loại
ε

ε


> 1: màng sít, bảo vệ ăn mòn tốt ( Cu, Al )
> 1: màng sít, bảo vệ ăn mòn tốt ( Cu, Al )
ε
ε


<
<
1: màng xốp, bảo vệ ăn mòn kém ( kiềm, kiềm
1: màng xốp, bảo vệ ăn mòn kém ( kiềm, kiềm
thổ)
thổ)


ε
ε


>> 1: ứng suất dư
>> 1: ứng suất dư
→
→
Nứt
Nứt
→
→
bảo vệ ăn món kém

bảo vệ ăn món kém
6.1.2.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn hoá học
6.1.2.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn hoá học
oxyt
Meoxyt
Meoxyt
oxyt
Me
xyt
nAd
dM
d
nA
d
M
V
V
===
:
0
ε
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
10
10
6.1.3.Ăn mòn điện hoá
6.1.3.Ăn mòn điện hoá
Ăn mòn điện hoá là sự phá huỷ của vật

liệu kim loại trong môi trường chất điện ly,
trong đó có phát sinh dòng điện.
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
11
11
6.1.3.1.Cơ chế ăn mòn điện hoá
6.1.3.1.Cơ chế ăn mòn điện hoá
Me Me
n+
+
ne
Anot Catot
+
ne
H
2
O
Ox Red
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
12
12
•
Khuếch tán
Khuếch tán

& hấp phụ chất điện ly
& hấp phụ chất điện ly
•
Phản ứng điện hoá
Phản ứng điện hoá
-P/u anot :
-P/u anot :
Me
Me
→
→
Me
Me
n+
n+
+
+
ne
ne
-P/u catot :
-P/u catot :
Ox + ne
Ox + ne


→
→


Red

Red


Cộng :
Cộng :
Me + Ox
Me + Ox
→
→
Me
Me
n+
n+
+ Red
+ Red


Ox-chất oxy hoá
Ox-chất oxy hoá
: H
: H
+
+
, O
, O
2 ,
2 ,
Me
Me
1

1
n1+
n1+
-Quá trình dẫn điện:
-Quá trình dẫn điện:
Anot
Anot
Catot
Catot
•


Me
Me
n+
n+
→
dung dịch hoặc tạo thành gỉ
dung dịch hoặc tạo thành gỉ


e
I
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
13
13
Ví dụ: ăn mòn của sắt

Ví dụ: ăn mòn của sắt
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
14
14

Môi trường nước chứa axit có oxy hoà tan
Môi trường nước chứa axit có oxy hoà tan
•
Q.trình anốt:
Q.trình anốt:
Fe
Fe
→
→


Fe
Fe
2+
2+
+
+
2e
2e
•

Q.trình catot:
Q.trình catot:
O
O
2
2
+
+
4H
4H
+
+


+
+
4e
4e
→
→
2H
2H
2
2
O
O


Cộng :
Cộng :

2Fe + O
2Fe + O
2
2
+ 4H
+ 4H
+
+


→
→


2Fe
2Fe
2+
2+
+2H
+2H
2
2
O
O
•
Qúa trình dẫn điện : Anốt
Qúa trình dẫn điện : Anốt
Catot
Catot
Ví dụ: ăn mòn của sắt

Ví dụ: ăn mòn của sắt
e
I
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
15
15

Môi trường trung tính có oxy hoà tan
Môi trường trung tính có oxy hoà tan
•
Q.trình anốt:
Q.trình anốt:
Fe
Fe
→
→


Fe
Fe
2+
2+
+
+
2e
2e
•

Q.trình catot:
Q.trình catot:
O
O
2
2
+ 2H
+ 2H
2
2
O + 4e
O + 4e
→
→
4OH
4OH
-
-


Cộng :
Cộng :
Fe + O
Fe + O
2
2
+ 2H
+ 2H

2
2
O
O


→
→


Fe(OH)
Fe(OH)
2
2
2Fe(OH)
2Fe(OH)
2
2
+ 1/2O
+ 1/2O
2
2
+ H
+ H
2
2
O
O
→
→

2Fe(OH)
2Fe(OH)
3
3
•
Qúa trình dẫn điện : Anốt
Qúa trình dẫn điện : Anốt
Catot
Catot
Ví dụ: ăn mòn của sắt
Ví dụ: ăn mòn của sắt
e
I
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
16
16
•
Phản ứng điện hoá
Phản ứng điện hoá
-P/u anot :
-P/u anot :
Me
Me
→
→
Me
Me

n+
n+
+ ne
+ ne
-P/u catot :
-P/u catot :
Ox + ne
Ox + ne


→
→


Red
Red


Cộng :
Cộng :
Me + Ox
Me + Ox
→
→
Me
Me
n+
n+
+ Red
+ Red

6.1.3.2.Điều kiện ăn mòn điện học
6.1.3.2.Điều kiện ăn mòn điện học
MeMe
n
/
+
ϕ
redox /
ϕ
( )
0
/
/
<−−=−=∆
+
MeMe
redoxT
n
nFnFEG
ϕϕ
MeMe
redox
n
/
/
+

>
ϕϕ
MeMe
redoxca
n
E
/
/
+
−=−=
ϕϕϕϕ
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
17
17


Môi trường axit không có oxy
Môi trường axit không có oxy


Me
Me
→
→
Me
Me
n+

n+
+ ne
+ ne


2H
2H
+
+
+ 2e
+ 2e
→
→
H
H
2
2
Me + 2H
Me + 2H
+
+


→
→
Me
Me
n+
n+
+ H

+ H
2
2
⇒
⇒


Me đầu dãy đ.thế đến trước Cd bị ăn mòn
Me đầu dãy đ.thế đến trước Cd bị ăn mòn
[ ]
+
+=
++
no
MeMeMeMe
Me
nF
RT
nn
lg
3.2
//
ϕϕ
2
2
lg030.0059.0
/
H
HH
PpH −−=

+
ϕ
vpH
HHMeMe
n
41.07059.0059.0
//
2
−=×−=−=<
++
ϕϕ
6.1.3.2.Điều kiện ăn mòn điện học
6.1.3.2.Điều kiện ăn mòn điện học
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
18
18


Môi trường axit có oxy
Môi trường axit có oxy


Me
Me
→
→
Me

Me
n+
n+
+ ne
+ ne


O
O
2
2
+ 4H
+ 4H
+
+
+ 4e
+ 4e
→
→
2H
2H
2
2
O
O
Me + O
Me + O
2
2
+ 4H

+ 4H
+
+


→
→
Me
Me
n+
n+
+ H
+ H
2
2
O
O
⇒
⇒


Me đầu dãy đ.thế đến Ag bị ăn mòn
Me đầu dãy đ.thế đến Ag bị ăn mòn
[ ]
+
+=
++
no
MeMeMeMe
Me

nF
RT
nn
lg
3.2
//
ϕϕ
pH
OOH
059.023.1
22
/
−=
ϕ
82.07059.023.1
22
/
/
≈×−=<
+
OOH
MeMe
n
ϕϕ
6.1.3.2.Điều kiện ăn mòn điện học
6.1.3.2.Điều kiện ăn mòn điện học
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng

19
19


Môi trường kiềm có oxy
Môi trường kiềm có oxy


Me
Me
→
→
Me
Me
n+
n+
+ ne
+ ne


O
O
2
2
+ 2H
+ 2H
2
2
O + 4e
O + 4e

→
→
4OH
4OH
-
-
Me + O
Me + O
2
2
+ 2H
+ 2H
2
2
O
O
→
→
Me
Me
n+
n+
+ 4OH
+ 4OH
-
-


⇒
⇒

Me đầu dãy đ.thế đến trước Ag bị ăn mòn
Me đầu dãy đ.thế đến trước Ag bị ăn mòn
[ ]
+
+=
++
no
MeMeMeMe
Me
nF
RT
nn
lg
3.2
//
ϕϕ
pH
OOH
059.023.1
2
/
−=
−
ϕ
v
OOHMeMe
n
40.014059.023.1

2
//
=×−=<
−−
ϕϕ
6.1.3.2.Điều kiện ăn mòn điện học
6.1.3.2.Điều kiện ăn mòn điện học
4
2
2
/
][
][
ln401.0
2
2
−
+=
−
OH
POH
nF
RT
O
OOH
ϕ
]lg[3.210lg3.2401.0
][
10
ln401.0]ln[401.0

14
14
4
/
2
+−
+
−
−
+−=−=−=
−
H
F
RT
F
RT
HF
RT
OH
nF
RT
OOH
ϕ
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
20
20
Kim loại Phản ứng điện cực E

o
, v Kim loại Phản ứng điện cực E
o
, v
Au
Au
3+
+ 3e → Au
1.42 Cd
Cd
2+
+ 2e → Cd
-0.40
O
2
+4H
+
+ 4e → 2H
2
O
1.23 Fe
Fe
2+
+ 2e → Fe
-0.44
Pt
Pt
2+
+ 2e → Pt
1.20 Cr

Cr
3+
+ 3e → Cr
-0.74
Ag
Ag
+
+ e → Ag
0.80 Zn
Zn
2+
+ 2e → Zn
-0.76
O
2
+4H
+
+ 4e → 4OH
-
0.40 Mn
Mn
2+
+ 2e → Mn
-1.18
Cu
Cu
2+
+ 2e → Cu
0.34 Ti
Ti

2+
+ 2e → Ti
-1.66
2H
+
+ 2e → H
2
0.00 Al
Al
3+
+ 3e → Al
-1.66
Pb
Pb
2+
+ 2e → Pb
-0.13 Mg
Mg
2+
+ 2e → Mg
-2.36
Sn
Sn
2+
+ 2e → Sn
-0.14 Na
Na
+
+ e → Na
-2.71

Ni
Ni
2+
+ 2e → Ni
-0.25 K
K
+
+ e → K
-2.92
Co
Co
2+
+ 2e → Co
-0.28
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
21
21
Nhiệt độ


Khử H
Khử H
+
+
:
:
↑

↑
T
T
→
→


↑
↑
Khuếch tán
Khuếch tán
→
→


↑
↑
Tốc độ ăn mòn
Tốc độ ăn mòn


Khử O
Khử O
2
2
:
:
xảy ra 2 trường hợp:
xảy ra 2 trường hợp:
+Hệ thống kín:

+Hệ thống kín:
↑
↑
T
T
→
→


↑
↑
Khuếch tán
Khuếch tán
→
→


↑
↑
Tốc độ ăn mòn
Tốc độ ăn mòn


+Hệ thống hở:
+Hệ thống hở:
↑
↑
T=80
T=80
o

o
C
C
→↑
→↑
Khuếch tán O
Khuếch tán O
2
2
→↑
→↑
Tốc độ ăn mòn
Tốc độ ăn mòn
↑
↑
T > 80
T > 80
o
o
C
C
→
→


↑
↑
Thoát O
Thoát O
2

2


→
→


↓
↓
Tốc độ ăn mòn
Tốc độ ăn mòn
6.1.3.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn điện học
6.1.3.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn điện học
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
22
22
Nồng độ oxy


O
O
2
2
+ 4H
+ 4H
+
+

+ 4e
+ 4e
→
→
2H
2H
2
2
O
O
O
O
2
2
+ 2H
+ 2H
2
2
O + 4e
O + 4e
→
→
4OH
4OH
-
-
↑
↑
O
O

2
2
→
→


↑
↑
Tốc độ ăn mòn
Tốc độ ăn mòn
↑↑
↑↑
O
O
2
2
→
→
Me bị thụ động
Me bị thụ động
→
→


↓
↓
Tốc độ ăn mòn
Tốc độ ăn mòn
6.1.3.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn điện học
6.1.3.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn điện học

Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
23
23
pH


2H
2H
+
+
+ 2e
+ 2e
→
→
H
H
2
2
O
O
2
2
+ 4H
+ 4H
+
+
+ 4e

+ 4e
→
→
2H
2H
2
2
O
O
O
O
2
2
+ 2H
+ 2H
2
2
O + 4e
O + 4e
→
→
4OH
4OH
-
-
↑
↑
pH
pH
→

→


↓ϕ
↓ϕ
H2
H2
&
&
↓ϕ
↓ϕ
O2
O2


→
→


↑∆
↑∆
G = -nFE = -nF(
G = -nFE = -nF(
ϕ
ϕ
H2
H2
-
-
ϕ

ϕ
Me
Me
)
)


↑∆
↑∆
G = -nFE = -nF(
G = -nFE = -nF(
ϕ
ϕ
O2
O2
-
-
ϕ
ϕ
Me
Me
)
)


⇒
⇒


↓

↓
Tốc độ ăn mòn
Tốc độ ăn mòn


6.1.3.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn điện học
6.1.3.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn điện học
2
2
lg030.0059.0
/
H
HH
PpH −−=
+
ϕ
pH
OOH
059.023.1
22
/
−=
ϕ
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
24
24
Cấu trúc

•
Kim loại nguyên chất
Kim loại nguyên chất




Hợp kim (dung dịch rắn)
Hợp kim (dung dịch rắn)
→
→


Ăn mòn : chậm
Ăn mòn : chậm
•
Kim loại có tạp chất
Kim loại có tạp chất


Hợp kim
Hợp kim


→
→
Vi pin
Vi pin
:Biên giới hạt: anot
:Biên giới hạt: anot

Tâm hạt : catot
Tâm hạt : catot




6.1.3.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn điện học
6.1.3.3.Yếu tố ảnh hưởng ăn mòn điện học
Một pha
Nhiều pha
Ăn mòn: nhanh
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
25
25

Tổn thất trọng lượng P
Tổn thất trọng lượng P
tl
tl
P
P
tl
tl
-tổn thất trọng lượng, mg/dm
-tổn thất trọng lượng, mg/dm

2
2
.ngày
.ngày
m
m
1
1
, m
, m
2
2
-
-
trọng lượng mẫu kim loại trước & sau
trọng lượng mẫu kim loại trước & sau
khi bị ăn mòn, mg
khi bị ăn mòn, mg
S-Diện tích bề mặt kim loại, dm
S-Diện tích bề mặt kim loại, dm
2
2
τ
τ
-thời gian, ngày
-thời gian, ngày
6.1.4.Tốc độ ăn mòn
6.1.4.Tốc độ ăn mòn
ngaydmmg
S

mm
P
tl
2
21
/,
τ
×
−
=