LUẬN văn sư PHẠM hóa THIẾT kế bài THÍ NGHIỆM về ăn mòn KIM LOẠI và bảo vệ KIM LOẠI BẰNG CHẤT ức CHẾ

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN HÓA

THIẾT KẾ BÀI THÍ NGHIỆM VỀ ĂN MÕN KIM LOẠI
VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI BẰNG CHẤT ỨC CHẾ

Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƢ PHẠM HÓA HỌC

Giáo viên hƣớng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Phan Thị Ngọc Mai

Trƣơng Minh Nhật
Lớp: Sƣ phạm hóa K33
MSSV: 2072001

Cần Thơ 2011


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian thực hiện đề tài ngoài sự nỗ lực học tập của bản thân, tôi còn nhận đƣợc
sự động viên giúp đỡ của thầy cô và bạn bè. Nay, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn

đến:
- Cô Phan Thị Ngọc Mai đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành đề tài này. Cô đã giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện
đề tài.
- Thầy Nguyễn Mộng Hoàng tận tình hƣớng dẫn và góp ý cho tôi hoàn thành đề tài
này.
- Thầy Nguyễn Điền Trung đã luôn giúp đỡ cho tôi hoàn thành đề tài.
- Quý Thầy, Cô trong bộ môn Hóa, đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian qua.
- Các thành viên trong lớp Sƣ Phạm Hóa K33, và những ngƣời bạn thân đã nhiệt
tình giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Xin chân thành cảm ơn
Trƣơng Minh Nhật

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang i


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang ii


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................

...........................................................................................................................

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang iii


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

ĐIỂM KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang iv


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

Trang

1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI..................................................................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 1

3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ...................... 1
4. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU............................................ 1
4.1. Phƣơng pháp .................................................................................................................. 1
4.2. Phƣơng tiện. .................................................................................................................. 2
5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI............................................................................... 2
PHẦN 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT............................................................................................ 3
1.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI ................................................................. 3
1.1.1. Định nghĩa ăn mòn kim loại .................................................................................... 3
1.1.2. Phân loại ..................................................................................................................... 3
1.1.3. Các phản ứng ăn mòn kim loại................................................................................ 6
1.2. ĂN MÒN HÓA HỌC................................................................................................... 7
1.2.1. Khái niệm về ăn mòn hóa học ................................................................................. 7
1.2.2. Ăn mòn trong môi trƣờng chất lỏng không điện li ............................................... 7
1.2.3. Ăn mòn kim loại trong môi trƣờng khí .................................................................. 8
1.3. ĂN MÒN ĐIỆN HÓA.................................................................................................. 9
1.3.1. Khái niệm về ăn mòn điện hóa ................................................................................ 9
1.3.2. Điện thế điện cực và cơ cấu ăn mòn điện hóa ....................................................... 9
1.3.3. Động học các quá trình điện cực............................................................................ 13
1.3.4. Các nhân tố ảnh hƣởng đến quá trình ăn mòn điện hóa ....................................... 17
1.4. XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ ĂN MÒN KIM LOẠI ........................................................... 20
1.5. PHƢƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI..................................................................... 22
SVTH: Trương Minh Nhật

Trang v


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

1.5.1. Phƣơng pháp hợp kim hóa ....................................................................................... 22
1.5.2. Phƣơng pháp xử lí môi trƣờng................................................................................. 22
1.5.3. Dùng chất ức chế ăn mòn ......................................................................................... 23
1.5.4. Phƣơng pháp bao phủ bảo vệ ................................................................................... 24
1.5.5. Bảo vệ kim loại bằng phƣơng pháp điện hóa ........................................................ 26
1.5.6. Bảo vệ bằng cách cấu tạo thiết bị hợp lí ................................................................ 26
1.5.7. Tổ hợp các phƣơng pháp bảo vệ.............................................................................. 27
PHẦN 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................................. 28
2.1. DỤNG CỤ, HÓA CHẤT ............................................................................................. 28
2.1.1. Dụng cụ: ..................................................................................................................... 28
2.1.2. Hóa chất...................................................................................................................... 28
2.1.3. Qui trình thí nghiệm .................................................................................................. 28
2.2. KHẢO SÁT SỰ ĂN MÒN KIM LOẠI ..................................................................... 29
2.2.1. Khảo sát sự ăn mòn kim loại bằng phƣơng pháp trọng lƣợng ............................. 29
2.2.2. Khảo sát ăn mòn kim loại bằng phƣơng pháp trọng lƣợngvà thể tích .............. 36
2.3. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG BẢO VỆ KIM LOẠI BẰNG CHẤT ỨC CHẾ ......... 38
2.3.1. Khảo sát khả năng bảo vệ kim loại trong môi trƣờng axit ................................... 38
2.3.2. Khảo sát khả năng bảo vệ kim loại trong môi trƣờng NaCl 3% ......................... 43
PHẦN 3 : THIẾT KẾ BÀI THÍ NGHIỆM........................................................................ 49
3.1. Mục đích thí nghiệm..................................................................................................... 49
3.2. Cơ sở lí thuyết ............................................................................................................... 49
3.2.1. Ăn mòn kim loại........................................................................................................ 49
3.2.2. Bảo vệ kim loại bằng chất ức chế ........................................................................... 51
3.3. Thiết bị hóa chất ........................................................................................................... 51
3.4. Quá trình tiến hành thí nghiệm ................................................................................... 52
SVTH: Trương Minh Nhật

Trang vi

Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

3.4.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát ăn mòn bằng phƣơng pháp điện hóa ............................ 52
3.4.2. Thí nghiệm 2: Kháo sát sự ăn mòn thép CT3 bằng phƣơng pháp
trọng lƣợng và thể tích. ....................................................................................................... 52
3.4.3. Thí nghiệm 3: Khảo sát sự ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng
chất ức chế trong môi trƣờng axit. ..................................................................................... 53
3.4.4. Thí nghiệm 4: Khảo sát sự ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng
chất ức chế trong môi trung tính (NaCl) .......................................................................... 54
3.4.5. Đánh giá độ lặp lại kết quả các thí nghiệm ............................................................ 55
KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 58
KIẾN NGHỊ .......................................................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 59

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang vii


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Kết quả khảo sát tốc độ ăn mòn kim loại theo nồng độ H 2SO4.................... 30
Bảng 2.2: Kết quả khảo sát tốc độ ăn mòn kim loại trong môi trƣờng NaCl
theo thời gian ....................................................................................................................... 32
Bảng 2.3: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của pH đến tốc độ ăn mòn kim loại ............... 35

Bảng 2.4: Ảnh hƣởng của pH đến tốc độ ăn mòn kim loại ............................................ 35
Bảng 2.5: Kết quả khảo sát tốc độ ăn mòn theo phƣơng pháp trọng lƣợng
và thể tích............................................................................................................................. 37
Bảng 2.6. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ kali đicromat đến tốc độ
ăn mòn thép CT3 trong H2SO4 10%.................................................................................. 40
Bảng 2.7: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ kali clorat đến
tốc độ ăn mòn thép CT3 trong H2SO4 10% ..................................................................... 42
Bảng 2.8: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ kali đicromat đến
tốc độ ăn mòn thép CT3 trong NaCl 3%........................................................................... 45
Bảng 2.9: Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ kali clorat đến
tốc độ ăn mòn thép CT3 trong NaCl 3%........................................................................... 47

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang viii


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn theo nồng
độ axit H2SO4 sau 2 giờ khảo sát ....................................................................................... 31
Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn tốc độ ăn mòn theo nồng độ NaCl theo thời gian .............. 33
Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn tốc độ ăn mòn theo nồng độ NaCl sau 2 giờ ...................... 33
Hình 2.4: Máy đo pH ........................................................................................................... 34
Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của pH đến tốc độ ăn mòn kim loại ................. 36
Hình 2.6. Thiết bị đo tốc độ ăn mòn kim loại theo phƣơng pháp trọng lƣợng
và thể tích .............................................................................................................................. 38

Hình 2.7: Thiết bị đo tốc độ ăn mòn kim loại theo phƣơng pháp trọng lƣợng
trong môi trƣờng axit ........................................................................................................... 39
Hình 2.8:Sự phụ thuộc của hệ số tác dụng bảo vệ theo nồng độ kali đicromat
sau 2 giờ ............................................................................................................................... 41
Hình 2.9: Sự phụ thuộc của hệ số tác dụng bảo vệ theo nồng độ kali clorat
sau 2 giờ ................................................................................................................................ 43
Hình 2.10: Thiết bị đo tốc độ ăn mòn kim loại bằng phƣơng pháp trọng lƣợng
trong môi trƣờng trung tính ............................................................................................... 44
Hình 2.11: Sự phụ thuộc của hệ số tác dụng bảo vệ theo nồng độ kali đicromat
trong môi trƣờng NaCl 3% sau 2 giờ ................................................................................ 46
Hình 2.12. Sự phụ thuộc của hệ số tác dụng bảo vệ theo nồng độ kali clorat
trong môi trƣờng NaCl 3% sau 2 giờ ............................................................................... 48

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang ix


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

MỞ ĐẦU
1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, thiệt hại gây nên bởi ăn mòn kim
loại ngày càng lớn. Ví dụ, năm 1949 thiệt hại do ăn mòn tại Mĩ là 5 tỉ đôla tƣơng đƣơng
với 2,1% tổng sản phẩm quốc nội, năm 1975 là 70 tỉ đôla và năm 1982 là 126 tỉ đôla. Đó
là những mất mát trực tiếp, những mất mát gián tiếp còn lớn hơn nhiều nhƣ hƣ hỏng nhà
máy điện nguyên tử, rò rỉ các thùng chứa hóa chất, giảm hiệu suất làm việc của thiết
bị...Riêng ở Việt Nam, do khí hậu nhiệt đới nóng ẩm nên tốc độ ăn mòn rất cao, gây thiệt

hại rất lớn đến nền kinh tế, hàng năm có thể tổn thất 1 – 2% tổng thu nhập quốc nội [1].
Do đó, thiệt hại do ăn mòn kim loại đang là một vấn đề mà tất cả chúng ta đều quan tâm,
đặc biệt là trong sinh viên, những ngƣời chủ tƣơng lai của đất nƣớc. Vì vậy, đề tài “Thiết
kế bài thí nghiệm về ăn mòn kim loại và bảo vệ bằng chất ức chế” sẽ có nhiều lợi ích:
giúp sinh viên hiểu rõ hơn về hiện tƣợng hóa học đang diễn ra hằng ngày đó là ăn mòn
kim loại và bảo vệ kim loại, đồng thời kích thích khả năng sáng tạo của sinh viên tìm ra
những phƣơng pháp mới góp phần giải quyết vấn đề đang rất đƣợc quan tâm hiện nay.

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Đề tài sẽ thiết kế bài thí nghiệm về ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng chất
ức chế.

3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu sẽ giúp cho sinh viên thiết kế đƣợc bài thí nghiệm về ăn mòn
kim loại và bảo vệ kim loại bằng chất ức chế, qua đó nâng cao nhận thức về tầm quan
trọng của vần đề ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại.

4. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU
4.1. Phƣơng pháp
Tìm tài liệu về: Ăn mòn kim loại, các chất có khả năng ức chế ăn mòn kim loại,
phƣơng pháp xây dựng một bài thí nghiệm...
Phƣơng pháp quan sát, làm việc trong phòng thí nghiệm:
- Khảo sát nồng độ của H2SO4.
SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 1


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

- Khảo sát nồng độ của NaCl.
- Khảo sát nồng độ của các chất có khả năng gây ức chế ăn mòn kim loại:
K2Cr2O7, KClO3
- Tiến hành thiết kế bài thí nghiệm về ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng
chất ức chế.
4.2. Phƣơng tiện


Máy vi tính.



Mạng internet.



Sách, tạp chí hóa học, tạp chí khoa học công nghệ.



Hóa chất, dụng cụ trong phòng thí nghiệm.

5. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI


Giai đoạn một : Từ 16/08/2010 đến 30/09/2010

Nhận đề tài từ giáo viên hƣớng dẫn, trao đổi với giáo viên hƣớng dẫn, tìm tài liệu

có liên quan và hoàn thành đề cƣơng chi tiết.


Giai đoạn hai : Từ 01/10/2010 đến 30/03/2011

Tiến hành thực nghiệm khảo sát nồng độ của H 2SO4, NaCl, các chất ức chế
K2Cr2O7, KClO3. Hoàn thành công việc thiết kế bài thí nghiệm


Giai đoạn ba : Từ 01/04/2011 đến 15/05/2011

Viết đề tài và hoàn thành báo cáo luận văn tốt nghiệp.

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 2


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

PHẦN 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ ĂN MÕN KIM LOẠI [1], [6], [9]
1.1.1. Định nghĩa ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại do tác dụng hóa học và điện hóa giữa
chúng với môi trƣờng bên ngoài.
Nói một cách khác ăn mòn là quá trình chuyển biến kim loại từ dạng nguyên tố
thành dạng hợp chất. Sự ăn mòn thƣờng bắt đầu xảy ra trên bề mặt kim loại, rồi quá trình
phát triển vào sâu kèm theo sự biến đổi thành phần và tính chất hóa lí của kim loại và hợp

kim. Kim loại có thể hòa tan một phần hay toàn bộ tạo ra các sản phẩm ăn mòn dƣới dạng
kết tủa trên bề mặt kim loại ( lớp gỉ, oxit, hydrat...).
Sự gẫy, đứt, sự xâm thực, mài mòn, trƣơng nở cao phân tử, sự biến dạng cấu trúc
khi thay đổi nhiệt độ không gọi là ăn mòn.
1.1.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại quá trình ăn mòn kim loại, thông thƣờng có 3 cách:
1.1.2.1. Theo cơ chế của quá trình ăn mòn
Theo cơ chế của quá trình ăn mòn, ngƣời ta chia ra thành hai loại ăn mòn là ăn
mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.
Ăn mòn hóa học
Ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn do tác dụng hóa học giữa kim loại với môi
trƣờng xung quanh. Thí dụ: tƣơng tác giữa kim loại với môi trƣờng lỏng, không dẫn điện
hay các khí khô.
Ăn mòn điện hóa
Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn do tác dụng điện hóa học giữa kim loại với
môi trƣờng phản ứng điện hóa, nó tuân theo qui luật động học điện hóa. Ăn mòn điện hóa
xảy ra hai quá trình đồng thời.
-

Quá trình anôt là quá trình biến đổi trực tiếp kim loại thành ion hydrat hóa trong

dung dịch: Me + xH2O  Me(H2O)n+
x + ne
SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 3


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

Trong kim loại, còn một lƣợng tƣơng đƣơng các electron dƣ thừa.
-

Quá trình catôt là quá trình làm cho các electron dƣ trong quá trình anôt bị đồng

hóa do một vài chất nhận electron, đƣợc gọi là chất khử phân cực.
Nghiên cứu chi tiết cơ chế quá trình ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa cho thấy
không có ranh giới phân biệt rõ nét giữa chúng. Trong nhiều trƣờng hợp, sự biến đổi
chậm từ cơ chế hóa học sang cơ chế điện hóa và có thể xảy ra ngƣợc lại. Sự ăn mòn trong
dung dịch điện li có thể xảy ra theo cả cơ chế điện hóa lẫn cơ chế hóa học.
1.1.2.2. Theo điều kiện của quá trình ăn mòn
-

Ăn mòn khí quyển là ăn mòn kim loại trong khí quyển hay các khí ẩm ƣớt khác.

-

Ăn mòn trong chất điện li (axit, bazơ, muối).

-

Ăn mòn trong đất nghĩa là ăn mòn các công trình ngầm dƣới đất.

-

Ăn mòn điện gây ra dƣới tác dụng của dòng điện ngoài hay các dòng điện lang

thang khác.

-

Ăn mòn dƣới tác dụng của điện thế gây ra do tác dụng đồng thời của môi trƣờng

xâm thực và điện thế trên kim loại.
-

Ăn mòn do tiếp xúc.

-

Ăn mòn do ứng suất.

-

Ăn mòn do vi sinh vật.

1.1.2.3. Theo đặc trưng của dạng ăn mòn
-

Ăn mòn đều (thép cacbon trong dung dịch axit sunfuric).

-

Ăn mòn không đều (thép cacbon trong nƣớc biển).

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 4

Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

-

Ăn mòn chọn lọc, tức chỉ một pha bị phá hủy (gang trong axit).

-

Ăn mòn vết, tạo thành những vết dài trên bề mặt (đông thau trong nƣớc biển).

-

Ăn mòn hố (ăn mòn trong đất).

-

Ăn mòn điểm, đƣờng kính từ 0,1 – 2 mm (thép không gỉ trong nƣớc biển).

-

Ăn mòn dƣới bề mặt.

-

Ăn mòn giữa các tinh thể (thép crom ở 500 0C – 800 0C).

-

Ăn mòn nứt, do tác động đồng thời giữa ăn mòn và cơ học (ăn mòn cánh tuabin).

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 5


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

1.1.3. Các phản ứng ăn mòn kim loại
Ăn mòn kim loại là phản ứng oxi hoá khử bất thuận nghịch xảy ra giữa kim loại và
một chất oxi hoá có trong môi trƣờng xâm thực. Sự oxi hoá kim loại gắn liền với sự khử
chất oxi hoá. Có thể công thức hoá sự ăn mòn kim loại nhƣ sau:
Kim loại + chất oxi hoá → kim loại bị oxi hoá + chất khử
Ví dụ:

Fe + 2HCl  F eCl2 + H 2

Trong môi trƣờng dung dịch, axit HCl và muối FeCl 2 tồn tại dạng ion. Vậy có thể
viết:
Fe + 2H+ + 2Cl  Fe2+ + 2Cl  H2 (*)

Trong trƣờng hợp trên, chất oxi hoá là proton H  bị sonvat hoá. Những sản phẩm
của phản ứng là ion Fe2+ bị sonvat hoá và khí H 2 . Các ion Cl  không trực tiếp tham gia
phản ứng, vậy (*) đƣợc viết ở dạng đơn giản:
Fe + 2H+  Fe2+ + H2

Trong môi trƣờng kiềm và trung tính, sự ăn mòn kim loại là phản ứng xảy ra giữa
kim loại và oxi. Ví dụ trong không khí ẩm, sắt bị ăn mòn tạo ra gỉ sắt dạng FeOOH theo
phản ứng:
4Fe + 3O2 + 2H 2O  4FeOOH

Đƣơng nhiên trong môi trƣờng axit nếu nồng độ oxi thấp thì sự ăn mòn kim loại
chủ yếu gắn liền với phản ứng giải phóng khí hiđro.
Trong điều kiện nhiệt độ thƣờng và không khí ẩm xảy ra sự ăn mòn kim loại và
đƣợc gọi là ăn mòn ẩm. Các chất oxi hoá trong môi trƣờng ăn mòn là: những proton bị
sonvat hoá hoặc là lƣợng oxi bị hoà tan vào môi trƣờng ăn mòn. Ngoài ra còn có một số
chất oxi hoá khác cũng gây ra sự ăn mòn kim loại nhƣ các cation kim loại
( Cu 2 , Fe3 , Sn 4 ), các anion ( NO2 , NO3 , CrO42 , MnO4 , OCl ), các chất khí hoà tan vào
môi trƣờng ăn mòn (O2 , SO2, Cl2).
Ở nhiệt độ cao, sự ăn mòn kim loại xảy ra là do tác dụng hoá học giữa kim loại và
các chất oxi hoá ở dạng khí và còn gọi là sự ăn mòn khô. Các chất khí có tác dụng phá
huỷ kim loại ở nhiệt độ cao: khí O2, hơi nƣớc, khí CO2, khí SO2 v.v...
SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 6


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

Trong quá trình xảy ra sự ăn mòn kim loại, phản ứng oxi hoá khử luôn bao gồm
hai phản ứng riêng biệt gọi là phản ứng riêng phần: phản ứng oxi hoá gọi là phản ứng
riêng phần anôt hay là phản ứng anôt và phản ứng khử gọi là phản ứng catôt. Từ phản
ứng (*) có thể viết:
Fe  Fe2+ + 2e : phản ứng anôt

2H+ + 2e  H2 : phản ứng catôt

Phản ứng chung: Fe + 2H+  Fe2+ + H2
Trong quá trình xảy ra hiện tƣợng ăn mòn điện hoá luôn luôn xuất hiện phản ứng
anôt và phản ứng catôt gắn liền với sự trao đổi electron của phản ứng oxi hoá. Dòng
electron này đƣợc truyền từ anôt sang catôt và sinh ra dòng điện.
1.2. ĂN MÕN HÓA HỌC [1], [5], [6], [9]
1.2.1. Khái niệm về ăn mòn hóa học
Ăn mòn hóa học là quá trình phá hủy kim loại do tác dụng hóa học của nó với môi
trƣờng xung quanh. Ăn mòn hóa học xảy ra khi kim loại tác dụng với chất lỏng không
phân li hoặc khí khô. Đặc điểm của ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn không sinh ra
dòng điện. Sản phẩm ăn mòn tạo thành ngay chỗ kim loại tiếp xúc với môi trƣờng.
1.2.2. Ăn mòn trong môi trƣờng chất lỏng không điện li
Các chất không phải là chất điện li là các chất không phân li thành các ion tự do
trong dung dịch hoặc trạng thái nóng chảy. Ví dụ: brom lỏng, lƣu huỳnh nóng chảy, dung
môi hữu cơ (benzen, tetraclorua cacbon, clorofom...) và các nhiên liệu lỏng (dầu hỏa,
xăng, dầu khoáng...)là các chất không điện li.
Các chất lỏng hữu cơ phần lớn không ăn mòn sắt, hợp kim của sắt. Nhƣng có một
số ăn mòn kim loại màu. Ví dụ: dẫn xuất halogen, hợp chất mecaptan và các hợp chất
chứa lƣu huỳnh.
Các sản phẩm dầu mỏ (dầu hỏa, xăng, dầu khoáng...) là sản phẩm hữu cơ không
điện li, nó gây ăn mòn do lẫn tạp chất, hoặc trong thành phần có chứa hợp chất
hydrocacbon không no, có khả năng bị oxi hóa, các sản phẩm đó sẽ ăn mòn kim loại. Ví

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 7

Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

dụ: xăng cracking trong thành phần có các andehyt, axit, nhựa và các sản phẩm khác rất
dễ bị oxi hóa bởi oxi trong không khí. Chính sản phẩm này gây ra ăn mòn kim loại.
1.2.3. Ăn mòn kim loại trong môi trƣờng khí
1.2.3.1. Khái niệm
Quá trình ăn mòn kim loại do tác dụng hóa học của các chất khí với kim loại gọi là
sự ăn mòn trong môi trƣờng khí. Quá trình ăn mòn khí phổ biến nhất là sự oxi hóa kim
loại trong môi trƣờng không khí ở nhiệt độ cao.
Tốc độ ăn mòn khí phụ thuộc vào tính chất của kim loại và hợp kim, tính chất của
môi trƣờng khí, nhiệt độ, tính chất của sản phẩm ăn mòn.
1.2.3.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn khí
Tốc độ ăn mòn khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhƣng có hai nhân tố
chính: nhân tố bên trong và nhân tố bên ngoài.
Nhân tố bên trong
-

Ảnh hƣởng của thành phần hợp kim. Trong hợp kim có những thành phần bảo vệ

tạo thành màng oxit có tính chất bảo vệ cao cho nên những cấu tử này có thể cho vào
thành phần hợp kim để tạo ra hợp kim bền nhiệt.
-

Ảnh hƣởng của cấu trúc kim loai. Kim loại có cấu trúc càng sít chặt thì càng bền.

-

Ảnh hƣởng biến dạng kim loại chỉ ảnh hƣởng đến giai đoạn đầu của ăn mòn, sau

đó ăn mòn phát triển qua màng oxit nên không thể hiện rõ.
-

Ảnh hƣởng của gia công bề mặt chỉ thể hiện rõ ở giai đoạn đầu của ăn mòn, về sau

không thể hiện rõ.
Nhân tố bên ngoài
-

Ảnh hƣởng của nhiệt độ: Nhiệt độ cao, tốc độ ăn mòn lớn.

-

Ảnh hƣởng thành phần của môi trƣờng khi làm tăng lƣợng oxi trong không khí,

tốc độ oxi hóa tăng theo nhƣng không phải tăng theo qui luật tuyến tính.
-

Ảnh hƣởng của tốc độ không khí. Trong giai đoạn đầu, tốc độ ăn mòn kim loại

tăng theo sự tăng của tốc độ không khí, nhƣng giai đoạn sau không thể hiện rõ..

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 8


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

1.3. ĂN MÕN ĐIỆN HÓA [1], [5], [6], [8], [9]
1.3.1. Khái niệm về ăn mòn điện hóa
Khi nghiên cứu sự làm việc của pin Zn-Cu trong dung dịch điện giải nào đó ta
thấy phía Zn bị mòn dần do hiện tƣợng hòa tan. Nhƣ vậy, Zn đóng vai trò anôt trong pin
Zn - Cu. Các phản ứng điện xảy ra nhƣ sau: Cu 2+ (l) + Zn(r)  Cu(r) + Zn 2+ (l)
Zn / ZnSO4
Quá trình anôt

//
Cầu nối

Zn (r) / Zn2+ (l)

//

CuSO4 / Cu
Quá trinh catôt

Cu2+ (l) / Cu (r)

Trong thực tế, quá trình ăn mòn xảy ra trên cùng một kim loại, nghĩa là trên đó
xảy ra đồng thời quá trình anôt và quá trình catôt, đƣa đến sự phá hủy kim loại. Nhƣ vậy,
trên bề mặt kim loại có rất nhiều catôt, anôt gần nhau tạo thành hệ thống vi pin nhiều cực
ta gọi là ăn mòn điện hóa.
Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn do tác dụng điện hóa học giữa kim loại với
môi trƣờng phản ứng điện hóa, nó tuân theo qui luật động học điện hóa. Đặc điểm của ăn
mòn điện hóa là có phát sinh dòng điện. Ăn mòn điện hóa chỉ xảy ra khi kim loại tiếp xúc
với môi trƣờng điện li.

1.3.2. Điện thế điện cực và cơ cấu ăn mòn điện hóa
1.3.2.1. Điện thế điện cực
Khi nhúng một thanh kim loại vào dung dịch điện li, giữa chúng hình thành lại sự
phân bố điện tích. Trên bề mặt phân chia pha tạo thành lớp điện tích kép.
Trong điều kiện ăn mòn thƣờng gặp thì cation kim loại sẽ chuyển từ mạng lƣới
tinh thể vào dung dịch để lại bề mặt kim loại dƣ electron tạo thành ion hidrat hóa theo
phản ứng: Me + mH2O  Men+ .mH2O + ne
Lƣợng điện tích do các cation kim loại chuyển vào dung dịch trong một đơn vị
thời gian chính là tốc độ quá trình thuận đƣợc thể hiện bằng dòng điện tƣơng ứng i1 . Ta
gọi là quá trình oxi hóa.

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 9


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

Các cation kim loại trong dung dịch chuyển đến bề mặt phân chia pha giữa dung
dịch và kim loại

nhận electron để

trở thành nguyên tử theo phản ứng:

Men+ .mH2O + ne  Me + mH2O , quá trình này ngƣợc với quá trình thứ nhất, tốc độ

của quá trình ngƣợc này là i 2 . Ta gọi đó là quá trình khử.

Khi tốc độ i1 > i 2 , ion kim loại sẽ chuyển ra ngoài dung dịch, quá trình lúc đó là
quá trình oxi hóa: ia = i1 - i 2
Trong trƣờng hợp ngƣợc lại, i 2 > i1 , ion kim loại phóng điện, quá trình lúc đó là
quá trình khử: i k = i 2 - i1
Khi lớp điện tích kép hình thành, đến lúc nào đó thiết lập trạng thái cân bằng động,
quá trình oxi hóa bằng quá trình khử. Khi đó i1 = i 2 = i 0 , ta gọi i 0 là dòng điện trao đổi.
Lớp điện tích kép đƣợc cân bằng giống nhƣ một tụ điện 2 lớp điện tích trái dấu và xuất
hiện một bƣớc nhảy điện thế. Độ chênh lệch điện thế giữa bề mặt kim loại và dung dịch
gọi là điện thế điện cực của kim loại.
Rất khó để xác định đƣợc điện thế điện cực một cách chính xác. Ngƣời ta chỉ xác
định giá trị tƣơng đối điện thế điện cực bằng cách so sánh với điện cực tiêu chuẩn hidro
và qui ƣớc điện thế điện cực tiêu chuẩn của hidro bằng không.
1.3.2.2. Điện thế điện cực thuận nghịch và không thuận nghịch
Khi nhúng một thanh kim loại vào dung dịch chất điện li có khả năng xuất hiện
điện thế điện cực thuận nghịch hoặc không thuận nghịch tùy theo bản chất của kim loại
và dung dịch chất điện li.
Điện thế điện cực thuận nghịch
Khi nhúng một thanh kim loại vào dung dịch muối của nó. Nếu quá trình chỉ có các
cation kim loại tham gia phản ứng, ngoài ra không còn các cation nào khác tham gia vào
quá trình điện cực nữa. Khi thiết lập trạng thái cân bằng động, dòng điện i1 = i 2 = i 0 đƣợc
viết bằng phƣơng trình thuận nghịch sau: Me + mH2O

Men+.mH2 O + ne.

Nhƣ vậy số lƣợng cation hòa tan vào dung dịch bao nhiêu cũng bằng số cation kết
tủa trên bề mặt kim loại. Kết quả là điện cực kim loại không bị ăn mòn

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 10

Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

Điện thế điện cực đƣợc xác định bằng công thức:
φMe = φ0Me +

RT
lga Men+
nF

φ0Me : Điện thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại

Me  Men+ .mH2O

i1

R: Hằng số khí lí tƣởng
T: Nhiệt độ tuyệt đối 0 K

Me  Men+ .mH2O

Kim loại

i2

n: Hóa trị ion kim loại
F: Hằng số Faraday

a Men+ : Hoạt độ ion kim loại trong dung dịch

Sơ đồ thiết lập điện thế
điện cực kim loại thuận
nghịch

Ta gọi đó là điện thế điện cực thuận nghịch

i
m

Điện thế điện cực không thuận nghịch
Điện thế điện cực không thuận nghịch là điện thế xác định trong điều kiện, quá
trình trao đổi ngoài ion kim loại còn có các loại ion khác cũng tham gia quá trình

l
o
ạ
i

trao đổi:
Ví dụ:

Me  Men+ .mH2O

Me + mH2O  Men+ .mH2O + ne

H + H2O

H+.H2O + e

Me  Men+ .mH2O

H  H .H2O
+

H  H+ .H2O

Ta gọi dòng điện thuận nghịch của quá
trình oxi hóa – khử kim loại là I1 và I2. Còn
dòng điện thuận nghịch của quá trình

i1

i2
i1'

i '2

Sơ đồ thiết lập điện thế
điện cực kim loại
không thuận nghịch

n
g
h
ị
c
h

i
m

oxi hóa – khử của hidro là I1' và I'2 .
Khi dòng điện ổn định, tổng các dòng điện thuận bằng

l
o
ạ
i

tổng các dòng điện nghịch.

SVTH: Trương Minh Nhật

t
h
u
ậ
n

Trang 11

t
h
u


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

I1 + I1' = I2 + I'2

Nhƣng vì I1 > I2 nghĩa là số cation kim loại chuyển vào dung dịch trong một đơn vị
thời gian lớn hơn số lƣợng cation kim loại từ dung dịch kết tủa bám vào bề mặt kim loại.
Kết quả là kim loại bị ăn mòn.
Điện thế điện cực không thuận nghịch chỉ có thể xác định bằng phƣơng pháp đo,
không thể tính toán theo phƣơng trình nhiệt động Nerst
Điện thế điện cực không thuận nghịch phụ thuộc vào bản chất hóa học, trạng thái
bề mặt của kim loại, sự hấp phụ nguyên tử, phân tử trên bề mặt kim loại (đặc biệt là oxi
và hidro). Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào bản chất hóa học, nồng độ, nhiệt độ dung dịch.
1.3.2.3. Cơ chế ăn mòn điện hóa
Sự hòa tan điện hóa học kim loại là một quá trình phức tạp bao gồm 3 quá trình:
Quá trình anôt
Quá trình anôt là quá trình xảy ra ở khu vực mà kim loại bị ion hóa và chuyển vào
dung dịch, do đó trên bề mặt kim loại dƣ một lƣợng electron tƣơng ứng. Quá trình xảy ra
theo phƣơng trình:
 mH 2O
ne  Me 
 Men+ .mH2O

Quá trình này kim loại bị mất electron, nó bị oxi hóa.
Quá trình catôt
Quá trình catôt là quá trình xảy ra ở khu vực mà ở đó các ion, nguyên tử hoặc
phân tử của chất điện li nhận electron trên bề mặt kim loại. Ta gọi các ion, nguyên tử,
phân tử đó là chất khử cực. Chất khử cực đã nhận electron dƣ trên bề mặt kim loại theo
phƣơng trình: D + ne   D.ne
Các ion, nguyên tử, phân tử nhận electron đó nó đã bị khử.
Quá trình chuyển electron

Khi hai quá trình điện cực xảy ra đồng thời có sự chuyển electron từ vùng anôt
sang vùng catôt. Trong dung dịch điện li cũng có sự chuyển các cation và anion tƣơng
ứng.
SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 12


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

Nhƣ vậy, quá trình ăn mòn kim loại xảy ra đồng thời với sự xuất hiện dòng điện
giữa hai cực (hai vùng) khác nhau của kim loại. Vùng kim loại bị hòa tan đóng vai trò
cực âm (anôt), vùng kia đóng vai trò cực dƣơng (catôt).
Vùng anôt

Me

+mH2 O

Men+ .mH2O

ne
Vùng catôt

D

 D.ne

ne
Sơ đồ quá trình ăn mòn điện hóa

1.3.3. Động học các quá trình điện cực
1.3.3.1. Hiện tượng phân cực và khử phân cực
Hiện tượng phân cực
Khi nhúng hai thanh kim loại khác nhau vào một dung dịch điện li. Chúng tạo
thành hai điện cực khác nhau φ 0k và φ 0a . Khi nối hai điện cực với nhau bằng một dây dẫn
sẽ có dòng điện chạy qua trong mạch. Điện thế điện cực lúc này lệch khỏi vị trí cân bằng.
Điện thế điện cực anôt dịch chuyển về phía dƣơng. Điện thế điện cực catôt dịch chuyển
về phía âm.
Sự dịch chuyển điện thế ra khỏi trạng thái cân bằng gọi là sự phân cực.
Đường cong phân cực
Để nghiên cứu quá trình điện cực, ngƣời ta thiết lập quan hệ sự phụ thuộc giữa thế
điện cực φ V với mật độ dòng điện I (mA/cm2). Biểu đồ thiết lập sự phụ thuộc của trị số
điện thế điện cực vào mật độ dòng điện ta gọi đó là đƣờng cong phân cực.
Trên hệ tọa độ, trục tung của tọa độ ghi trị số âm của điện thế, trục hoành ghi trị số
mật độ dòng điện. Độ dốc của đƣờng cong phân cực càng lớn độ phân cực càng kín,
ngƣợc lại độ dốc của đƣờng cong phân cực càng nhỏ thì độ phân cực càng nhỏ, nghĩa là
quá trình điện cực xảy ra dễ dàng hơn.

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 13


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

Đƣờng cong phân cƣc có ý nghĩa thực tế để giải thích nhũng định luật cơ bản của
quá trình ăn mòn
Xây dựng đƣờng cong phân cực bằng thực nghiệm là một trong những phƣơng
pháp cơ bản để nghiên cứu cơ cấu của quá trình ăn mòn
φ

φ0A
VA

A

VK

K

φ0K
0

i

i

Trong đó
φ : giá trị âm điện thế điên cực
VA: điện thế điện cực anôt
VK: điện thế điện cực catôt
φ0A : giá trị âm điện thế điên cực anôt
φ0K : giá trị âm điện thế điên cực catôt

Đồ thị đƣờng cong phân cực

1.3.3.2. Phân cực anôt
Quá trình anôt là quá trình hòa tan kim loại, nghĩa là ion kim loại từ mạng lƣới
tinh thể kim loại chuyển vào dung dịch và tạo thành ion hidrat hóa.
Me + mH2O  Men+ .mH2O + ne

Sự phân cực anôt làm cho quá trình anôt tiến hành khó khăn hơn, điện thế anôt
chuyển về phía dƣơng hơn. Nguyên nhân của sự phân cực anôt là:
-

Làm chậm quá trình phản ứng anôt ăn mòn kim loại do phân cực điện hóa học

( Δφa ) đƣợc gọi là quá thế ion hóa kim loại.
-

Làm chậm sự khuếch tán ion kim loại từ bề mặt vào dung dịch đƣa đến sự phân

cực nồng độ ( Δφa )nd. Sự phân cực nồng độ có thể xác định theo phƣơng trình:
(Δφa )nd =

a ' n+
RT
×2,303lg Me
nF
a Men+

Trong đó:
a ' Men+ : Hoạt độ ion kim loại lớp sát bề mặt
a Men+ : Hoạt độ ion kim loại trong dung dịch

SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 14


Luận văn Tốt nghiệp

GVHD: Cô Phan Thị Ngọc M ai

Tạo thành màng thụ động trên anôt: Trong dung dịch điện li có chất oxi hóa,
không có các anion hoạt động nên có khả năng tạo màng bảo vệ làm cho điện thế anôt
chuyển về phía dƣơng hơn.
1.3.3.3. Phân cực catôt
Quá trình catôt là quá trình khử nghĩa là quá trình lấy electron dƣ của các chất khử
nào đó. Kí hiệu là D: D + ne 

 D.ne

Ví dụ:
Do các ion bị khử: H + .H 2O + e 

1
H2 + H2O
2

Ag+ .mH2O + e  Ag + mH2O

Do các phân tử trung tính: O2 + 4e + 2H2O  4OH
Màng không tan: CuO + 2e + H2O  Cu + 2OH
Hợp chất hữu cơ: RO + 2e + 4H+  RH2 + H2O
Nguyên nhân của phân cực catôt:

-

Làm chậm quá trình catôt do phân cực điện hóa gọi là quá thế của phản ứng khử
phân cực catôt. Kí hiệu (ηk )dh

-

Làm chậm quá trình catôt do phân cực nồng độ. Kí hiệu (ηk ) nd . Làm chậm quá
trình catôt do phân cực nồng độ do hai nguyên nhân sau:
+ Khuếch tán chất khử phân cực từ dung dịch đến bề mặt cation chậm
+ Khuếch tán sản phẩm catôt từ bề mặt pha kim loại – dung dịch ra dung dịch

chậm.
1.3.3.4. Sự khử phân cực hidro
Quá trình ăn mòn kim loại mà chất khử phân cực là ion H +, sản phẩm thoát ra ở
catôt là hidro theo phản ứng: H+ .H2O + e 

1
H2 + H2O , gọi là ăn mòn kim loại với sự
2

khử phân cực hidro
Điều kiện môi trƣờng: tiến hành trong môi trƣờng axit
SVTH: Trương Minh Nhật

Trang 15