Giáo trình Ăn mòn kim loại: Phần 2 - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<b>BÀI 3 </b>

<b>ĂN MỊN ĐIỆN HỐ </b>

<b>Mã bài: AMKL 3 </b>

<b>Giới thiệu </b>

Ăn mòn kim loại làm tổn thất khá lớn nền kinh tế, trong đó q trình phá
hủy kim loại do ăn mịn điện hố là chủ yếu. Ăn mịn điện hố là một quá trình
phá hủy kim loại bởi các phản ứng oxy hoá – khử dị thể xảy ra đồng thời trên
bề mặt kim loại theo cơ chế điện hố. Vì vậy nó đƣợc nghiên cứu nhiều và
đƣa ra những phƣơng pháp và thiết bị chống ăn mịn điện hố đem lại hiệu
quả ngày càng lớn.

<b>Mục tiêu thực hiện </b>

Học xong bài này, học viên có khả năng:

Nắm đƣợc ngun nhân gây ra ăn mịn điện hố kim loại.
Nắm đƣợc cơ chế và động học của quá trình ăn mịn điện hố.

Nắm đƣợc những yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ ăn mịn điện hố và
cơ chế ăn mịn điện hố.

Nắm vững và vận dụng các biện pháp thực tế chống lại sự ăn mòn.
Nắm đƣợc ăn mòn của một số kim loại và hợp kim thƣờng gặp ở
các mơi trƣờng khác nhau.

Thực hiện thí nghiệm về ăn mịn điện hố.

<b>Nội dung </b>

<b>1. Những Vấn đề cơ bản về ăn mịn điện hố </b>

Xét sự làm việc cuả 1 pin Cu-Zn trong 1 dung dịch điện ly, ta thấy miếng
kẽm anot mòn dần do hiện tƣợng hồ tan. Nhƣ vậy kẽm đóng vai trị là anot
trong pin Cu – Zn, cịn đồng đóng vai trò là catot.

Anot: Zn - 2e = Zn+2

Catot: 2H+ + 2e = H2

Zn+2/Zn = - 0,76 v

Cu+2/ Cu = 0,34 v

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống pin ăn mịn Cu – Zn.

<b>1.1 Định nghĩa </b>

Ăn mịn điện hố là quá trình phá hủy kim loại do tác dụng điện hố giữa
kim loại và mơi trƣờng.

<b>1.2. Đặc điểm </b>

Xuất hiện dòng điện cục bộ.

Chỉ xảy ra khi kim loại tiếp xúc trong môi trƣờng chất điện ly.

Trong ăn mịn điện hố có 2 q trình xảy ra đồng thời đó là q trình
oxy hố và q trình khử, 2 q trình khơng tiến hành trên cùng 1 chổ. Tốc độ
của q trình ăn mịn kim loại là tổng tốc độ của q trình ăn mịn của nhiều vi

pin cục bộ. Tốc độ của từng vi pin phụ thuộc chủ yếu vào điện thế điện cực.

<b>1.3. Nguyên nhân </b>

Xuất hiện các vùng điện thế khác nhau trên bề mặt kim loại dẫn đến
sự hoạt động của các vi pin, mà vùng có điện thế điện cực âm hơn
là anot (vi anot), vùng có điện thế điện cực dƣơng hơn là catot (vi
catot).

Vai trị của các vùng có thể thay đổi theo thời gian.

Xuất hiện các vùng điện thế khác nhau: do bề mặt không đồng nhất,
do các điều kiện môi trƣờng không đồng nhất.

<b>2. Điện thế điện cực </b>
<b>2.1. Điện thế điện cực </b>

Quá trình ăn mịn kim loại bởi tác dụng điện hố là do khả năng ion kim
loại tách khỏi bề mặt kim loại và chuyển vào dung dịch. Sự chuyển dịch đó địi
hỏi năng lƣợng để thắng lực hút của các của các điện tử trong kim loại. Năng
lƣợng đó là năng lƣợng hố học của q trình hydrat hoá.

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

Khi nhúng thanh kim loại vào chất điện ly thì xảy ra sự tác dụng giữa chất
điện ly và kim loại, kết quả trên giới hạn phân chia giữa 2 pha sẽ xuất hiện lớp
điện tích kép và bƣớc nhảy điện thế gọi là điện thế điện cực. Nguyên nhân
xuất hiện nhƣ sau:

Chuyển cation từ bề mặt kim loại vào dung dịch, trên bề mặt kim loại
dƣ điện tích nên tích điện âm. Giữa các ion kim loại đã tan vào dung
dịch mang điện tích dƣơng và bề mặt kim loại mang điện tích âm có

lực hút tĩnh điện nên thiết lập một hiệu thế, tạo nên lớp điện tích kép.
Nếu trên bề mặt kim loại có thể hấp phụ các cation của dung dịch
làm bề mặt kim loại tích điện dƣơng và các anion dƣ trong dung dịch
thiết lập một hiệu thế, tạo lớp điện tích kép.

Hấp phụ chọn lọc các anion có trong dung dịch hay phân tử lƣỡng
cực.

Do kết hợp 2 nguyên nhân trên, nghĩa là có sự hấp phụ anion, phân
tử có cực hay nguyên tử trên bề mặt kim loại trong điều kiện cation
chuyển từ kim loại vào dung dịch hay dung dịch vào kim loại.

<b>2.2. Điện thế điện cực cân bằng và không cân bằng </b>

Khi nhúng kim loại vào trong chất điện ly có khả năng xuất hiện điện thế
điện cực cân bằng và không cân bằng.

<b>2.2.1. Điện thế điện cực cân bằng </b>

Là điện thế xác định ở trạng thái cân bằng nghĩa là chỉ cùng 1 kim loại ion

trao đổi và tốc độ của quá trình anot và catot bằng nhau (



I



I

), tổn thất kim

loại bằng khơng (ăn mịn kim loại khơng xảy ra). Điện thế điện cực cân bằng
của kim loại có thể đo đƣợc và tính tốn theo phƣơng trình nhiệt động:

n

0

Me TN Me TN _Me

RT

(V )

(V )

lna

nF

(3.1)

Trong đó:

0
Me TN

(V )

: điện thế điện cực chuẩn của kim loại.

R : hằng số khí.

T : nhiệt độ tuyệt đối, 0

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

Hình 3.2: Sơ đồ thiết lập điện thế điện cực cân bằng.

<b>2.2.2. Điện thế điện cực không cân bằng </b>

Là điện thế điện cực đƣợc thiết lập ở trạng thái ổn định mà quá trình
trao đổi ngoài ion kim loại, có các loại ion khác tham gia quá trình trao đổi.
Điện thế điện cực này khơng tính tốn theo phƣơng trình nhiệt động mà chỉ có
thể xác định bằng thực nghiệm.

Điện thế điện cực xác định đƣợc trong điều kiện ổn định là tổng tốc độ

của các quá trình anot bằng tổng tốc độ của quá trình catot (



I

₁



I

₂



I

₁



I

₂) thì

gọi là điện thế ổn định của kim loại. Trong trƣờng hợp này tổn thất kim loại

m

0

: do đó kim loại bị ăn mịn (



I

₁



I

₁).

Hình 3.3: Sơ đồ thiết lập điện thế điện cực không cân bằng.

<b>3. Cơ chế ăn mịn điện hố và khả năng xảy ra ăn mịn điện hố </b>
<b>3.1. Cơ chế ăn mịn điện hố </b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

nhau, chọn 2 vùng không đồng nhất bất kỳ của thanh kim loại nằm sát nhau ta
thấy xảy ra 3 quá trình sau đây:

Quá trình anot: là q trình oxy hố. Trong trƣờng hợp ăn mịn, ion
kim loại từ mạng lƣới tinh thể chuyển ra dung dịch tạo thành ion
hydrat hoá, để lại các điện tử tƣơng ứng. Quá trình này xảy ra trên
vùng anot theo phản ứng:

2
mH O

n n

2

Me .ne

Me .mH O ne

Quá trình catot: là quá trình khử, ở đó các ion, ngun tử, hoặc phân
tử của chất điện ly nhận điện tử trên bề mặt kim loại. Các ion,
nguyên tử hoặc phân tử gọi là chất khử cực. Quá trình này xảy ra
trên vùng catot theo phản ứng sau:

D + ne = [D.ne]

Trong đó : D là chất khử phân cực

Hình 3.4: Sơ đồ ngun tắc q trình ăn mịn điện hố.

Khi 2 q trình điện cực xảy ra thì đồng thời có sự chuyển động của
điện tử từ vùng anod đến vùng catot, trong dung dịch điện ly cũng có
sự dịch chuyển của cation và anion tƣơng ứng.

Thí dụ: q trình ăn mịn điện hố của các nguyên tố ganvanic Cu – Fe
và Zn – Fe theo hình vẽ sau đây:

Các điện tử dƣ của kim loại từ vùng anot chuyển đều vùng catot để bù
vào số điện tử của vùng này bị mất đi do chất khử cực D phản ứng.Kim loại
vùng cực dƣơng tiếp tục tan ra thì dịng điện tồn tại.

Nhƣ vậy quá trình ăn mịn kim loại xảy ra đồng thời với sự xuất hiện dòng
điện giữa 2 vùng khác nhau của thanh kim loại. Vùng kim loại bị hồ tan đóng

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

trên gọi là ngun tố ganvanic (pin). Q trình ăn mịn điện hố chính là q
trình làm việc của các ngun tố ganvanic (ngun tố vi pin).

Hình 3.5: Ăn mịn điện hoá giữa các cặp nguyên tố kim loại Cu – Fe và
Zn – Fe

<b>3.2. Khả năng xảy ra q trình ăn mịn điện hố </b>

Trong q trình ăn mịn điện hố, muốn cho các q trình điện cực xảy ra

thì điều kiện là biến thiên năng lƣợng tự do của hệ

G

_T

0

.

T T

G

nE F

(3.2)

Trong đó :

T

G

: biến thiên năng lƣợng tự do của q trình ăn mịn.

n: số đƣơng lƣợng gam.
F: số faraday.

ET: sức điện động của nguyên tố ăn mòn thuận nghịch.

ET = (VK)TN - (VA)TN (3.3)

+ (VK)TN: thế điện cực thuận nghịch của điện cực catot ở điều

kiện làm việc.

+ (VA)TN: thế điện cực thuận nghịch của điện cực anot ở điều kiện

làm việc.

Để q trình ăn mịn xảy ra thì ET > 0 (do n > 0, F > 0). Từ điều kiện này

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

Hình 3.6: Sơ đồ ăn mòn pin Cu - Zn

<b>4. Hiện tƣợng phân cực và khử phân cực </b>
<b>4.1. Hiện tƣợng phân cực </b>

Nhúng 2 thanh kim loại khác nhau (ví dụ gồm thanh đồng và thanh kẽm)
vào 1 dung dịch điện ly (dung dịch NaCl). Đo điện thế điện cực của mỗi kim
loại khi hở mạch ta có:

0
K

V

: điện thế của đồng (điện cực catot).

0
A

V

: điện thế của kẽm (điện cực anot).

Khi nối 2 cực bằng dây dẫn thì sẽ có dịng điện chạy từ cực dƣơng sang
cực âm. Theo định luật ơm, cƣờng độ dịng điện sau khi đóng mạch:

0 0
K A
M

V

V

I

R

(3.4)

R: điện trở của mạch

Sau khi đóng mạch, cƣờng độ dòng điện giảm từ

I

_M

I

. Do điện trở

trong khơng thay đổi, dịng điện bé hơn chỉ có thể do điện thế điện cực thay
đổi

Điện thế catot 0

K

V

giảm xuống VK

Điện thế anot 0

A

V

tăng lên VA

K A
M

V

V

I

I

R

0

K K K

V

V

V

: đại lƣợng phân cực catot.

0

A A A

</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

Hình 3.7: Biểu đồ đƣờng cong phân cực

Vậy phân cực anot là sự chuyển điện thế anod về phía dƣơng hơn khi có
dịng điện anot. Phân cực catot là sự chuyển điện thế catot về phía âm hơn
khi có dịng điện catot.

<b>4.2. Hiện tƣợng khử phân cực </b>

Những quá trình làm giảm sự phân cực anot và catot, làm cho quá trình
anot và catot tiến hành dễ dàng hơn gọi là sự khử phân cực anot hay catot.

<b>5. Phân cực anot - phân cực catot </b>
<b>5.1. Phân cực anot</b>

Là hiện tƣợng dịch chuyển của điện thế anot về phía dƣơng hơn làm cho
q trình anot xảy ra khó khăn hơn. Ngun nhân:

Do tốc độ phản ứng ở anod chậm

2
mH O

n n

2

Me .ne

Me .mH O ne

Lúc này ion kim loại bị hydrat rồi chuyển vào dung dịch, điện tử
chuyển sang vùng catot, nhƣng tốc độ chuyển động điện tử sang

vùng catot lớn hơn tốc độ của ion kim loại chuyển vào dung dịch.

Kết quả bề mặt điện cực anot tích điện dƣơng, do vậy điện thế anot
có trị số dƣơng hơn.

Do khuếch tán ion kim loại từ bề mặt vùng anot vào dung dịch chậm,
làm giảm quá trình ion hố kim loại ở điện cực, kết quả làm cho điện
thế anot chuyển về phía dƣơng hơn. Nguyên nhân này còn gọi là
phân cực nồng độ, và có thể xác định theo phƣơng trình:

n

n

Me
A nd

Me

a

RT

( V )

ln

nF

a

(3.5)

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9>

n

Me

a

: hoạt độ của ion kim loại ở sát bề mặt.

n

Me

a

: hoạt độ của ion kim loại trong dung dịch.

Tạo thành màng thụ động khi trong dung dịch có chứa các chất oxi

hố và khơng có anion hoạt động (F

-, Cl-, I-) ngăn cản q trình ion

hố kim loại.

<b>5.2. Phân cực catot </b>

Là sự chuyển thế điện cực catot về phía âm hơn khi có dịng điện catot,
ngăn cản q trình catot:

D + ne D.ne

Q trình khử phân cực catot ăn mịn điện hố có thể thực hiện bởi các
loại chất khử phân cực sau:

Ví dụ:

H+.H2O + e = H + H2O = 2

1

H

2

+ H2O

S2O8-2 + 2e = S2O8-4 = 2SO4-2

O2 + 2e + 2H2O = 4OH

-Cl2 + 2e = 2Cl

-Fe3O4 + 2e + H2O = 3FeO + 2OH

-Nguyên nhân:

Do tốc độ phản ứng khử ở catot chậm, có nghĩa là tốc độ phản ứng
của chất khử cực nhận điện tử chậm hơn tốc độ điện tử từ vùng
anot chuyển sang catot, kết quả bề mặt điện cực catot tích điện âm
làm cho điện thế điện cực chuyển về phía âm hơn.

Do tốc độ chuyển động của chất khử cực D đến bề mặt catot chậm
hoặc do sự khuếch tán sản phẩm phản ứng khử từ bề mặt điện cực
vào sâu trong dung dịch giảm. Kết quả bề mặt điện cực catod dƣ
điện tích âm do đó điện thế điện cực catot chuyển về phía âm hơn.

<b>6. Ăn mòn khử phân cực hyđro và khử phân cực oxy </b>
<b>6.1. Ăn mòn khử phân cực Hyđro </b>

<b>6.1.1. Ăn mòn khử phân cực hyđro và khả năng nhiệt động của nó </b>

Q trình ăn mịn kim loại có khí H2 thốt ra do khử phân cực catot gọi là

q trình ăn mịn khử phân cực hyđro.

H+.H2O + e = H + H2O = 2

1

H

</div>
<span class='text_page_counter'>(10)</span><div class='page_container' data-page=10>

Điều kiện xảy ra: (VMe)TN <

(V )

H₂ TN

1

2 2 ₂

2

0 H

H TN H TN

H

a

RT

(V )

(V )

ln

nF

_P

(3.6)

Trong đó:

2

0
H TN

(V )

= 0: điện thế tiêu chuẩn của điện cực hyđro.

H

a

: hoạt độ của ion H+

.

2

H

P

: áp suất riêng phần của H2.

<b>6.1.2. Quá trình khử phân cực hyđro </b>

Chia làm các giai đoạn sau:

Các ion H+ hyđrat hóa (H+.H2O), khuếch tán đến bề mặt catot.

Ở catot các ion H+

.H2O bị khử thành nguyên tử H có khả năng hấp

phụ trên bề mặt kim loại.

Một phần nguyên tử hyđro khuếch tán vào bề mặt kim loại vùng
catot.

Phần lớn nguyên tử hyđro kết hợp tạo phân tử H2.

Hhp + Hhp = H2

Các phân tử hyđro khuếch tán vào dung dịch, sau đó khuếch tán ra
khơng khí.

Các phân tử hyđro trên bề mặt catot tập hợp tạo thành bọt khí và

thoát khỏi bề mặt kim loại.

</div>
<span class='text_page_counter'>(11)</span><div class='page_container' data-page=11>

<b>6.2. Ăn mòn khử phân cực oxy </b>

<b>6.2.1. Ăn mòn khử phân cực oxy và khả năng nhiệt động của nó </b>

Q trình ăn mịn kim loại mà phản ứng khử phân cực catot do ion hóa
oxy:

O2 + 4e + 2H2O 4OH-

Dạng q trình ăn mịn này rất phổ biến trong thực tế, nó thƣờng xảy ra
trong mơi trƣờng điện ly trung tính: nƣớc biển, nƣớc sơng, trong đất hay trong
môi trƣờng axit hoặc kiềm yếu.

Điều kiện để xảy ra: (VMe)TN <

(V )

_O₂ _TN.

2

2 2

O
0

O TN O 4

OH

P

RT

(V )

V

ln

4F

a

(3.7)

Trong đó:

2

0
O

V

: điện thế tiêu chuẩn của điện cực của oxy.

2

O

P

: áp suất riêng phần của oxy.

OH

a

: hoạt độ của ion OH

-.

Hình 3.9: Sơ đồ quá trình catot khử phân cực oxy.

<b>6.2.2. Quá trình khử phân cực oxy </b>

Quá trình khử phân cực oxy gồm các giai đoạn sau:

</div>
<span class='text_page_counter'>(12)</span><div class='page_container' data-page=12>

Chuyển oxy qua lớp khuếch tán của chất điện giải, lớp chất lỏng này
có chiều dày , không chuyển động và nằm sát điện cực catot.
Ion hóa oxy

Trong mơi trƣờng trung tính và kiềm:

O2 + 4e + 2H2O = 4OH-.

Trong môi trƣờng axit:

O2 + 4e + 4H+ = 2H2O.

Khuếch tán ion OH-_{từ bề mặt catod vào dung dịch.}

<b>7. Xem xét quá trình ăn mòn bằng biểu đồ ăn mòn </b>

Từ biểu đồ phân cực ăn mịn của hệ thống, ta có thể xác định đƣợc tốc
độ ăn mịn điện hóa, phân tích q trình ăn mịn điện hóa, nghiên cứu đặc tính
ăn mòn và đề ra các phƣơng pháp bảo vệ một cách có hiệu quả.

<b>7.1. Xác định tốc độ ăn mịn điện hóa theo biểu đồ ăn mịn </b>

Phƣơng pháp này cịn gọi là phƣơng pháp điện hóa. Ở phƣơng pháp này
ta có thể tính đƣợc độ tổn thất kim loại trong q trình ăn mịn và tốc độ ăn

mòn.<b> </b>

Độ tổn thất kim loại bị ăn mòn ở anod đƣợc xác định theo định luật
Farađay:

A.q

A.I.

m

n.F

n.F

(3.8)

Trong đó:

m

: khối lƣợng kim loại bị ăn mịn (g).

A: nguyên tử gam của kim loại (g).

Q: điện lƣợng chạy từ anot sang catot (C).
I: cƣờng độ dòng điện ăn mòn (A)

: thời gian (s).

N: hóa trị của kim loại trong q trình ăn mịn.
F: hằng số Faraday (F = 96500 C = 96500 A.s).

Tốc độ ăn mòn điện hoá đƣợc xác định bằng khối lƣợng kim loại bị ăn
mịn trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.

m A

A A A

m

A.I.

A.I

A

K

.i

S .

nF. .S

nF.S

nF

(g/m

2

.s). (3.9)

Với _A

A

I

i

</div>
<span class='text_page_counter'>(13)</span><div class='page_container' data-page=13>

Km: tốc độ ăn mịn điện hóa (g/m2.s).

iA: mật độ dịng điện anot (A/m2).

SA: diện tích điện cực anod (m2).

<b>7.2. Phân tích q trình ăn mịn theo biểu đồ ăn mòn </b>

Trị số dòng điện ăn mòn đƣợc xác định:

K A

V

V

I

R

(3.10)

Trong đó:

0

K K K

V

V

V

0

A A A

V

V

V

Khi mật độ dịng điện i rất nhỏ thì trị số phân cực phụ thuộc vào mật độ
dòng điện theo quan hệ:

A 1 A

V

k .i

_A

A

I

(i

)

S

.

K 2 K

V

k .i

_K

K

I

(i

)

S

.

Thay vào (3.10) ta có:

0 0 0 0

K A K A

1 2 _A _K

A K

V

V

V

V

I

k

k

_R

_P

_P

R

S

S

(3.11)
Trong đó:
1
A
A

k

P

S

;

2
K
K

k

P

S

.

PA: độ phân cực riêng của anot.

PK: độ phân cực riêng của catot.

Sức điện động E hệ thống ăn mịn điện hóa bị giảm do khắc phục 3 trở

lực: điện thế rơi

V

_R, đại lƣợng phân cực anot

V

_A, đại lƣợng phân cực catot

K

V

. Biểu diễn mức độ khống chế của các thành phần trở lực so với trở lực

chung của hệ thống:

A A A

A 0 0

A K R A K K A

P

V

V

C

R P

P

V

V

V

V

V

. (3.12)

K K K

K 0 0

P

V

V

C

</div>
<span class='text_page_counter'>(14)</span><div class='page_container' data-page=14>

R R R

R 0 0

A K R A K K A

P

V

V

C

R P

P

V

V

V

V

V

. (3.14)

Trong đó:

CA: mức độ khống chế của anot.

CK: mức độ khống chế của catot.

CR: mức độ khống chế điện trở của mạch ngồi.

Khi hệ thống ăn mịn hồn tồn phân cực thì CR = 0, khi đó dòng điện ăn

mòn là cực đại:

0 0 0 0

K A K A

max

1 2
A K

A K

V

V

V

V

I

k

k

P

P

S

S

. (3.15)

Căn cứ biểu thức trên ta thấy trị số dòng điện ăn mịn trong hệ thống

phân cực hồn tồn Imax có thể thay đổi sức điện động của hệ thống hoặc thay

đổi độ phân cực.

</div>
<span class='text_page_counter'>(15)</span><div class='page_container' data-page=15>

Hình 3.10: Biểu đồ ăn mòn biểu diễn sự thay đổi dòng điện ăn mòn phụ thuộc
vào các yếu tố khống chế quá trình.

a: thay đổi sức điện động của hệ thống nhờ thay đổi điện cực anot.
b: thay đổi sức điện động của hệ thống nhờ thay đổi điện cực catot.
c: thay đổi sức điện động của hệ thống nhờ thay đổi độ phân cực catot.
d: thay đổi sức điện động của hệ thống nhờ thay đổi độ phân cực anot.
e: thay đổi đồng thời độ phân cực anot và catot nhƣng giữ nguyên sức

điện động của hệ thống.

<b>8. Hiện tƣợng thụ động - khử thụ động </b>
<b>8.1. Hiện tƣợng thụ động kim loại </b>

Khảo sát thí nghiệm: nhúng thanh sắt vào dung dịch HNO3. Giữ nhiệt độ

</div>
<span class='text_page_counter'>(16)</span><div class='page_container' data-page=16>

Hình 3.11: Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc của tốc độ ăn mịn sắt vào nơng độ

HNO3.

Từ biểu đồ cho ta thấy khi tăng nồng độ HNO3 thì tốc độ ăn mòn tăng

dần và đạt giá trị cực đại ở nồng độ 35% HNO3. Sau đó nếu tăng nồng độ axit

thì tốc độ ăn mòn giảm xuống đến gia trị rất nhỏ. Nhƣ vậy sắt đã bị thụ động
hóa.

Hiện tƣợng thụ động kim loại: là trạng thái khi bề mặt kim loại tiếp xúc
môi trƣờng xâm thực tạo thành màng hay lớp hấp thụ ngăn cản q trình anot
hịa tan kim loại.

Chú ý: Khơng phải mọi qúa trình làm chậm ăn mịn đều là q trình thụ

động hóa.

Ví dụ: Au, Pt bền trong môi trƣờng xâm thực là do độ bền nhiệt động của
bản thân kim loại chứ không phải do thụ động hóa.

Khi kim loại bị thụ động hóa có hai đặc điểm sau:

Tốc độ ăn mòn của kim loại giảm đi rất nhanh.

Điện thế điện cực của kim loại phải chuyển về trị số dƣơng hơn.
Ví dụ:

Fe: -0,2 -0,5 v +0,5 +1,0 v.

Cr: -0,4 -0,6 v +0,9 v.

Sự thụ động của kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Bản chất kim loại : những kim loại thuộc chu kỳ IV, VI, VIII ở dãy 1
dễ thụ động.

Tính chất của môi trƣờng: nồng độ của dung dịch, loại ion trong

dung dịch, trạng thái hoạt động của dung dịch, nhiệt độ của dung
dịch. Những chất dễ làm cho kim loại bị thụ động là những chất oxy

hoá mạnh: NaNO3, NaNO2, K2Cr2O7, KMnO4, KClO3.

<b>8.2. Hiện tƣợng khử thụ động - Sự hoạt hóa: </b>

Khi kim loại đã bị thụ động hóa, nếu thay đổi các điều kiện chẳng hạn
nhƣ: thành phần dung dịch, nhiệt độ dung dịch thì có thể làm mất trạng thái
thụ động. Hiện tƣợng đó gọi là sự khử thụ động.

Các yếu tố khử thụ động:

</div>
<span class='text_page_counter'>(17)</span><div class='page_container' data-page=17>

Đƣa các chất khử vào để khử màng thụ động, làm mất màng thụ
động làm cho kim loại bị hòa tan.

Đƣa các ion hoạt động vào dung dịch: H+

, Cl-, Br-, I- để phá hủy
màng thụ động.

Phá hủy màng do tác nhân cơ học.

<b>9. Các thuyết về trạng thái thụ động của kim loại </b>

Để giải thích hiện tƣợng thụ động của kim loại, ngƣời ta đƣa ra nhiều
thuyết khác nhau, nhƣng có hai thuyết chính: thuyết màng và thuyết hấp phụ.

<b>9.1. Thuyết màng </b>

Kim loại ăn mòn do phản ứng ở vùng anot:

Me + mH2O Me+n.mH2O + ne

Khi kim loại bị thụ động thì quá trình anot trên khơng xảy ra do hình thành
màng bảo vệ trên bề mặt của nó. Màng mỏng này mỏng và khơng nhìn thấy
đƣợc, đó là sản phẩm giữa sự tác dụng kim loại với môi trƣờng thƣờng ở
dạng oxyt hay hyđroxyt kim loại:

mMe + m.nOH- = Mem(OH)m.n + m.ne

m m.n 2
2

m.n

mMe

m.nOH

Me O

H O

m.ne

2

Màng hình thành này bao phủ tồn bộ bề mặt kim loại hoặc một số vùng
hoạt động của kim loại. phần màng phủ này lúc này đóng vai trị là catot, cịn
bề mặt kim loại chƣa bị bao phủ đóng vai trị là anot. Do diện tích anot giảm,

nên mật độ dịng anot tăng ( _A

A

I

i

S

) dẫn đến các nguyên tử kim loại ở anot

bị oxi hóa mạnh, tạo thành ion hóa trị cao. Trong điều kiện của mơi trƣờng ăn
mịn sẽ tạo sản phẩm dạng oxyt hố trị cao, khơng hịa tan và có tính chất bảo
vệ.

<b>9.2. Thuyết hấp phụ </b>

<b>9.2.1. Quan điểm hóa học </b>

Bề mặt kim loại hấp phụ lớp đơn phân tử oxi, lớp phân tử chất oxi hóa.
Lớp hấp phụ đơn phân tử này bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại hoặc chỉ
những vùng hoạt động nhất.

</div>
<span class='text_page_counter'>(18)</span><div class='page_container' data-page=18>

lớp hợp chất đó ở điều kiện thông thƣờng, thƣờing là độ bền hóa học cao
hơn.

Ví dụ: Sắt thụ động trong dung dịch kiềm do lớp đơn phân tử oxi hấp phụ
trên bề mặt nhƣng màng oxyt thƣờng có thể hịa tan trong dung dịch đó.

<b>9.2.2. Theo quan điểm điện hóa </b>

Lớp oxi hấp thụ trên bề mặt kim loại sẽ nhận điện tử từ bề mặt kim loại
trở thành ion lƣỡng cực, khi đó đầu dƣơng sẽ hƣớng vào kim loại, đầu âm sẽ
quay ra ngồi. Lúc này lớp điện tích kép thay đổi, điện thế điện cực chung của
kim loại sẽ chuyển về phía dƣơng hơn. Cơng để thốt kim loại tăng, khuynh

hƣớng chuyển ion vào dung dịch giảm.

<b>10. Các yếu tố ảnh hƣởng tới tốc độ ăn mịn điện hóa </b>

Có 2 yếu tố chính:

Yếu tố bên trong thuộc về kim loại.

Yếu tố bên ngoài thuộc về mơi trƣờng ăn mịn.

<b>10.1. Các yếu tố bên trong </b>

<b>10.1.1. Độ bền nhiệt động của kim loại </b>

Để q trình ăn mịn có khả năng tự xảy ra khi

G

_T

0

(

G

_T= -nETF).

Lúc này điều kiện ăn mòn xảy ra khi ET > 0, mà ET phụ thuộc vào bản chất của

kim loại.
Ví dụ:

Mơi trƣờng trung tính

2

0
H

V

= -0,41v. Những kim loại nào có điện thế

cực âm hơn sẽ bị hịa tan (ăn mịn) trong mơi trƣờng trung tính. 0

Zn

V

,

0
Al

V

,

V

_K0,

V

_Na0 <

2

0
H

V

, những kim loại Zn, K, Al, Na…bị hòa tan trong

mơi trƣờng trung tính. Ag, Cu, Hg khơng bị hịa tan.
Mơi trƣờng axit (khử phân cực hydro),

2

0
H

V

= 0,00v;

V

_Fe0 = -0,44v;

0
Zn

V

= -0,76v; những kim loại Fe, Zn bị hòa tan. Những kim loại có

điện thế dƣơng hơn so với

2

0
H

V

sẽ khơng hịa tan nhƣ Cu, Ag…

<b>10.1.2. Vị trí của kim loại trong bảng tuần hoàn: </b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(19)</span><div class='page_container' data-page=19>

tử, tính chất bền ăn mòn của các nguyên tố cũng tuân theo định luật tuần
hồn và liên quan vị trí của nó trong bảng tuần hồn.

Những kim loại thuộc phân nhóm 1A, 2A độ bền kém, ăn mòn cao, các

kim loại thuộc chu kỳ 4, 5, 6 và phân nhóm phụ IVB, VIB, VIIIB thì độ bền nhiệt

động của kim loại tăng, đặc biệt các kim loại chuyển tiếp (Os, Ir, Pt) và nhóm

IB (Cu, Ag, Au) là các kim loại chịu ăn mòn tốt hơn cả.

<b>10.1.3. Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim </b>

Các chi tiết máy móc thiết bị trong thực tế thƣờng dùng bằng hợp kim,
còn các kim loại ngun chất rất ít dùng. Do đó độ bền ăn mịn điện hố của
hợp kim khơng những phụ thuộc vào thành phần hố học mà cịn phụ thuộc
vào cấu trúc của nó. Ngƣời ta thƣờng dùng các kim loại dễ bị thụ động hoá

làm các nguyên tố hợp kim để tạo các hợp kim sử dụng trong kỹ thuật chống
ăn mòn nhƣ Cu, Ni, Si, V… Hợp kim đƣợc chia thành 2 loại: hợp kim đơn pha
và hợp kim nhiều pha.

Hợp kim nhiều pha: đƣợc tạo thành do các kim loại ở trạng thái rắn
kết tinh thành các pha có thành phần hố học và tính chất vật lý
khác nhau. Theo quan điểm ăn mòn điện hố, độ bền ăn mịn của
hợp kim nhiều pha sẽ phụ thuộc vào sự hoạt động của hệ thống
nhiều điện cực, nói chung hợp kim này ít bền. Một số trƣờng hợp
bền ăn mòn cao nhƣ đồng Silic.

Hợp kim đơn pha: có thể là hợp kim ở dạng dung dịch rắn hay hợp
chất hoá học. Hợp kim đơn pha ở dạng đơn chất hố học ít đƣợc
sử dụng vì dịn và tính cơng nghệ kém. Hợp kim là dung dịch rắn
dùng phổ biến để chế tạo các thiết bị máy móc chống ăn mịn. Dung
dịch rắn này có 2 loại, loại dung dịch rắn lẩn và dung dịch rắn thế,
nhƣng nhiều trƣờng hợp do nâng cao tính đồng nhất về cấu tạo chủ
yếu là tạo thành dung dịch rắn thế.

<b>10.1.4. Đặc tính của ứng suất </b>

Ứng suất hoặc biến dạng trong kim loại có thể xuất hiện trong q trình
gia cơng chƣa khử bỏ đƣợc hoặc xuất hiện trong q trình làm việc của máy
móc thiết bị. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào trạng thái ứnh suất, đặc tính biến
đổi của ứng suất (tải trọng động).

</div>
<span class='text_page_counter'>(20)</span><div class='page_container' data-page=20>

huỷ, tạo nên những vết nứt có thể nằm ở đƣờng biên tinh thể, vết nứt tiếp tục
phát triển thành khe nứt. Trong khe nứt lại dễ dàng hấp phụ các chất có hoạt
tính ăn mịn cao làm khe nứt phát triển nhanh hơn đến khi phá hủy kết cấu
kim loại. Để tránh nguy cơ nứt nẻ do ăn mòn, ngƣời ta dùng các biện pháp

sau:

Sử dụng các thép có hàm lƣợng cacbon thấp < 0,2%.
Ủ để khử ứng suất cịn dƣ sau gia cơng.

Xử lý môi trƣờng
Bao phủ bảo vệ.

Dùng chất làm chậm ăn mịn.
Bảo vệ bằng điện hố.

Đặc tính biến đổi của ứng suất (tải trọng động): Khi chịu tác dụng của tải
trọng động thì kim loại bị mỏi. Nếu ứng suất vƣợt quá giới hạn mỏi thì trên bề
mặt kim loại sẽ xuất hiện vết nứt. Dƣới tác dụng của ứng suất biến đổi sẽ tạo
các khe nứt nhỏ trên bề mặt kim loại làm phá huỷ kim loại một cách nhanh
chóng, chứ khơng phải làm tăng tốc độ ăn mịn nói chung. Đó chính là dạng
phá huỷ do ăn mòn các chi tiết máy làm việc chịu tác dụng đồng thời của ứng
suất biến đổi và của môi trƣờng ăn mòn: trục khuấy, trục bơm, cánh bơm,
tuabin.

<b>10.1.5. Trạng thái bề mặt của kim loại </b>

Khi bề mặt kim loại đƣợc gia cơng phẳng và đánh bóng thì nâng cao độ
bền ăn mòn do khả năng tạo thành màng thụ động nhanh chóng hơn, đồng

nhất hơn. Vì khi bề mặt kim loại nhẵn bóng thì hơi nƣớc khó ngƣng tụ, các

chất ăn mịn khác khó bám đọng, làm giảm diện tích tiếp xúc giữa mơi trƣờng
và bề mặt kim loại.

<b>10.2. Các yếu tố bên ngoài </b>
<b>10.2.1. Ảnh hƣởng của pH </b>

Ảnh hƣởng trực tiếp: độ pH ảnh hƣởng trực tiếp đến tốc độ ăn mịn điện

hố khi ion H+ hoặc ion OH- trực tiếp tham gia vào quá trình điện cực . Khi

thay đổi pH thì điện thế điện cực oxy và hydro thay đổi. Kết quả quá trình ăn
mòn khử phân cực oxy và khử phân cực hydro thay đổi.

</div>

<!--links-->