Coroziune

Coroziunea este degradarea unui material prin reacții cu mediul. Fierul ruginește în prezența apei și oxigenului; rugina se reprezintă prin $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3\cdot \mathrm{n}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ și conține oxizi și hidroxizi hidratați ai fierului. Zonele suprafeței devin anodice și catodice: fierul se oxidează, iar oxigenul dizolvat se reduce. Vopseaua izolează fierul numai cât timp stratul rămâne intact. Tabla zincată rezistă și după o zgârietură, deoarece zincul, mai activ decât fierul, se oxidează sacrificial. La tabla cositorită, staniul este mai puțin activ decât fierul: dacă stratul de Sn este zgâriat, fierul expus se corodează mai repede. Oțelul inoxidabil rezistă prin pelicula pasivă de oxid de crom.

Coroziunea chimică are loc prin contact direct cu gaze uscate la temperatură ridicată, de exemplu înnegrirea fierului încălzit în aer. Coroziunea electrochimică, cea mai răspândită, cere un electrolit, adică apă cu săruri sau acizi dizolvați. Pe suprafața unui metal impur apar microcelule galvanice: zonele anodice cedează electroni, zonele catodice îi primesc.

La o zonă anodică, semireacția este $\mathrm{Fe}\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$. În apă aerată, la zona catodică are loc ${\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4{\mathrm{e}}^{-}\to 4H{\mathrm{O}}^{-}$. În mediu acid se reduce în schimb ionul ${\mathrm{H}}^{+}$, cu degajare de hidrogen. Un metal aflat în contact cu altul mai puțin activ devine anod și se corodează mai repede, fiindcă împreună formează o pilă galvanică; în ea, metalul cu potențial de electrod mai mic este anodul.

Exemplul 1: ruginirea fierului în apă aerată.

1. Anodul: fierul se oxidează, iar ecuația se înmulțește cu $2$ pentru a ceda $4$ electroni: $2Fe\to 2F{\mathrm{e}}^{2+}+4{\mathrm{e}}^{-}$.
2. Catodul: ${\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4{\mathrm{e}}^{-}\to 4H{\mathrm{O}}^{-}$.
3. Adunăm și combinăm ionii: $2Fe+{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2Fe(\mathrm{OH}{)}_2$.
4. Hidroxidul de fier(II) se oxidează cu oxigenul din aer: $4Fe(\mathrm{OH}{)}_2+{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 4Fe(\mathrm{OH}{)}_3$.
5. $\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}{)}_3$ pierde parțial apă și formează rugina brună hidratată, $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3\cdot \mathrm{n}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, poroasă și friabilă; apa și aerul ajung la fierul de dedesubt, iar coroziunea continuă.

Exemplul 2: două table de oțel zgâriate până la fier, una zincată și una cositorită, în aer umed. Potențialele de electrod sunt $-0,76$ V pentru $\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}/Zn$, $-0,44$ V pentru $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}/Fe$ și $-0,14$ V pentru $\mathrm{S}{\mathrm{n}}^{2+}/Sn$.

1. Tabla zincată: zincul are potențialul cel mai mic, deci este anodul: $\mathrm{Zn}\to \mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$. Oxigenul se reduce pe fier, care rămâne neatacat până la consumarea zincului.
2. Tabla cositorită: fierul are potențialul mai mic decât staniul, deci fierul devine anodul și se oxidează, iar staniul este catodul. Zgârietura grăbește coroziunea fierului, care se corodează mai repede decât fierul neacoperit.

Coroziunea se accelerează în prezența sării de pe drumuri, în apa de mare și în ploaia acidă, deoarece electrolitul conduce mai bine. Alte metale se corodează diferit: cuprul se acoperă în aer umed cu patina verde $\mathrm{C}{\mathrm{u}}_2(\mathrm{OH}{)}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$, care aderă strâns și îl protejează; argintul se înnegrește prin formarea $\mathrm{A}{\mathrm{g}}_2\mathrm{S}$ cu hidrogenul sulfurat din aer.

Protecția anticorosivă folosește patru căi:

• bariere de acoperire: vopsire, ungere, emailare, acoperirea cu un alt metal (zincare, nichelare, cromare);
• protecția cu anod de sacrificiu: o bucată de magneziu sau de zinc legată electric de o conductă de oțel sau de carena unei nave se oxidează în locul fierului;
• aliaje rezistente: oțelul inoxidabil conține cel puțin $10,5\%$ crom (cele austenitice conțin și nichel) și se acoperă cu un strat compact de oxid de crom, adică se pasivează; aluminiul este protejat de pelicula sa subțire de $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2{\mathrm{O}}_3$;
• modificarea mediului: uscarea aerului din ambalaje sau adăugarea unor inhibitori de coroziune în soluții.

Un cui de fier cu masa de $5,6$ g ruginește complet până la $\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}{)}_3$. Care este volumul de oxigen (c.n.) consumat și masa de produs?

1. $n(\mathrm{Fe})=5,6/56=0,10$ mol.
2. Ecuația globală este $4Fe+3{\mathrm{O}}_2+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 4Fe(\mathrm{OH}{)}_3$.
3. $n({\mathrm{O}}_2)=0,10\cdot 3/4=0,075$ mol, deci $V=0,075\cdot 22,4=1,68$ L.
4. $M(\mathrm{Fe}(\mathrm{OH}{)}_3)=56+3\cdot 17=107$ g/mol, deci $m=0,10\cdot 107=10,7$ g.

O conductă de oțel îngropată este legată de un anod de magneziu. În intervalul în care prin circuit trece o sarcină echivalentă cu $0,50$ mol de electroni, se consumă magneziu după semireacția $\mathrm{Mg}\to \mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$.

1. $n(\mathrm{Mg})=0,50/2=0,25$ mol.
2. $m(\mathrm{Mg})=0,25\cdot 24=6,0$ g.
3. Un anod de zinc ar pierde în aceleași condiții $0,25\cdot 65=16,25$ g, adică o masă mai mare de metal pentru aceeași sarcină, deoarece $M(\mathrm{Zn})>M(\mathrm{Mg})$.

Tip complement grupat: o tablă de fier acoperită cu staniu este zgâriată și ajunge în aer umed.

1. Fierul devine anod.
2. Staniul devine catod.
3. Fierul se corodează mai repede decât fără acoperire.
4. Staniul se oxidează înaintea fierului.

Variante:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Răspuns corect: A. Staniul are potențialul de electrod ($-0,14$ V) mai mare decât fierul ($-0,44$ V), deci în pila formată în zgârietură fierul este anodul și se oxidează, iar staniul este catodul. Afirmația 4 este falsă: staniul nu se oxidează înaintea fierului. Același raționament, aplicat unei table zincate, schimbă rolurile: anod este zincul.

În problemele de coroziune compară întâi potențialele celor două metale în contact; metalul cu potențialul cel mai mic este anodul și se consumă. În mediu umed cu săruri dizolvate, conductibilitatea soluției este mai mare, iar coroziunea electrochimică se accelerează.

Greșeli frecvente

• Greșit: Rugina este un strat impermeabil care protejează fierul ca oxidul de crom pe inox.
  Corect: stratul de rugină este poros și permite continuarea coroziunii.
• Greșit: Zincarea protejează doar cât timp stratul de zinc este perfect intact.
  Corect: zincul se oxidează sacrificial și lângă o zgârietură, deci fierul rămâne protejat.
• Greșit: La zgârierea unei table cositorite, staniul protejează fierul la fel ca zincul.
  Corect: staniul are potențialul mai mare decât fierul, deci fierul devine anod și se corodează mai repede.
• Greșit: La coroziunea fierului în apă aerată, oxigenul se oxidează la zona catodică.
  Corect: oxigenul se reduce la catod, iar fierul se oxidează la anod.
• Greșit: Fierul ruginește la fel de repede în aer uscat ca în aer umed.
  Corect: fără apă nu există electrolit, deci coroziunea electrochimică nu are loc.

Înainte și după