갈바니 전기 부식이나 금속 또는 합금의 열화가 더 급격히 산화 종래와 비교함으로써 처리이다. 그것은 가속화 된 산화라고 말할 수 있으며, 심지어 의도적으로 촉진됩니다. 셀이나 배터리에서 발생합니다.
이것은 여러 조건에서 발생합니다. 첫째, 양극이라고하는 활성 금속이 있어야합니다. 또한 두 번째로 음극이라고하는 저 반응 귀금속이 있어야합니다. 세 번째 및 네 번째 조건은 물과 같은 전자가 전파되는 매체 및 이온 종 또는 전해질의 존재입니다.
녹슨 철제 왕관. 출처 : Pixnio.
갈바닉 부식은 특히 해양 환경이나 해변에서 관찰됩니다. 기류는 대량의 수증기를 일으켜 이온을 운반합니다. 후자는 금속 표면에있는 얇은 물이나 방울에 달라 붙게됩니다.
이러한 습도 및 염도 조건은 금속 부식에 유리합니다. 즉, 위의 이미지와 같은 철관은 바다 근처에 노출되면 더 빨리 녹슬 게됩니다.
금속이 다른 금속에 비해 산화되어야하는 용이성은 환원 전위를 통해 정량적으로 측정 할 수 있습니다. 이러한 잠재력을 가진 테이블은 화학 서적에 풍부합니다. 당신이 부정적 일수록 녹슬고 싶은 경향이 커집니다.
마찬가지로,이 금속이 매우 긍정적 인 환원 전위를 가진 다른 금속이 존재하여 큰 ΔE를 갖는 경우 반응성 금속의 산화가 더 공격적입니다. pH, 이온 강도, 습도, 산소의 존재, 산화되는 금속 영역과 환원되는 금속 영역 간의 관계와 같은 다른 요소도 중요합니다.
메커니즘
개념과 반응
갈바닉 부식의 메커니즘을 다루기 전에 특정 개념을 명확히해야합니다.
산화 환원 반응에서 한 종은 전자를 잃고 (산화) 다른 종은 전자를 얻습니다 (감소). 산화가 일어나는 전극을 양극이라고합니다. 감소가 발생하는 음극 (영어에서 니모닉 규칙 redcat은 일반적으로이를 기억하는 데 사용됨).
따라서 금속 M의 전극 (조각, 나사 등)의 경우 산화되면 양극이라고합니다.
M => M N + + NE -
방출되는 전자의 수는 생성되는 양이온 M n + 의 양전하 크기와 동일합니다 .
그런 다음 다른 전극 또는 금속 R (두 금속 모두 어떤 방식 으로든 접촉해야 함)이 방출 된 전자를받습니다. 그러나 이것은 전자를 전도 (전류) 할 뿐이 기 때문에 전자를 얻는다면 화학 반응을 겪지 않습니다.
그러므로,이 전자들을 공식적으로 받아 들일 수있는 용액에 다른 종이 있어야합니다. 쉽게 환원되는 금속 이온, 예를 들면 :
R n + + ne - => R
즉, 금속 R 층이 형성되어 전극이 더 무거워집니다. 금속 M은 원자가 용해되어 질량을 잃게됩니다.
탈분극 제
충분히 쉽게 환원 될 수있는 금속 양이온이 없다면 어떨까요? 이 경우 매체에 존재하는 다른 종은 전자를 취합니다 : 탈분극 기. O : 이러한 밀접한 산도 관련된 2 , H + , OH - 와 H 2 O.
산소와 물은 다음 화학 방정식으로 표현되는 반응에서 전자를 얻습니다.
O 2 + 2H 2 O + 4e에 - => 4OH -
H + 이온 이 H 2 로 변환되는 동안 :
2H + + 2e - => H 2
즉, OH 종 - 및 H 2 는 갈바닉 또는 전기 화학적 부식의 일반적인 제품입니다.
금속 R이 어떤 반응에도 참여하지 않더라도 M보다 고귀하다는 사실은 산화를 촉진합니다. 결과적으로, 높은 OH 생산있을 것이다 - 이온 또는 수소 가스를. 결국, 이는 이러한 프로세스의 주요 동인 중 하나 인 감소 잠재력 ΔE 간의 차이이기 때문입니다.
철 부식
철의 부식 메커니즘. 출처 : Wikipedia.
이전 설명 후 철 부식의 예를 다룰 수 있습니다 (상단 이미지). 산소가 용해되는 얇은 물층이 있다고 가정합니다. 다른 금속이 없으면 반응의 톤을 설정하는 것은 탈분극 자입니다.
따라서 철은 표면에서 일부 원자를 잃어 Fe 2+ 양이온으로 물에 용해됩니다 .
FE => 철 2+ + 2E -
두 전자는 좋은 전기 전도체이기 때문에 철 조각을 통해 이동합니다. 그래서 산화 또는 양극 부위가 시작된 곳이 알려져 있습니다. 그러나 음극 사이트의 감소 또는 위치가 진행되는 곳은 아닙니다. 음극 사이트는 어디에나있을 수 있습니다. 가능한 면적이 클수록 금속이 더 심하게 부식됩니다.
위의 이미지와 같이 전자가 한 지점에 도달한다고 가정합니다. 산소 및 물 모두 OH가있는 이미 기재된 반응가 겪게 - 방출된다 . 이러한 OH - 음이온은 철과 반응 2+ 의 Fe (OH)를 형성하는 2 결국 녹로 변환 및 후속 침전 산화 반응을 겪을.
한편, 양극 사이트는 점점 더 균열되고 있습니다.
예
일상 생활에서 갈바닉 부식의 예는 많습니다. 우리는 철관을 언급 할 필요가 없습니다. 금속으로 만들어진 모든 인공물은 습하고 염분이있는 환경에서 동일한 과정을 겪을 수 있습니다.
해변 외에도 겨울은 부식에 이상적인 조건을 제공 할 수 있습니다. 예를 들어, 자동차가 미끄러지는 것을 방지하기 위해 도로에서 눈에 소금을 삽질 할 때.
물리적 인 관점에서 보면 두 금속의 용접 된 이음 부에 습기가 남아있을 수 있으며, 이는 부식의 활성 부위입니다. 이것은 두 금속이 두 개의 전극처럼 행동하기 때문에 반응성이 더 높은 금속은 전자를 잃습니다.
OH의 생산하면 - 이온이 상당한, 그것은 차의 페인트 또는 문제의 장치를 부식도 할 수 있습니다.
양극 지수
감소 잠재력 표를 사용하여 갈바닉 부식의 예를 만들 수 있습니다. 그러나이 점을 설명하기 위해 양극 인덱스 테이블 (그 자체로 단순화 됨)이 선택됩니다.
다양한 금속 또는 합금에 대한 양극 지수. 출처 : Wikipedia.
예를 들어 우리가 전기 화학 전지를 만들고 싶다고 가정 해 봅시다. 양극 지수 표의 상단에있는 금속은 더 음극입니다. 즉, 쉽게 줄일 수 있으므로 해결하기 어려울 것입니다. 바닥에있는 금속은 양극성이거나 반응성이 높고 쉽게 부식됩니다.
금과 베릴륨을 선택하면 베릴륨이 극도로 빠르게 산화되기 때문에 두 금속이 오래 함께있을 수 없습니다.
반면에 Ag + 이온 용액이 있고 그 안에 알루미늄 막대를 담그면 금속은 입자가 침전되는 동시에 용해됩니다. 이 막대가 흑연 전극에 연결되면 전자가 전기 화학적으로 은막으로은을 증착하기 위해 이동합니다.
알루미늄 막대 대신 구리로 만든 경우 물 에 Cu 2+ 이온이 존재하기 때문에 용액이 푸르스름하게 변 합니다.
전기 화학적 부식 방지
희생 코팅
다른 금속이있는 상태에서 아연 시트를 부식으로부터 보호하려고한다고 가정합니다. 가장 간단한 방법은 마그네슘을 첨가하는 것입니다. 이것은 아연을 코팅하여 산화되면 마그네슘에서 방출 된 전자가 Zn 2+ 양이온을 다시 환원시킵니다.
그러나 아연의 MgO 필름은 조만간 균열이 발생하여 전류 밀도가 높은 양극 사이트를 제공합니다. 즉, 아연의 부식은 해당 지점에서만 급격히 가속화됩니다.
전기 화학적 부식으로부터 보호하는이 기술은 희생 코팅의 사용으로 알려져 있습니다. 가장 잘 알려진 것은 아연으로 아연 도금이라고하는 유명한 기술에 사용됩니다. 그 안에 금속 M, 특히 철은 아연 (Fe / Zn)으로 코팅되어 있습니다.
다시, 아연은 산화되고 그 산화물은 철을 덮고 형성 될 수있는 Fe 2+ 를 감소시키는 전자를 전달하는 역할을합니다 .
고귀한 코팅
동일한 아연 시트를 보호하고 싶지만 이제 마그네슘 대신 크롬을 사용한다고 가정 해 보겠습니다. 크롬은 아연보다 더 고귀하므로 (더 음극, 양극 번호 표 참조) 고귀한 코팅으로 작용합니다.
이러한 유형의 코팅의 문제점은 일단 균열이 생기면 그 아래에있는 금속의 산화를 더욱 촉진하고 가속화한다는 것입니다. 이 경우 아연은 마그네슘으로 코팅 된 것보다 훨씬 더 부식됩니다.
마지막으로 페인트, 플라스틱, 산화 방지제, 지방, 수지 등으로 구성된 다른 코팅이 있습니다.
어린이를위한 실험
구리 염 용해 철판
동일한 양극 지수 표에서 간단한 실험을 고안 할 수 있습니다. 적당한 양 (10g 미만)의 CuSO 4 · 5H 2 O를 물에 녹인 후, 어린이는 광택이 나는 철판에 담그도록 요청받습니다. 사진이 찍히고 그 과정은 몇 주 동안 펼쳐질 수 있습니다.
용액은 처음에는 푸르스름했지만 철판이 구리색으로 변하는 동안 희미 해지기 시작합니다. 이것은 구리가 철보다 더 고귀하기 때문에 Cu 2+ 양이온 은 철의 산화에 의해 주어진 이온에서 금속 구리로 환원 될 것입니다.
FE => 철 2+ + 2E -
Cu 2+ + 2e - => Cu
산화은 세정
은 물체는 시간이 지남에 따라 검게 변합니다. 특히 황 화합물의 공급원과 접촉하면 더욱 그렇습니다. 베이킹 소다와 알루미늄 호일이있는 물통에 물체를 담그면 녹을 제거 할 수 있습니다. 중탄산염은 물체와 알루미늄 사이의 전자 수송을 촉진하는 전해질을 제공합니다.
결과적으로, 아이는 물체가 검은 반점을 잃고 특징적인 은색으로 빛날 것임을 알게 될 것입니다. 알루미늄 호일은 부식되어 사라집니다.
참고 문헌
- Shiver & Atkins. (2008). 무기 화학. (제 4 판). Mc Graw Hill.
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- 오픈 대학교. (2018). 2.4 부식 과정 : 갈바닉 부식. 출처 : open.edu
- 고객 기술 서비스 Brush Wellman Inc. (sf). 갈바닉 부식 가이드. Wellman 엔지니어링 재료 브러시.
- 조르지오 카 보니. (1998). 전기 화학 실험. 출처 : funsci.com