Најважније из лекције
Корозија: Спонтан оксидоредукциони процес разарања метала под утицајем спољашње средине.
Рђање гвожђа: Настаје \( \text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O} \) уз истовремено присуство воде и кисеоника; индустријски гасови (\(\text{SO}_2, \text{CO}_2\)) драстично убрзавају процес.
Електрохемијска корозија: Када су два метала спојена у присуству влаге, активнији метал (јачи редуктор) делује као анода и оксидује се.
Заштита: Неметални премази (боје/лакови), галванизација и катодна (протекторска) заштита жртвеним анодама (\(\text{Zn, Mg}\)).
Рђање гвожђа: Настаје \( \text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O} \) уз истовремено присуство воде и кисеоника; индустријски гасови (\(\text{SO}_2, \text{CO}_2\)) драстично убрзавају процес.
Електрохемијска корозија: Када су два метала спојена у присуству влаге, активнији метал (јачи редуктор) делује као анода и оксидује се.
Заштита: Неметални премази (боје/лакови), галванизација и катодна (протекторска) заштита жртвеним анодама (\(\text{Zn, Mg}\)).
Корозија је спонтан оксидоредукциони процес у којем метали реагују са супстанцама из спољашње средине (кисеоник, влага, кисели оксиди) градећи нежељене производе (оксиде, хидроксиде, карбонате, сулфиде).
Сви метали осим злата имају негативнији стандардни електродни потенцијал од кисеоника, што значи да се сви они могу спонтано оксидовати кисеоником из ваздуха.
Пасивизација: Појава при којој се на површини појединих веома реактивних метала (нпр. алуминијума) под утицајем кисеоника формира танак, густ и компактан слој оксида који спречава даљи контакт унутрашњости метала са средином и тако га штити од даље корозије.
Зашто алуминијумско посуђе не пропада на ваздуху иако је алуминијум изразито редуктиван метал?
Алуминијум на ваздуху одмах реагује са кисеоником и превлачи се танким, компактним слојем хидратисаног алуминијум-оксида који га потпуно пасивизира и штити од даљег пропадања.
Хемијска корозија настаје директном хемијском реакцијом метала са гасовима и влагом из атмосфере.
Рђа је по хемијском саставу хидратисани гвожђе(III)-оксид: \(\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O}\). За разлику од оксидног слоја алуминијума, рђа је растресита и порозна, те омогућава даљи продор влаге и кисеоника до дубљих слојева метала.
\[ \text{1. Оксидација гвожђа:} \quad \text{Fe(s)} \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^- \]
\[ \text{2. Редукција кисеоника:} \quad \text{O}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} + 4\text{e}^- \rightleftharpoons 4\text{OH}^-\text{(aq)} \]
\[ \text{3. Настанак рђе:} \quad 4\text{Fe}^{2+}\text{(aq)} + \text{O}_2\text{(g)} + (4 + 2x)\text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons 2\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O(s)} + 8\text{H}^+\text{(aq)} \]
Брзину корозије гвожђа значајно повећавају:
- повећана влажност ваздуха,
- присуство киселих оксида из ваздуха (\(\text{CO}_2\), \(\text{SO}_2\), \(\text{SO}_3\), оксиди азота),
- структурне нехомогености и нечистоће унутар метала.
Корозија бакра на ваздуху у присуству влаге и \(\text{CO}_2\) даје зелену патину - базни бакар(II)-карбонат:
\[ 2\text{Cu(s)} + \text{O}_2\text{(g)} + \text{CO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow \text{Cu}_2(\text{OH})_2\text{CO}_3\text{(s)} \]
Сребро тамни у присуству трагова сумпор-водоника услед грађења црног сребро-сулфида:
\[ 4\text{Ag(s)} + \text{O}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{S(g)} \longrightarrow 2\text{Ag}_2\text{S(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Електрохемијска корозија се дешава када су два различита метала (или метал и нечистоћа, нпр. угљеник у челику) у међусобном контакту у присуству електролита (слој воде са раствореним супстанцама).
У насталом микро-галванском елементу (локалној струји):
- Анода (\(-\)): Активнији метал (мање племенит, са негативнијим електродним потенцијалом / јаче редукционо средство) отпушта електроне и убрзано кородира (оксидација).
- Катода (\(+\)): Мање активан метал (племенитији) служи само као проводник електрона на чијој се површини одвија редукција \(\text{H}^+\) јона или раствореног \(\text{O}_2\).
Код контакта цинка (\(\text{Zn}\)) и бакра (\(\text{Cu}\)) у киселој средини:
\[ \text{Анода } (-): \quad \text{Zn(s)} \rightleftharpoons \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^- \quad (\text{оксидација Zn}) \]
\[ \text{Катода } (+): \quad 2\text{H}^+\text{(aq)} + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{H}_2\text{(g)} \quad (\text{редукција водоника на Cu}) \]
Цинк интензивно кородира, док бакар остаје непромењен.
Премазивање уљима, мастима, лаковима, бојама или емајлирање како би се механички спречио контакт метала са кисеоником и влагом из атмосфере.
Наношење заштитног слоја другог метала:
- Племенитијим металом (\(\text{Sn, Ni, Cr, Ag, Au}\)): штити само док је слој цео; при оштећењу слоја, основно гвожђе постаје анода и убрзано пропада.
- Активнијим металом (\(\text{Zn, Al}\)): цинковање (поцинковани лим) пружа двоструку заштиту – физичку и електрохемијску.
Заштита металних конструкција (цевоводи, трупови бродова) спајањем са блоковима активнијег метала (протектора, нпр. \(\text{Zn, Mg, Al}\)). Протектор постаје „жртвена анода“ и троши се, док штићени метал постаје катода и не кородира.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Шта је по хемијском саставу рђа и зашто алуминијум знатно дуже одолева корозији од гвожђа иако има негативнији стандардни електродни потенцијал?
Одговор:
Рђа је хидратисани гвожђе(III)-оксид, састава \(\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O}\). Рђа је порозна и љушти се, па дозвољава продор кисеоника и воде до унутрашњости. Насупрот томе, алуминијум се брзо превлачи густим, невидљивим и чврстим слојем оксида (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) који се не љушти и у потпуности пасивизира метал од даљег утицаја спољашње средине.
Задатак 2 (средњи): За реакцију тамњења сребра на ваздуху у присуству сумпор-водоника:
\[ \text{Ag} + \text{O}_2 + \text{H}_2\text{S} \longrightarrow \text{Ag}_2\text{S} + \text{H}_2\text{O} \]
Одреди стехиометријске коефицијенте, као и оксидационо и редукционо средство.
Балансирана једначина:
\[ 4\text{Ag} + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{S} \longrightarrow 2\text{Ag}_2\text{S} + 2\text{H}_2\text{O} \]
Редокс анализа:
- Сребро мења оксидациони број са \(0\) на \(+1\) (отпушта електроне, оксидује се) \(\rightarrow\) \(\text{Ag}\) је редукционо средство.
- Кисеоник мења оксидациони број са \(0\) на \(-2\) (прима електроне, редукује се) \(\rightarrow\) \(\text{O}_2\) је оксидационо средство.
Задатак 3 (средњи): Приликом израде челичних цевовода, на појединим местима коришћене су бакарне спојнице, а на другим поцинковани вијци. Објасни у ком од ова два случаја ће челик (гвожђе) брже кородирати и зашто.
Одговор:
- У контакту са бакром (\(\text{Cu}\)): Гвожђе је активније од бакра (\(\text{Fe}\) има негативнији потенцијал од \(\text{Cu}\)), те постаје анода и убрзано се раствара/кородира.
- У контакту са цинком (\(\text{Zn}\)): Цинк је активнији од гвожђа, па цинк постаје анода и он се троши (жртвена заштита), док је гвожђе катода и заштићено је од корозије.
Задатак 4 (тежак): За катодну заштиту површине челичне конструкције од \(1\text{ m}^2\) у стајаћој води потребно је приближно \(3{,}6\text{ kg}\) цинка годишње.
а) Израчунај потребну масу цинка да би се заштитила цев површине \(3\text{ m}^2\) у периоду од 2 године.
б) Напиши једначину полуреакције која се одиграва на цинку током ове заштите.
а) Израчунај потребну масу цинка да би се заштитила цев површине \(3\text{ m}^2\) у периоду од 2 године.
б) Напиши једначину полуреакције која се одиграва на цинку током ове заштите.
а) Рачун:
Потрошња цинка је пропорционална површини и времену:
\[ m = 3{,}6\text{ kg} \cdot \left(\frac{A}{1\text{ m}^2}\right) \cdot \left(\frac{t}{1\text{ год.}}\right) \]
\[ m = 3{,}6\text{ kg} \cdot 3 \cdot 2 = 21{,}6\text{ kg} \]
Потребно је \(21{,}6\text{ kg}\) цинка.
б) Једначина на цинку (анода): \[ \text{Zn(s)} \longrightarrow \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^- \] Цинк отпушта електроне у челичну конструкцију и тиме спречава оксидацију гвожђа.
б) Једначина на цинку (анода): \[ \text{Zn(s)} \longrightarrow \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^- \] Цинк отпушта електроне у челичну конструкцију и тиме спречава оксидацију гвожђа.
