Bài 20: Sự ăn mòn kim loại
Video bài giảng
1. Khái niệm về Ăn mòn kim loại
- Sự ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường xung quanh
- Kim loại bị oxi hoá thành ion dương: M → Mn+ + ne
2. Các dạng ăn mòn
a. Ăn mòn hóa học.
Ví dụ: Cổng sắt bị rỉ sét do ăn mòn hóa học:
\(3Fe+2O_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe_{3}O_{4}\)
\(3Fe+2H_{2}O\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe_{3}O_{4}+2H_{2}\)
⇒ Ăn mòn hoá học là quá trình oxi hoá – khử, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường.
b. Ăn mòn điện hóa học
- Thí nghiệm: Ăn mòn điện hóa với 2 điện cực là Zn và Cu
- Giải thích hiện tượng:
+ Điện cực âm (anot); Zn bị ăn mòn theo phản ứng: Zn → Zn2+ + 2e. Ion Zn2+ đi vào dung dịch, các electron theo dây dẫn sang điện cực Cu.
+ Điện cực dương (catot): ion H+ của dung dịch H2SO4 nhận electron biến thành nguyên tử H rồi thành phân tử H2 thoát ra. 2H+ + 2e → H2
- Ăn mòn điện hoá là quá trình oxi hoá – khử, trong đó kim loại bị ăn mòn do tác dụng của dung dịch chất điện li và tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm đến cực dương.
- Ăn mòn điện hoá học hợp kim sắt trong không khí ẩm
- Tại anot: Fe → Fe2+ + 2e; Tại catot: O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
- Điều kiện để xảy ra ăn mòn điện hóa học
+ Các điện cực phải khác nhau về bản chất. Cặp KL – KL; KL – PK; KL – Hợp chất hoá học
+ Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn.
+ Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li.
3. Chống ăn mòn kim loại
a. Phương pháp bảo vệ bề mặt
- Dùng những chất bền vững với môi trường để phủ mặt ngoài những đồ vật bằng kim loại như bôi dầu mỡ, sơn, mạ, tráng men,…
- Ví dụ: Mạ tượng, sơn phủ bên ngoài đồ vật,...
b. Phương pháp điện hóa
- Nối kim loại cần bảo vệ với một kim loại hoạt động hơn để tạo thành pin điện hoá và kim loại hoạt động hơn sẽ bị ăn mòn, kim loại kia được bảo vệ.
- Ví dụ: Bảo vệ vỏ tàu biển làm bằng thép bằng cách gán vào mặt ngoài của vỏ tàu (phần chìm dưới nước) những khối Zn, kết quả là Zn bị nước biển ăn mòn thay cho thép.
4. Bài tập Sự ăn mòn kim loại - Cơ bản
Bài 1:
Cho các hợp kim sau: Cu-Fe (I); Zn-Fe (II); Fe-C (III); Sn-Fe (IV). Khi tiếp xúc với dung dịch chất điện li thì các hợp kim mà trong đó Fe đều bị ăn mòn trước là:
Hướng dẫn:
- Trong cặp điện cực: kim loại – kim loại thì kim loại nào có tính khử mạnh hơn đóng vai trò là cực âm (anot) thì kim loại đó bị ăn mòn khi tiếp xúc với dung dịch chất điện li. (Mẹo: Dựa vào dãy điện hóa của kim loại. .Cái nào càng mạnh thì càng bị ăn mòn. Ví dụ như cặp Cu - Fe. Fe là kim loại mạnh hơn Cu nên Fe bị ăn mòn)
- Trong cặp điện cực: kim loại – phi kim thường hay gặp nhất là Fe – C thì kim loại đóng vai trò là cực âm và bị ăn mòn khi tiếp xúc với dung dịch chất điện li.
- Do vậy các cặp hợp kim thỏa mãn là: I, III, IV.
Bài 2:
Có 4 dung dịch riêng biệt: CuSO4, ZnCl2, FeCl3, AgNO3. Nhúng vào mỗi dung dịch một thanh Ni. Số trường hợp xuất hiện ăn mòn điện hoá là
Hướng dẫn:
Ăn mòn điện hóa
điều kiện: 2 kim loại, kim loại - phi kim (gang, thép)
Ni + Cu2+ \(\rightarrow\) Ni2+ + Cu\(\downarrow\)
Ni + Fe3+ \(\rightarrow\) Ni2+ + Fe2+
Ni + Ag+ \(\rightarrow\) Ni2+ + Ag\(\downarrow\)
Vậy số trường ăn mòn điện hóa là 2.
Bài 3:
Nhúng thanh kim loại Fe vào các dung dịch sau: FeCl3; CuCl2; H2SO4 (loãng) + CuSO4; H2SO4 loãng; AgNO3. Số trường hợp thanh kim loại sắt tan theo cơ chế ăn mòn điện hóa là:
Hướng dẫn:
CuCl2; H2SO4 loãng + CuSO4; AgNO3
5. Bài tập Sự ăn mòn kim loại - Nâng cao
Bài 1:
Cho hỗn hợp X gồm 0,56 gam Fe và Mg tác dụng với 250 ml dung dịch CuSO4. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 0,92 gam kim loại. Nồng độ mol/l của dung dịch CuSO4 là:
Hướng dẫn:
Sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng :
\({n_{Mg}}.\Delta {M_{Cu - Mg}} + {n_{Fe(p/u)}}.\Delta {M_{Cu - Fe}}\)
= m rắn - m Fe, Mg(ban đầu)
→ 0,005.40 + 8x = 0,24 → x = 0,005
Bảo toàn electron:
nCuSO4 = nMg + nFe(p/u) = 0,01 mol ⇒ CM = 0,04 M
Bài 2:
Cho một thanh sắt có khối lượng m gam vào dung dịch chứa 0,012 mol AgNO3 và 0,02 mol Cu(NO3)2, sau một thời gian khối lượng của thanh sắt là (m + 1,04) gam. Tính khối lượng của kim loại bám trên thanh sắt?
Hướng dẫn:
Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
Nếu chỉ có Ag phản ứng ⇒ mKL tăng = 0,012.108 - 0,006.56 = 0,96 g < 1,04 g
Có x mol Cu2+ phản ứng
⇒ mKL tăng = 1,04 = (0,012.108 + 64x) - (0,006 + x).56
⇒ x = 0,01 mol
⇒ mKL bám = mAg + mCu = 1,936 g
1. Khái niệm về Ăn mòn kim loại
- Sự ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường xung quanh
- Kim loại bị oxi hoá thành ion dương: M → Mn+ + ne
2. Các dạng ăn mòn
a. Ăn mòn hóa học.
Ví dụ: Cổng sắt bị rỉ sét do ăn mòn hóa học:
\(3Fe+2O_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe_{3}O_{4}\)
\(3Fe+2H_{2}O\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe_{3}O_{4}+2H_{2}\)
⇒ Ăn mòn hoá học là quá trình oxi hoá – khử, trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường.
b. Ăn mòn điện hóa học
- Thí nghiệm: Ăn mòn điện hóa với 2 điện cực là Zn và Cu
- Giải thích hiện tượng:
+ Điện cực âm (anot); Zn bị ăn mòn theo phản ứng: Zn → Zn2+ + 2e. Ion Zn2+ đi vào dung dịch, các electron theo dây dẫn sang điện cực Cu.
+ Điện cực dương (catot): ion H+ của dung dịch H2SO4 nhận electron biến thành nguyên tử H rồi thành phân tử H2 thoát ra. 2H+ + 2e → H2
- Ăn mòn điện hoá là quá trình oxi hoá – khử, trong đó kim loại bị ăn mòn do tác dụng của dung dịch chất điện li và tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm đến cực dương.
- Ăn mòn điện hoá học hợp kim sắt trong không khí ẩm
- Tại anot: Fe → Fe2+ + 2e; Tại catot: O2 + 2H2O + 4e → 4OH-
- Điều kiện để xảy ra ăn mòn điện hóa học
+ Các điện cực phải khác nhau về bản chất. Cặp KL – KL; KL – PK; KL – Hợp chất hoá học
+ Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp qua dây dẫn.
+ Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li.
3. Chống ăn mòn kim loại
a. Phương pháp bảo vệ bề mặt
- Dùng những chất bền vững với môi trường để phủ mặt ngoài những đồ vật bằng kim loại như bôi dầu mỡ, sơn, mạ, tráng men,…
- Ví dụ: Mạ tượng, sơn phủ bên ngoài đồ vật,...
b. Phương pháp điện hóa
- Nối kim loại cần bảo vệ với một kim loại hoạt động hơn để tạo thành pin điện hoá và kim loại hoạt động hơn sẽ bị ăn mòn, kim loại kia được bảo vệ.
- Ví dụ: Bảo vệ vỏ tàu biển làm bằng thép bằng cách gán vào mặt ngoài của vỏ tàu (phần chìm dưới nước) những khối Zn, kết quả là Zn bị nước biển ăn mòn thay cho thép.
4. Bài tập Sự ăn mòn kim loại - Cơ bản
Bài 1:
Cho các hợp kim sau: Cu-Fe (I); Zn-Fe (II); Fe-C (III); Sn-Fe (IV). Khi tiếp xúc với dung dịch chất điện li thì các hợp kim mà trong đó Fe đều bị ăn mòn trước là:
Hướng dẫn:
- Trong cặp điện cực: kim loại – kim loại thì kim loại nào có tính khử mạnh hơn đóng vai trò là cực âm (anot) thì kim loại đó bị ăn mòn khi tiếp xúc với dung dịch chất điện li. (Mẹo: Dựa vào dãy điện hóa của kim loại. .Cái nào càng mạnh thì càng bị ăn mòn. Ví dụ như cặp Cu - Fe. Fe là kim loại mạnh hơn Cu nên Fe bị ăn mòn)
- Trong cặp điện cực: kim loại – phi kim thường hay gặp nhất là Fe – C thì kim loại đóng vai trò là cực âm và bị ăn mòn khi tiếp xúc với dung dịch chất điện li.
- Do vậy các cặp hợp kim thỏa mãn là: I, III, IV.
Bài 2:
Có 4 dung dịch riêng biệt: CuSO4, ZnCl2, FeCl3, AgNO3. Nhúng vào mỗi dung dịch một thanh Ni. Số trường hợp xuất hiện ăn mòn điện hoá là
Hướng dẫn:
Ăn mòn điện hóa
điều kiện: 2 kim loại, kim loại - phi kim (gang, thép)
Ni + Cu2+ \(\rightarrow\) Ni2+ + Cu\(\downarrow\)
Ni + Fe3+ \(\rightarrow\) Ni2+ + Fe2+
Ni + Ag+ \(\rightarrow\) Ni2+ + Ag\(\downarrow\)
Vậy số trường ăn mòn điện hóa là 2.
Bài 3:
Nhúng thanh kim loại Fe vào các dung dịch sau: FeCl3; CuCl2; H2SO4 (loãng) + CuSO4; H2SO4 loãng; AgNO3. Số trường hợp thanh kim loại sắt tan theo cơ chế ăn mòn điện hóa là:
Hướng dẫn:
CuCl2; H2SO4 loãng + CuSO4; AgNO3
5. Bài tập Sự ăn mòn kim loại - Nâng cao
Bài 1:
Cho hỗn hợp X gồm 0,56 gam Fe và Mg tác dụng với 250 ml dung dịch CuSO4. Sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được 0,92 gam kim loại. Nồng độ mol/l của dung dịch CuSO4 là:
Hướng dẫn:
Sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng :
\({n_{Mg}}.\Delta {M_{Cu - Mg}} + {n_{Fe(p/u)}}.\Delta {M_{Cu - Fe}}\)
= m rắn - m Fe, Mg(ban đầu)
→ 0,005.40 + 8x = 0,24 → x = 0,005
Bảo toàn electron:
nCuSO4 = nMg + nFe(p/u) = 0,01 mol ⇒ CM = 0,04 M
Bài 2:
Cho một thanh sắt có khối lượng m gam vào dung dịch chứa 0,012 mol AgNO3 và 0,02 mol Cu(NO3)2, sau một thời gian khối lượng của thanh sắt là (m + 1,04) gam. Tính khối lượng của kim loại bám trên thanh sắt?
Hướng dẫn:
Fe + 2Ag+ → Fe2+ + 2Ag
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
Nếu chỉ có Ag phản ứng ⇒ mKL tăng = 0,012.108 - 0,006.56 = 0,96 g < 1,04 g
Có x mol Cu2+ phản ứng
⇒ mKL tăng = 1,04 = (0,012.108 + 64x) - (0,006 + x).56
⇒ x = 0,01 mol
⇒ mKL bám = mAg + mCu = 1,936 g