สนิม: สาเหตุ เกิดขึ้นได้อย่างไร วิธีหลีกเลี่ยง

สนิม เป็นคราบสีน้ำตาลแดงที่ปรากฏบนพื้นผิวเหล็กหรือเหล็กเมื่อสัมผัสกับอากาศและความชื้น เนื่องจากโลหะเหล็กไม่เสถียรเมื่อสัมผัสกับอากาศ จึงเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของเหล็กโลหะเป็นออกไซด์ของเหล็กหรือไฮดรอกไซด์ โดยทั่วไปแสดงด้วยสูตรเคมี FeOOH

สนิมเป็นปัญหาสำคัญสำหรับสังคมเนื่องจากสร้างความเสียหายต่อโครงสร้างเช่น สะพาน, อาคาร, ยานพาหนะ, เครื่องยนต์, และอื่น ๆ, ค่าใช้จ่ายจำนวนมากกับการซ่อมแซมและ การซ่อมบำรุง. สนิมเป็นการกัดกร่อนชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเองของการทำลายโลหะและโลหะผสม ปัจจุบันมีการใช้เทคนิคหลายอย่าง เช่น การชุบกัลวาไนซ์เพื่อลดผลกระทบจากการเกิดสนิม

อ่านด้วย: อากาศเกลือเกี่ยวข้องกับการกัดกร่อนของโลหะอย่างไร?

หัวข้อของบทความนี้

• 1 - บทสรุปเกี่ยวกับสนิม
• 2 - สนิมเกิดจากอะไร?
• 3 - สนิมเกิดขึ้นได้อย่างไร?
• 4 - ประเภทของสนิม
• 5 - องค์ประกอบทางเคมีของสนิม
• 6 - ผลที่ตามมาของการเกิดสนิม
• 7 - วิธีหลีกเลี่ยงสนิม?
• 8 - สนิมกับการกัดกร่อนต่างกันอย่างไร?

สรุปสนิม

• สนิมมีลักษณะเป็นคราบสีน้ำตาลแดงที่ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวเหล็กและโลหะผสมเหล็กที่สัมผัสกับอากาศและความชื้น

• สนิมก่อตัวขึ้นเมื่อเหล็กซึ่งไม่เสถียรเมื่อมีออกซิเจนในบรรยากาศถูกออกซิไดซ์เป็นออกไซด์ของเหล็กและไฮดรอกไซด์

• สามารถแสดงด้วยสูตรเคมีทั่วไป FeOOH

• ส่วนประกอบหลักของสนิมคือไฮเดรตไอรอน III ออกไซด์, Fe₂อ₃∙ช₂อ.

• สนิมเป็นปัญหาสำคัญสำหรับประเทศและบริษัทต่างๆ เนื่องจากค่าบำรุงรักษาและซ่อมแซมสูง

• ทำให้เกิดผลกระทบต่อโครงสร้างที่สำคัญ เนื่องจากทำให้โครงสร้างโลหะอ่อนแอลงทางกลไก

• มีเทคนิคในการลดหรือบรรเทาการเกิดสนิม เช่น การป้องกันด้วยแคโทดิกและการชุบกัลวาไนซ์

• การเกิดสนิมคือการกัดกร่อนชนิดหนึ่ง

สนิมเกิดจากอะไร?

สนิมเป็น คราบสีน้ำตาลแดงที่ปรากฏบนพื้นผิวโลหะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งบนโลหะผสมเหล็กและเหล็ก เมื่อสัมผัสกับบรรยากาศหรือจมอยู่ในน้ำธรรมชาติ. ในกรณีนั้น, เหล็กโลหะ (Fe) ถูกออกซิไดซ์เป็นส่วนผสมของออกไซด์ (Fe₂อ₃∙ช₂โอ และ เฟ₃อ₄) และไฮดรอกไซด์ (Fe(OH)₂, เฟ(OH)₃) ของธาตุเหล็ก ซึ่งแสดงโดยทั่วไปด้วยสูตร FeOOH ซึ่งพยายามควบแน่นขั้นตอนของธาตุเหล็กทั้งหมดที่อยู่ในสนิม

กระบวนการที่ทำให้เกิดสนิมมีชื่อทางเคมีว่าการกัดกร่อนเป็นผลมาจากการกระทำของสิ่งแวดล้อมที่มีต่อวัสดุซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพโดยเริ่มจากพื้นผิวของมัน

อย่าหยุดตอนนี้... มีเพิ่มเติมหลังจากการประชาสัมพันธ์ ;)

สนิมเกิดขึ้นได้อย่างไร?

เหล็กโลหะไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์เมื่อมีก๊าซออกซิเจนซึ่งประกอบขึ้นเป็นประมาณ 20% ของบรรยากาศของเรา และเป็นสื่อที่โลหะดังกล่าวถูกสัมผัสบ่อยที่สุด

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ออกไซด์ของมันจะก่อตัวเป็น FeO (เหล็กออกไซด์ II), Fe₂อ₃ (เหล็ก III ออกไซด์) และ Fe₃อ₄ (เหล็ก II, III ออกไซด์). การปรากฏตัวของน้ำทำให้ตัวกลางมีความก้าวร้าวมากขึ้นซึ่งเอื้อต่อการก่อตัวของสนิม (FeOOH). เช่นเดียวกับเกลือพื้นฐานและไฮดรอกไซด์ต้องการน้ำในการก่อตัว สนิม ซึ่งเป็นส่วนผสมของออกไซด์และไฮดรอกไซด์ก็ต้องการน้ำเช่นกัน ทำให้บทบาทของความชื้นสัมพัทธ์ชัดเจน:

4 เฟ₃อ₄ (ส) + อ₂ (ช) + 6H₂O (l) → 12 FeOOH (วินาที)

ในบริเวณที่มีความชื้นสัมพัทธ์สูงในอากาศ การก่อตัวของกองการกัดกร่อนที่เรียกว่าเป็นเรื่องปกติเนื่องจากการก่อตัวของแผ่นน้ำที่ควบแน่น (ของเหลว) บนพื้นผิวโลหะทั้งหมดหรือบางส่วน

การก่อตัวของแผ่นสนิมบนผิวเหล็ก/เหล็กกล้า

ในกรณีนี้ เราต้องให้ความสนใจกับมาตรฐานการลดศักยภาพของสายพันธุ์ที่เกี่ยวข้อง:

• ศรัทธา²⁺ (aq)/Fe (s): E° = –0.44 V

• ศรัทธา³⁺ (นี่)/เฟ²⁺ (aq): E° = 0.77 V

• อ₂ (ช)/OH^– (aq): E° = 0.82 V

ค่าที่แสดงนั้น กระบวนการที่ Fe ถูกออกซิไดซ์โดย O นั้นเกิดขึ้นเองทางเคมี₂ ละลายในน้ำเนื่องจากเหล็กมีศักยภาพในการลดมาตรฐานที่ต่ำกว่า ดังนั้นเราจึงต้อง:

เฟ (s) → เฟ²⁺ (aq) + 2 และ^–

อ₂ (ช) + 2H₂O(l) + 4 และ^– → 4OH^– (ที่นี่)

กล่าวโดยสังเขป การเกิดสนิมสามารถกำหนดได้ดังนี้:

2 เฟ²⁺ (aq) + อ₂ (ช) + 4 โอ^– (aq) → 2 FeOOH (s) + 2 H₂โอ(ล)

แม้ว่าความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศจะคงที่ แต่ความสามารถในการละลายในน้ำต่ำ (1.4 x 10^–3 โมล แอล^–1 ชม₂O ที่ 20 °C) ซึ่งจะถูกใช้อย่างรวดเร็วบนผิวเหล็ก (โลหะผสมประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่). แม้ว่าจะมีการเติมอากาศอย่างต่อเนื่อง แต่ออกซิเจนนี้จะต้องผ่านชั้นทุกครั้ง ชั้นสนิมหนาขึ้นเพื่อโจมตีเหล็กอีกครั้งซึ่งจะทำให้ความเร็วของสนิมช้าลงเมื่อเวลาผ่านไป การกัดกร่อน

ประเภทของสนิม

 จานดาวเทียมขึ้นสนิม.

สนิมจะมีสีแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปริมาณออกซิเจนและความชื้น

• สนิมแดง: อุดมด้วย Fe₂อ₃∙ช₂O (ไฮเดรตไอรอน III ออกไซด์) เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนและความชื้นสูง เป็นรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุด ก่อตัวสม่ำเสมอ

• สนิมเหลือง: อุดมด้วย FeO(OH)H₂O (หรือเฟ (OH)₃) เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง มักพบในโลหะที่มีน้ำนิ่งปริมาณมาก เช่น ใกล้อ่างล้างหน้าและอ่างอาบน้ำ

• สนิมดำ: อุดมด้วย Fe₃อ₄เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำและมีความชื้นปานกลาง ปรากฏเป็นจุดสีดำ ไม่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ดังนั้นจึงง่ายต่อการต่อสู้

• สนิมสีน้ำตาล: อุดมด้วย Fe₂อ₃เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนสูงและความชื้นต่ำ (แม้ว่าจะไม่มีก็ตาม) ด้วยเหตุนี้ สนิมจึงเป็นประเภทที่แห้งกว่ามาก ไม่เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ แต่เกิดเฉพาะจุดบนพื้นผิว

ดูเพิ่มเติม: การกัดกร่อนมีกี่ประเภท?

องค์ประกอบทางเคมีของสนิม

กล่าวกันทั่วไปว่า สนิมประกอบด้วยไฮเดรตไอรอน III ออกไซด์ (Fe₂อ₃∙ช₂O) แต่สามารถเข้าใจได้ว่ามีธาตุเหล็กชนิดอื่นอยู่ในองค์ประกอบ. เหมือนเหล็ก มันเป็นโลหะ มีความเสถียรเล็กน้อยเมื่อสัมผัสกับออกซิเจนในอากาศ เป็นเรื่องปกติที่ชิ้นส่วนของโลหะนี้จะก่อตัวเป็นชั้นบางๆ ของ Fe₃อ₄ (แมกนีไทต์) บนพื้นผิวของมัน การสัมผัสกับออกซิเจนในอากาศและความชื้นอย่างต่อเนื่องทำให้เกิดสปีชีส์ที่ถูกออกซิไดซ์อื่นๆ เช่น FeOOH ในรูปแบบผลึก α-FeOOH (โกเอไทต์) และ γ-FeOOH (lepidocrocite) ชนิดนี้ซ้อนทับกันเป็นชั้นตามแนวสนิม

ผลที่ตามมาของการเกิดสนิม

กระบวนการเกิดสนิมอยู่ในขอบเขตของการกัดกร่อนเป็นปัญหาที่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อเศรษฐกิจของประเทศอุตสาหกรรมและประเทศที่พัฒนาแล้ว

ประมาณว่าประมาณ 30% ของการผลิตเหล็กและเหล็กกล้าของโลกสูญเสียไปจากการกัดกร่อนค่าใช้จ่ายที่สามารถสอดคล้องกับ 1 ถึง 5% ของ GDP ของประเทศ ตัวอย่างเช่น ในปี 2019 บราซิลใช้เงินประมาณ 290 พันล้านเรียลบราซิล (ประมาณ 4% ของ GDP) ในการบำรุงรักษาการกัดกร่อน

ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาโครงสร้างเป็นสิ่งที่จำเป็น เนื่องจากการทดแทนอาจมีราคาแพงกว่า และนอกจากนี้ สนิมยังสร้างความเสียหายอย่างร้ายแรงต่อความปลอดภัยของโครงสร้าง. เมื่อออกซิไดซ์ โลหะจะสูญเสียคุณสมบัติเชิงกลที่ดี โดยทั่วไปแล้วออกไซด์ที่เกิดขึ้นจะเปราะบางและสามารถทำลายชิ้นส่วน โครงสร้าง และอุปกรณ์ได้ ไม่เพียงแค่นั้น พวกเขายังสามารถปนเปื้อนผลิตภัณฑ์ที่บรรจุหีบห่อได้ เช่น หากเป็นอาหาร

โครงสร้างโลหะถูกกัดกร่อน

นอกเหนือจากค่าใช้จ่ายโดยตรงในการเปลี่ยนและบำรุงรักษาชิ้นส่วนที่เป็นสนิม สนิม ยังนำมาซึ่งปัญหาทางอ้อมได้อีกด้วย. โครงสร้าง เช่น สะพานหรือสะพานลอย ซึ่งจำเป็นต้องปิดซ่อมบำรุง อาจทำให้การสัญจรของผู้คนหยุดชะงัก ส่งผลกระทบต่อชุมชนและกิจวัตรการทำงาน เครื่องจักรที่เป็นสนิมอาจสูญเสียประสิทธิภาพหรือถูกถอดออกจากสายการผลิตเพื่อซ่อมบำรุง ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพการผลิตลดลง

วิธีหลีกเลี่ยงสนิม?

ปัจจุบันมีเทคนิคการต้านออกซิเดชันหรือป้องกันการกัดกร่อนที่ช่วยลดการเกิดสนิมบนชิ้นส่วนโลหะได้อย่างมาก ในหมู่พวกเขาเราสามารถเน้นบางอย่างเช่น การป้องกันแคโทดิกและแอโนดิก การเคลือบป้องกันการกัดกร่อน และสารยับยั้งการกัดกร่อน.

 ตัวป้องกันแคโทดบนตัวเรือ

ในการป้องกันแบบแคโทดิก โลหะที่น่าสนใจได้รับการปกป้องโดยโลหะที่ออกซิเดชันได้ง่ายกว่า (ค่าศักย์ไฟฟ้ารีดักชันต่ำกว่า) ซึ่งแทรกอยู่ในโครงสร้าง ซึ่งก่อให้เกิดเซลล์กัลวานิก ด้วยวิธีนี้ โลหะที่ใส่เข้าไปจะทำหน้าที่เป็นแอโนด ออกซิไดซ์ และปกป้องโครงสร้างโลหะที่สนใจ ซึ่งทำหน้าที่เป็นแคโทดและยังคงอยู่ในรูปแบบรีดักชัน (โลหะ) แอโนดที่ใส่เข้าไปเป็นที่รู้จักกันทั่วไปในเทคนิคนี้ว่า "โลหะสังเวย" เพราะมันออกซิไดซ์แทนที่อีกอันหนึ่ง

การใช้สารเคลือบป้องกันโครงสร้างโลหะจากการสัมผัสกับสภาพแวดล้อมออกซิเดชั่น ดังนั้นการสร้างเกราะป้องกันที่จะขัดขวางหรือแม้แต่ป้องกันการก่อตัวของสนิม ตัวอย่างคือสีอีพอกไซด์และตะกั่วแดงซึ่งปกป้องท่อ ราวบันได ประตู และอื่นๆ การเคลือบผิวที่เป็นที่รู้จักอีกอย่างหนึ่งคือการเคลือบผิวด้วยสังกะสี ซึ่งประกอบด้วยการเคลือบชิ้นส่วนเหล็กด้วยโลหะที่มีเกียรติน้อยกว่า นี่คือกรณีของสกรูสังกะสีซึ่งโครงสร้างเหล็กเคลือบด้วยโลหะสังกะสี

ช่างเหล็กชุบกัลวาไนซ์.

สารยับยั้งการกัดกร่อนเป็นสารเคมีที่มีลักษณะเป็นอินทรีย์หรืออนินทรีย์ซึ่งถูกเพิ่มเข้าไปในสิ่งแวดล้อมเพื่อป้องกันกระบวนการเกิดสนิม แนวคิดคือการสร้างผลิตภัณฑ์ในตัวกลางที่สร้างฟิล์มป้องกันและทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันโลหะ ทำให้สัมผัสกับตัวกลางออกซิไดซ์ได้ยาก เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีป้องกันสนิม คลิก ที่นี่.

สนิมกับการกัดกร่อนต่างกันอย่างไร?

สนิมเป็นสารที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการกัดกร่อนของเหล็กและโลหะผสมของมัน เช่น เหล็กกล้า การกัดกร่อนนั้นกว้างกว่าเนื่องจากเกี่ยวข้องกับกระบวนการทำลายโลหะและโลหะผสมที่เกิดขึ้นเองทั้งหมด เกิดจากปฏิกิริยาเคมี ชีวเคมี และไฟฟ้าเคมีระหว่างโลหะและโลหะผสมกับสิ่งแวดล้อม สิ่งแวดล้อม. ในระหว่างการกัดกร่อน โลหะจะถูกแปลงเป็นสารประกอบที่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์มากกว่า เช่น ออกไซด์ ไฮดรอกไซด์ เกลือ หรือคาร์บอเนต ดังนั้นเราจึงสามารถพูดได้ว่า การเกิดสนิมเป็นหนึ่งในกระบวนการกัดกร่อน.

ผู้เขียนบางคนกล่าวว่าสนิมเป็นผลมาจากกระบวนการของการกัดกร่อนแบบเปียกหรือการกัดกร่อน เคมีไฟฟ้า เนื่องจากกระบวนการดังกล่าวจำเป็นต้องมีน้ำจึงจะเกิดขึ้นและเกิดขึ้น เป็นธรรมชาติ

แหล่งที่มา

AZ สนิม สนิมคืออะไร & ประเภทของสนิมที่พบบ่อยที่สุด. AZ สนิม c2023 มีอยู่ใน: https://azrust.com/what-is-rust/.

คาร์เนโร, ซี. การใช้จ่ายเพื่อป้องกันการกัดกร่อนของเหล็กส่งผลกระทบต่อ 4% ของ GDP ของบราซิล. SEGS, 2022. มีอยู่ใน: https://www.segs.com.br/mais/economia/338194-gastos-para-conter-corrosao-do-aco-impactam-4-do-pib-brasileiro.

เทคโนโลยีพื้นผิวแบบเคอร์ทิส-ไรท์ ประเภทของการเกิดสนิมและการรักษาพื้นผิวโลหะช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชันได้อย่างไร. Curtiss-Wright Surface Technologies, 2020. มีอยู่ใน: https://www.cwst.co.uk/types-of-rusting-and-how-metal-surface-treatment-can-help-prevent-oxidation/.

เมอร์เซียร์, เจ. ป.; ZAMBELLI, G.; เคิร์ซ, ดับเบิลยู. การกัดกร่อน การเสื่อมสภาพ และการเสื่อมสภาพ ใน: ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับวัสดุศาสตร์, พี 379-399, 2002.

เมอร์คอน, เอฟ; กิมาเรส, พี. ฉัน. ว.; ไมเนียร์, เอฟ. ข. การกัดกร่อน: ตัวอย่างทั่วไปของปรากฏการณ์ทางเคมี เคมีใหม่ที่โรงเรียน. น. 19, 2004. มีอยู่ใน: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc19/a04.pdf.

โปปอฟ, ข. เลขที่ วิศวกรรมการกัดกร่อน: หลักการและปัญหาที่แก้ไข. อ็อกซ์ฟอร์ด: เอลส์เวียร์ 2558

ซิลวา ม. โวลต์ ฉ.; เปเรร่า, ม. ว.; โคดาโร, อี. น.; อักซีอารี, เอช. ก. การกัดกร่อนของเหล็กกล้าคาร์บอน: วิธีการสอนเคมีในชีวิตประจำวัน เคมีใหม่, v. 38 ไม่ 2 หน้า 293-296, 2015. มีอยู่ใน: https://s3.sa-east-1.amazonaws.com/static.sites.sbq.org.br/quimicanova.sbq.org.br/pdf/v38n2a22.pdf.

โดย Stefano Araujo Novais
ครูสอนเคมี

การกัดกร่อนของโลหะ โดยเฉพาะเหล็ก เกิดขึ้นในกระบวนการเคมีไฟฟ้าของปฏิกิริยารีดอกซ์

ทำความเข้าใจว่าทำไมอากาศในทะเลบริเวณชายฝั่งมีส่วนทำให้โครงสร้างโลหะสึกกร่อน

ประโยชน์และโทษที่เกิดจากออกซิเจน

การป้องกันการกัดกร่อนของเหล็กสามารถทำได้ด้วยสี เหล็กกล้าชนิดพิเศษ หรือการป้องกันแบบแคโทดิก

รู้ว่าคำว่า การกัดกร่อน หมายถึงอะไร และอะไรคือความแตกต่างระหว่างการกัดกร่อนทางเคมี เคมีไฟฟ้า และอิเล็กโทรไลต์