Hợp kim - Sự ăn mòn kim loại SVIP

I. HỢP KIM

1. Khái niệm hợp kim và việc sử dụng phổ biến của hợp kim

Hợp kim là vật liệu kim loại chứa một kim loại cơ bản và một số kim loại khác hoặc phi kim.

Ví dụ: Inox (thép không gỉ) là hợp kim của Fe với một số nguyên tố khác như C, Cr, Ni,...

Dụng cụ y tế làm từ thép không gỉ

2. Tính chất của hợp kim

- Tính chất vật lí và tính chất cơ học của hợp kim thường khác so với các kim loại thành phần.

- Tính chất hóa học của hợp kim thường tương tự các kim loại thành phần.

- Hợp kim thường dẫn điện và dẫn nhiệt kém hơn kim loại thành phần.

- Hợp kim thường có độ cứng cao hơn, độ dẻo kém hơn so với kim loại thành phần.

- Nhiệt độ nóng chảy của hợp kim phụ thuộc vào kim loại thành phần nhưng khác so với đơn chất kim loại tạo nên nó.

3. Một số hợp kim của sắt và nhôm

a. Hợp kim của sắt

Gang và thép là hai hợp kim điển hình của sắt.

➤ Thép

- Thành phần: Sắt (Fe), dưới 2% carbon (C) và lượng nhỏ các nguyên tố khác như Cr, Mn, Si,...

- Tính chất: Độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt.

- Ứng dụng: Chế tạo máy móc, thiết bị, dụng cụ y tế, đồ gia dụng, nguyên liệu xây dựng,...

➤ Gang

- Thành phần: 95% Fe, từ 2 đến 5% carbon và một lượng nhỏ các nguyên tố khác như Mn, Si, P, S,...

- Tính chất: Cứng và giòn hơn sắt nguyên chất.

- Ứng dụng: Sản xuất thép, chế tạo dụng cụ đun nấu, các chi tiết máy,...

b. Hợp kim của nhôm

Duralumin là hợp kim có nhiều ứng dụng trong thực tiễn.

- Thành phần: Khoảng 90% Al cùng với Cu, Mn, Mg, Si,...

- Tính chất: Nhẹ, bền và cứng.

- Ứng dụng: Chế tạo máy bay, ô tô, tên lửa và các thiết bị cần độ bền cao.

II. ĂN MÒN KIM LOẠI

1. Hiện tượng ăn mòn và khái niệm ăn mòn

Ăn mòn kim loại là quá trình kim loại hoặc hợp kim bị phá hủy dưới tác dụng của các chất có trong môi trường, trong đó kim loại bị oxi hóa thành hợp chất có số oxi hóa cao hơn.

Ví dụ: Vỏ tàu biển bằng thép bị gỉ sau khi đi trên biển.

2. Các dạng ăn mòn kim loại

a. Ăn mòn hóa học

Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa - khử trực tiếp giữa kim loại với các chất oxi hóa có trong môi trường.

Ví dụ: Bộ phận thiết bị của lò đốt bị ăn mòn hóa học bởi khí oxygen.

\(3Fe\left(s\right)+2O_2\left(g\right)\overset{t^{o}}{\rarr}Fe_3O_4\left(s\right)\)

b. Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn kim loại do có sự tạo thành pin điện.

Ví dụ: Gang bị ăn mòn trong không khí ẩm.

Trên bề mặt của gang, thép luôn có một lớp nước mỏng đã hòa tan khí O₂ và CO₂ tạo thành dung dịch chất điện li. Sắt và carbon cùng tiếp xúc với dung dịch tạo thành vô số pin điện hóa rất nhỏ.

➤ Tại anode:

\(Fe\left(s\right)\rarr Fe^{2+}\left(aq\right)+2e\)

➤ Tại cathode:

\(\dfrac{1}{2}O_2\left(g\right)+H_2O\left(l\right)+2e\rarr2OH^{-}\left(aq\right)\)

Sau đó, ion Fe²⁺ tiếp tục bị oxi hóa bởi O₂ có trong không khí, tạo thành gỉ sắt (Fe₂O₃.nH₂O).

Điều kiện xảy ra quá trình ăn mòn điện hóa:

- Có ít nhất hai kim loại khác nhau hoặc một kim loại và một phi kim để tạo thành hai điện cực.

- Hai điện cực tiếp xúc với nhau trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua dây dẫn điện.

- Hai điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li.

3. Chống ăn mòn kim loại

a. Phương pháp phủ bề mặt

Nguyên tắc: Dùng lớp phủ (sơn, mạ, bôi dầu,...) để cách li kim loại khỏi môi trường, hạn chế sự ăn mòn.

b. Phương pháp điện hóa

Nguyên tắc: Nối kim loại cần bảo vệ với một kim loại khác hoạt động hóa học mạnh hơn để kim loại hoạt động mạnh hơn bị ăn mòn trước, bảo vệ kim loại còn lại.

Ví dụ: Để bảo vệ tàu biển làm bằng thép, người ta gắn các tấm kẽm lên vỏ tàu (phần chìm dưới nước).