รู้รอบเรื่อง เคมี

ลำดับตอนที่ #52 : การกร่อน , การป้องกันการกร่อน

การกร่อน

เมื่อโลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือถูกออกซิไดซ์ จะมีการกร่อนของโลหะนั้น ๆ เกิดขึ้น ดังนั้นหลักของการป้องกันการกร่อนก็คือ การป้องกันไม่ให้โลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันนั่นเอง

          โลหะที่มีค่า E^๐ ครึ่งเซลล์รีดักชันสูงที่สุดได้แก่ ทองคำจะสามารถทนต่อการกร่อนได้มากที่สุด ทองคำจึงเป็นโลหะมีค่า แพลตินัม เงิน และทองแดงที่มีค่า E^๐ ครึ่งเซลล์รีดักชันเป็นบวกก็มีความสามารถทนต่อการกร่อนได้ดีรองลงมา ส่วนโลหะอื่น ๆ ก็จะเป็นโลหะที่ถูกออกซิไดซ์ได้ง่าย นั่นคือมีโอกาสกร่อนได้ง่ายกว่า ตัวอย่างการกร่อนที่พบได้บ่อยและชัดเจนคือการเกิดสนิมเหล็กหรือการเกิดออกไซด์ของเหล็ก เหล็กเป็นสนิมได้ก็ต่อเมื่อมีแก๊สออกซิเจนและน้ำอยู่ด้วย ปฏิกิริยาการเกิดสนิมเหล็กค่อนข้างซับซ้อนและมีลักษณะเฉพาะตัว แต่เชื่อว่ามีขั้นตอนที่สำคัญคือ

          ปฏิกิริยาออกซิเดชันเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวส่วนหนึ่งของเหล็กทำหน้าที่เป็นแอโนด ดังสมการ

Fe(s) Fe²⁺(aq) + 2e^-

          ออกซิเจนถูกรีดิวซ์ที่ผิวอีกส่วนหนึ่งของเหล็กซึ่งทำหน้าที่เป็นแคโทด เมื่อมีน้ำอยู่ด้วย ดังสมการ

2O₂ (g) + 4H₂O(l) + 8e^- 8OH^-(aq)

          และมีปฏิกิริยาต่อเนื่องต่อไปคือ

4Fe²⁺(aq) + 8OH^-(aq) 4Fe(OH)₂ (aq)

4Fe(OH)₂ (aq) + O₂ (g) 2Fe₂O₃.2H₂O(s) + H₂O(l)

          Fe₂O₃.2H₂O คือสนิมเหล็ก

การป้องกันการกร่อนของเหล็กมี 3 แบบ คือ การเคลือบผิว แบบแคโทดิก และแบบแพสสิเวชัน

          1. การเคลือบผิว (surface coating)

          เป็นการป้องกันไม่ให้เหล็กถูกกับแก๊สออกซิเจนและความชื้น ซึ่งเป็นการป้องกันการเกิดสนิมของเหล็กได้ เป็นวิธีที่สะดวก และให้ผลดีในการป้องกันการเกิดสนิม แต่ข้อควรระวังในการเคลือบผิวก็คือต้องเคลือบอย่างมิดชิด การเคลือบผิวมีวิธีดังต่อไปนี้

               • การเคลือบผิวด้วยพลาสติก

               • การเคลือบผิวด้วยสี

               • การเคลือบผิวด้วยน้ำมัน

               • การเคลือบผิวด้วยการรมดำ

• การเคลือบผิวด้วยการแอโนไดซ์ (anodization)

                  โลหะบางชนิดเช่น อะลูมิเนียม (E^๐ = -1.66 V) และสังกะสี (E^๐ = -0.76 V) ที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชันน้อยกว่าเหล็ก (E^๐ -0.44 V) ย่อมจะมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันได้ง่ายกว่าเหล็กมาก นั่นคือมีโอกาสที่จะเกิดสนิมหรือเกิดออกไซด์ได้ง่าย แต่ปรากฏว่าไม่เกิดการผุกร่อนในลักษณะที่เหมือนกับเหล็ก ทั้งนี้เพราะชั้นของอลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃)หรือซิงค์ออกไซด์ (ZnO) ที่เกิดขึ้นจะเคลือบเป็นผิวบาง ๆ คลุมอยู่บนผิวของโลหะนั้นเอาไว้ ทำให้เนื้ออลูมิเนียมหรือสังกะสีที่อยู่ข้างใต้ไม่กร่อน ส่วนออกไซด์ของเหล็กที่เกิดขึ้นที่ผิวของเหล็กมีลักษณะเป็นรูพรุน จึงป้องกันเนื้อเหล็กไม่ได้ และนอกจากอลูมิเนียมและสังกะสีแล้ว ยังมีดีบุกที่ถึงแม้จะมีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชัน -0.14 ซึ่งมีค่ามากกว่าเหล็ก เมื่อนำมาอยู่ใกล้เหล็กจะสามารถทำให้เหล็กกร่อนได้เร็วขึ้น แต่สามารถนำมาป้องกันการผุกร่อนได้เนื่องจากออกไซด์ของดีบุกจะเคลือบผิวของโลหะ แล้วจะทำให้โลหะไม่เกิดการผุกร่อนอีกต่อไป แต่การเคลือบด้วยดีบุกต้องเคลือบให้มิดชิด เพราะเมื่อใดก็ตามที่เหล็กสามารถสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนและน้ำได้ เหล็กก็จะถูกเร่งให้กร่อนเร็วขึ้นกว่าเดิม การเคลือบหรือการชุบโลหะซึ่งออกไซด์ของโลหะมีคุณสมบัติพิเศษนี้ เรียกว่า วิธีแอโนไดซ์

          2. แบบแคโทดิก (cathodic protection)

          

          เป็นที่ทราบแล้วว่า โลหะเกิดการผุกร่อนจากการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี โดยโลหะจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเช่นเดียวกับแอโนดในเซลล์กัลวานิกหรือเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นถ้าไม่ต้องการให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทดหรือคล้ายกับแคโทด โดยใช้โลหะที่เสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าเหล็ก (มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชันน้อยกว่าเหล็ก) ไปอยู่กับเหล็กเช่น การเชื่อมต่อแมกนีเซียมตามท่อ หรือตามโครงเรือ จะทำให้เหล็กผุกร่อนช้าลง เนื่องจากแมกนีเซียมเสียอิเล็กตรอนง่ายกว่าเหล็ก จะเสียอิเล็กตรอนแทน เปรียบเสมือนกับให้แมกนีเซียมเป็นแอโนด และให้เหล็กเป็นแคโทด จึงเรียกวิธีนี้ว่า วิธีแคโทดิก

          3. แบบแพสสิเวชัน (passivation protection)

          เป็นการป้องกันการกร่อนของเหล็กด้วยการทำให้ผิวของเหล็กเฉื่อยต่อปฏิกิริยา โดยนำเหล็กไปชุบด้วยตัวออกซิไดซ์เช่น กรดไนตริก จะเกิดเป็นออกไซด์บาง ๆ เคลือบบนผิวของเหล็ก หรือการเติมสารโซเดียมโครเมตลงในหม้อน้ำรถยนต์ก็จะป้องกันการเกิดสนิมได้เช่นกัน