17.6 Tæring

Tæring (e. corrosion) er yfirleitt skilgreind sem niðurbrot málma vegna náttúrulegs rafefnafræðilegs ferlis. Myndun ryðs á járni, slikja á silfri og blágræna spanskgrænan sem myndast á kopar eru allt dæmi um tæringu. Heildarkostnaður við aðgerðir gegn tæringu í Bandaríkjunum er verulegur, en áætlanir gera ráð fyrir að hann sé meiri en hálf billjón dollara á ári.

Efnafræði í daglegu lífi

Frelsisstyttan: Litabreytingar Frelsisstyttan er kennileiti sem allir Bandaríkjamenn þekkja. Auðvelt er að þekkja Frelsisstyttuna af hæð hennar, stellingu og einstökum blágrænum lit (Mynd 17.15). Þegar styttan var fyrst afhent frá Frakklandi var hún ekki græn. Hún var brún, á litinn eins og kopar„húðin“ hennar. Hvernig breyttist litur Frelsisstyttunnar? Breytingin á útlitinu var bein afleiðing tæringar. Koparinn, sem er aðalefnið í styttunni, oxaðist hægt og rólega vegna loftsins. Oxunar-afoxunarhvarf koparmálms í umhverfinu á sér stað í nokkrum skrefum. Koparmálmur oxast yfir í kopar(I)oxíð (Cu₂O), sem er rautt, og síðan yfir í kopar(II)oxíð, sem er svart.

2Cu (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {Cu}_{2} O (s) (red)

{Cu}_{2} O (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ 2CuO (s) (black)

Kol, sem oft voru rík af brennisteini, voru mikið brennd í byrjun síðustu aldar. Fyrir vikið hvarfaðist brennisteinstríoxíð, koldíoxíð og vatn í andrúmsloftinu allt við CuO.

2CuO (s) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {CO}_{3} {(OH)}_{2} (s) (green)

3CuO (s) + {2CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{3} {{(CO}_{3})}_{2} {(OH)}_{2} (s) (blue)

4CuO (s) + {SO}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{4} {SO}_{4} {(OH)}_{6} (s) (green)

Þessi þrjú efnasambönd eru ábyrg fyrir hinum einkennandi blágræna spanskgræna sem sést á Frelsisstyttunni (og öðrum koparmannvirkjum utandyra). Sem betur fer myndar spanskgrænan verndandi lag á yfirborði koparsins sem kemur í veg fyrir frekari tæringu á koparnum undir. Myndun verndarlagsins er kölluð húðun, fyrirbæri sem fjallað er nánar um í öðrum kafla þessa texta.

Mynd 17.15 (a) Frelsisstyttan er þakin koparhúð og var upphaflega brún, eins og sést á þessu málverki. (b) Snerting við veður og vind hefur leitt til myndunar blágrænu spanskgrænunnar sem sést í dag.

Kannski er kunnuglegasta dæmið um tæringu myndun ryðs á járni. Járn ryðgar þegar það kemst í snertingu við súrefni og vatn. Ryðmyndun felur í sér myndun galvanískrar rafhlöðu á yfirborði járns, eins og sýnt er í Mynd 17.15. Viðeigandi oxunar-afoxunarhvörf eru lýst með eftirfarandi jöfnum:

\begin{matrix} anode: & Fe (s) ⟶ {Fe}^{2+} (a q) + 2 e^{−} & E_{{Fe}^{2+} /Fe}^{°} & = & −0,44 V \\ cathode: & O_{2} (g) + 4 H^{+} (a q) + 4 e^{−} ⟶ 2 H_{2} O (l) & E_{O_{2} {/O}^{2}}^{°} & = & +1,23 V \\ overall: & 2Fe (s) + O_{2} (g) + {4H}^{+} (a q) ⟶ 2 {Fe}^{2+} (a q) + 2 H_{2} O (l) & E_{cell}^{°} & = & +1,67 V \end{matrix}

Frekara efnahvarf járn(II) myndefnisins í röku lofti leiðir til myndunar járn(III)oxíðhýdrats sem kallast ryð:

4 {Fe}^{2+} (a q) + O_{2} (g) + (4 + 2 x) H_{2} O (l) ⟶ 2 {Fe}_{2} O_{3} · x H_{2} O (s) + 8 H^{+} (a q)

Hlutfallaefnafræði hýdratsins er breytileg, eins og notkun x í formúlu efnasambandsins gefur til kynna. Ólíkt spanskgrænunni á kopar myndar ryðmyndun ekki verndandi lag og því heldur tæring járnsins áfram þar sem ryðið flagnar af og afhjúpar nýtt járn fyrir andrúmsloftinu.

Mynd 17.16 Tæring getur átt sér stað þegar málað yfirborð úr járni eða stáli verður fyrir umhverfinu vegna rispu í málningunni. Þá myndast galvanísk rafhlaða sem má nálgast með einfaldaðri skýringarmynd rafhlöðunnar Fe(s) | Fe²⁺(aq) ||O₂(aq), H₂O(l) | Fe(s).

Ein leið til að koma í veg fyrir að járn tærist er að halda því máluðu. Málningarlagið kemur í veg fyrir að vatn og súrefni, sem eru nauðsynleg fyrir ryðmyndun, komist í snertingu við járnið. Svo lengi sem málningin er heil er járnið varið gegn tæringu.

Meðal annarra aðferða er að blanda járnið í melmi með öðrum málmum. Til dæmis er ryðfrítt stál melmi úr járni sem inniheldur lítið magn af krómi. Krómið hefur tilhneigingu til að safnast nálægt yfirborðinu, þar sem það tærist og myndar húðandi oxíðlag sem verndar járnið.

Einnig er hægt að verja járn og aðra málma gegn tæringu með galvaníseringu (e. galvanization), ferli þar sem málmurinn sem á að verja er húðaður með lagi af málmi sem oxast auðveldar, yfirleitt sinki. Þegar sinklagið er heilt kemur það í veg fyrir að loft komist í snertingu við járnið undir og kemur þannig í veg fyrir tæringu. Ef sinklagið rofnar, annaðhvort vegna tæringar eða vélræns slits, getur járnið samt verið varið gegn tæringu með katóðuvörn, ferli sem lýst er í næstu málsgrein.

Önnur mikilvæg leið til að verja málm er að gera hann að katóðu í galvanískri rafhlöðu. Þetta er katóðuvörn (e. cathodic protection) og er hægt að nota fyrir aðra málma en bara járn. Til dæmis er hægt að koma í veg fyrir eða draga verulega úr ryðgun neðanjarðargeyma og -lagna úr járni með því að tengja þá við virkari málm eins og sink eða magnesíum (Mynd 17.17). Þetta er einnig notað til að verja málmhluta í hitakútum. Virkari málmarnir (lægri afoxunarmættir) eru kallaðir fórnaranóður (e. sacrificial anodes) vegna þess að þeir eyðast upp þegar þeir tærast (oxast) við anóðuna. Málmurinn sem verið er að verja þjónar sem katóða fyrir afoxun súrefnis í lofti og þjónar því einfaldlega til að leiða (ekki hvarfast við) rafeindirnar sem eru fluttar. Þegar fylgst er rétt með anóðunum og þær endurnýjaðar reglulega er hægt að lengja endingartíma járngeymisins til muna.

Mynd 17.17 Katóðuvörn er gagnleg aðferð til að koma í veg fyrir tæringu neðanjarðargeyma með rafefnafræðilegum hætti.

Námsmarkmið