เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับการผุกร่อนของโลหะ (การเกิดสนิม)

การผุกร่อนของโลหะ (การเกิดสนิม)

ตัวอย่างการเกิดสนิมของโลหะ

ที่มา : https://sites.google.com/site/rokhcakbaekhthireiy/rokh-badthayak

เหล็กเป็นโลหะที่มนุษย์นิยมนำมาใช้ประโยชน์ เนื่องจากความแข็งแกร่งและมีราคาถูก แต่ในชีวิตประจำวัน เรามักจะพบสิ่งต่าง ๆ ที่ทำจากโลหะหรือมีโลหะเป็นส่วนประกอบด้วยเช่นที่อยู่อาศัย ยานพาหนะ อุปกรณ์ เครื่องใช้ต่าง ๆ สิ่งเหล่านี้ในช่วงแรกจะสวยงาม แข็งแรง แต่เมื่อเวลาผ่านไป อาจเกิดการกัดกร่อน (สนิม) ซึ่งนอกจากจะทำให้ไม่สวยงามแล้ว ถ้าอุปกรณ์เหล่านี้เป็นส่วนประกอบหลักที่ต้องการความแข็งแรง เช่น โครงหลังคาบ้าน หากเกิดการกัดกร่อนก็จะยิ่งเป็นอันตราย ดังนั้นเราจึงควรเรียนรู้เกี่ยวกับการกัดกร่อนของโลหะไว้เพื่อจะได้หาทางป้องกันต่อไป

การกัดกร่อนของโลหะหรือที่เมื่อก่อนเรียกว่าการผุกร่อนของโลหะหรือที่เราเรียกกันทั่วไปว่าการเกิดสนิม (rust) โดย สนิมเป็นโลหะส่วนที่มีการเปลี่ยนสภาพไปจากเดิม เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ อาจจะกินเวลายาวนาน เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาเคมีที่มีอากาศ น้ำ หรือความร้อนเป็นตัวการสำคัญทำให้โลหะมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเดิม โดยโลหะจะค่อย ๆ สึกกร่อน กลายเป็นเหล็กออกไซด์ มีชื่อทางเคมีว่า ไฮเดรตเฟอริกออกไซด์ (Hydrated ferric oxide: Fe₂O₃·xH₂O) หรือที่เรารู้จักกันว่า สนิมเหล็ก มีลักษณะเป็นคราบสีแดง ซึ่งไม่สามารถเกาะอยู่บนผิวของเหล็กได้อย่างเหนียวแน่น สามารถหลุดออกออกไปได้ง่าย ทำให้เนื้อเหล็กที่อยู่ชั้นในสามารถเกิดสนิมต่อจนกระทั่งหมดทั้งชิ้น กระบวนการเกิดสนิมค่อนข้างซับซ้อน  

ความหมายของการผุกร่อนของโลหะหรือการเกิดสนิม

การผุกร่อนของโลหะหรือการเกิดสนิม คือ กระบวนการทางไฟฟ้าเคมีที่ทำให้วัสดุที่มีโลหะเป็นองค์ประกอบเปลี่ยนสภาพเป็นโลหะออกไซด์หรือเป็นโลหะไอออนในภาวะแวดล้อมรอบๆที่สามารถทำให้โลหะเปลี่ยนสภาพไป

กระบวนการเกิดสนิมเหล็ก

การกัดกร่อนของเหล็กหรือการเกิดสนิมเหล็ก เกิดจากผิวเหล็กสัมผัสกับน้ำ (H₂O) และแก๊สออกซิเจน (O₂) ทำให้มีการให้และรับอิเล็กตรอนเกิดขึ้นโดยเหล็กเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันให้ 2 อิเล็กตรอนหรือเรียกว่าเหล็กถูกออกซิไดซ์ให้เป็นเฟอร์รัสไอออน หรือไอร์ออน (II) ไอออน (Fe²⁺)

กระบวนการการเกิดสนิมเหล็ก
ที่มา : https://abhsscience.wikispaces.com/Rusting+SB

แอโนด Fe(s) เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน อะตอมของเหล็กจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือ ถูกออกซิ ไดซ์เป็น Fe²⁺

Fe(s) ®Fe²⁺(aq) + 2e-

แคโทด H₂O(l) และ O₂(g) เกิดปฏิกิริยารีดักชัน โดยมีน้ำและแก๊สออกซิเจนเกิดปฏิกิริยารีดักชันเข้ามารับอิเล็กตรอนหรือเรียกว่าถูกรีดิวซ์เป็นไฮดรอกไซด์ไอออน (OH^-)

O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e–®4OH^-(aq)

สรุปปฏิกิริยาการเกิดสนิมเหล็ก

แอโนด            2{Fe(s) ® Fe²⁺(aq) + 2e-}

แคโทด            O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e– ® 4OH^-(aq)

ปฏิกิริยารวม     2Fe(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) ® 2Fe²⁺(aq) + 4OH^-(aq)

Fe²⁺(aq) และ OH^-(aq) สามารถทำปฏิกิริยากันต่อ ได้เป็นตะกอนเฟอร์รัสไฮดรอกไซด์หรือไอร์ออน (II) ไฮดรอกไซด์ ที่ไม่ละลายน้ำดังสมการ

Fe²⁺(aq) + 2OH-(aq)  ®  Fe(OH)₂(s)

                                   ตะกอนเฟอร์รัสไฮดรอกไซด์

และตะกอนเฟอร์รัสไฮดรอกไซด์จะทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจนในอากาศต่อไปอีกได้เป็นตะกอน เฟอร์ริกไฮดรอกไซด์หรือไอร์ออน (III) ไฮดรอกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำดังสมการ

4Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) ® 4Fe(OH)₃(s)

                                                ตะกอนเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์

ตะกอนเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์จะเปลี่ยนเป็นเฟอร์ริกออกไซด์หรือไอร์ออน (III) ออกไซด์ที่มีน้ำผลึกอยู่ในโมเลกุลซึ่งเรียกว่าสนิมเหล็ก มีสีน้ำตาลแดง เนื่องจากน้ำผลึกในโมเลกุลมีได้หลายค่า อาจเป็น 1 หรือ 2 โมเลกุล หรืออื่น ๆ จึงเขียนสูตรทั่วไปเป็นดังนี้

Fe(OH)₃(s)   ®   Fe₂O₃·xH₂O(s)

                              เฟอร์ริกออกไซด์(xน้ำผลึก) 

สนิมเหล็ก(สีน้ำตาลแดง)

การเกิดสนิมเหล็กนอกจากจะเกิดจากเหล็กทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจนแล้ว ในธรรมชาติเรายังพบว่าแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศก็มีส่วนทำให้เกิดสนิมเหล็กได้เช่นเดียวกัน กระบวนการที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะละลายน้ำแล้วเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (Carbonic acid) ซึ่งเป็นกรดอ่อนและจะแตกตัวให้ไฮโดรเจนหรือไฮโดรเนียมไอออน

CO₂(g) + H₂O(l)          ® H₂CO₃(aq)

H₂CO₃(aq)                 ® H⁺(aq) + CO₃^2-(aq)

O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e– ®2H₂O (l)

แล้วไฮโดรเจนไอออนจะรับอิเล็กตรอนจากเหล็ก ทำให้เหล็กเกิดการกัดกร่อนหรือเกิดสนิมในทานองเดียวกับทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจน

รายละเอียดจะเป็นดังนี้

เริ่มต้นเหล็กเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันให้อิเล็กตรอนที่แอโนด

แอโนด 2{Fe(s) ®Fe²⁺(aq) + 2e-}

ต่อมาออกซิเจนและไฮโดรเจนไอออนเกิดปฏิกิริยารีดักชันรับอิเล็กตรอนที่แคโทด

แคโทด O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e–®2H₂O (l)

ปฏิกิริยารวม 2Fe(s) + O₂(g) + 4H⁺(aq) ®2Fe²⁺(aq) + 2H₂O (l)

หลังจากนั้นก็จะเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องกันไปจนในที่สุดจะได้เป็นสนิมเหล็ก

เขียนเป็นสมการง่าย ๆ สำหรับการเกิดสนิมเหล็กจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดังนี้

Fe(s) + CO₂(g) + H₂O(l)……….. ®Fe₂O₃.xH₂O(s)

                สนิมเหล็ก

สาเหตุของการกัดกร่อนของโลหะหรือปัจจัยที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะซึ่งมีหลายประการ เช่น

• การทำปฏิกิริยากับน้ำและแก๊สออกซิเจน
• การทำปฏิกิริยากับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์หรือกรด
• การทำปฏิกิริยากับไอเกลือเข้มข้น เช่น บริเวณใกล้ทะเล
• สัมผัสกับโลหะที่มีศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของครึ่งเซลล์สูงกว่า

นอกจากนี้โลหะอื่นๆก็เกิดการผุกร่อนได้ เช่น ทองแดงและเงิน แต่ การผุกร่อนจะเป็นไปอย่างช้าๆเพราะเป็นโลหะที่ให้อิเล็กตรอนยาก

สนิมเหล็กมีสีน้ำตาลแดง เมื่อเปื้อนเสื้อผ้าจะซักล้างออกยาก แต่รอยเปื้อนของสนิมเหล็กสามารถกำจัดออกได้ โดยใช้ กรดออกซาลิก (Oxalic acid : C₂H₂O₄) ซึ่งมี pH ประมาณ 4-5 เมื่อละลายน้ำ แล้วจะแตกตัวได้ H ⁺ และ C₂O₄ ^2- จะรวมกับ Fe³⁺ ในสนิมเหล็ก เกิดเป็นไตรออกซาเลตไอร์ออน(III)ไอออนที่ละลายน้ำได้

ที่มา : http://hio2home.lnwshop.com/

ตอนนี้เราก็ทราบกันแล้วนะคะว่าการเกิดสนิมเหล็กเกิดจากสาเหตุอะไรบ้าง และมีกระบวนการเกิดสนิมได้อย่างไร เมื่อเราทราบแบบนี้แล้วเราก็จะต้องหาวิธีป้องกันการเกิดสนิมกันต่อไป เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะเกิดสนิมเหล็ก หรือยืดเวลาการใช้งานของโลหะออกไปนั่นเอง

ที่มาข้อมูล : 

• จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.(ม.ป.ป). การผุกร่อนของโลหะและการป้องกัน.สืบค้นเมื่อ 30 พฤศจิกายน, 2559, จาก http://www.phukhieo.ac.th/obec-media/2555/manual/%A4%D9%E8%C1%D7%CD%E0%A4%C1%D5/52_%A1%D2%C3%BC%D8%A1%C3%E8%CD%B9%A2%CD%A7%E2%C5%CB%D0%E1%C5%D0%A1%D2%C3%BB%E9%CD%A7%A1%D1%B9.pdf