Bài học

Sự ăn mòn kim loại và điều kiện gỉ sắt

Em sẽ làm được gì?

Giải thích được khái niệm ăn mòn kim loại, nêu được điều kiện để sắt bị gỉ nhanh, và dự đoán được kết quả thí nghiệm dựa trên việc có hay không có nước và oxygen.

Cần nhớ trước

Ôn lại phản ứng của sắt với acid, dung dịch muối (chương trước) và khái niệm oxide.

Khởi động

Một chiếc xe đạp cũ để ngoài sân, phơi mưa nắng, chỉ sau vài tháng đã đầy vết gỉ nâu đỏ. Nhưng cũng chiếc xe đó nếu được cất trong nhà, lau khô và bôi dầu, có thể dùng bền nhiều năm không gỉ. Điều gì đã tạo ra sự khác biệt?

Ăn mòn kim loại là gì?

Ăn mòn kim loại là hiện tượng kim loại bị oxi hóa dần bởi các chất trong môi trường xung quanh (oxygen, nước, hóa chất…), làm kim loại mất dần tính chất ban đầu, biến thành hợp chất kém bền và giòn. Với sắt, hiện tượng này gọi cụ thể là gỉ sắt (rỉ sét): sắt bị oxi hóa thành một hỗn hợp oxide sắt ngậm nước, thường viết gọn là Fe₂O₃.xH₂O — có màu nâu đỏ, xốp và giòn, không bảo vệ được lớp sắt bên trong (khác hẳn lớp Al₂O₃ đặc chắc của nhôm).

**Ăn mòn kim loại** là hiện tượng kim loại bị oxi hóa dần bởi các chất trong môi trường xung quanh (oxygen, nước, hóa chất…), làm kim loại mất dần tính chất ban đầu, biến thành hợp chất kém bền và giòn. Với sắt, hiện tượng này gọi cụ thể là **gỉ sắt** (rỉ sét): sắt bị oxi hóa thành một hỗn hợp oxide sắt ngậm nước, thường viết gọn là Fe₂O₃.xH₂O — có màu nâu đỏ, xốp và giòn, không bảo vệ được lớp sắt bên trong (khác hẳn lớp Al₂O₃ đặc chắc của nhôm).

Điều kiện để sắt bị gỉ

Từ thí nghiệm để đinh sắt trong các điều kiện khác nhau, người ta rút ra: sắt gỉ nhanh khi có đồng thời cả nước và oxygen. Nếu chỉ có một trong hai yếu tố, hoặc hoàn toàn không có cả hai, sắt gỉ rất chậm hoặc gần như không gỉ:

Đinh sắt trong không khí khô (đã hút hết hơi ẩm): có oxygen nhưng không có nước → hầu như không gỉ.
Đinh sắt ngâm hoàn toàn trong nước đã đun sôi để nguội, phủ một lớp dầu ở trên: có nước nhưng thiếu oxygen hòa tan (dầu ngăn oxygen không khí hòa tan vào nước) → hầu như không gỉ.
Đinh sắt trong không khí ẩm (vừa có hơi nước vừa có oxygen): gỉ rõ rệt.
Đinh sắt trong dung dịch nước muối: gỉ nhanh nhất, vì muối hòa tan làm dung dịch dẫn điện tốt hơn, đẩy nhanh quá trình ăn mòn.

Từ thí nghiệm để đinh sắt trong các điều kiện khác nhau, người ta rút ra: sắt gỉ nhanh khi có **đồng thời cả nước và oxygen**. Nếu chỉ có một trong hai yếu tố, hoặc hoàn toàn không có cả hai, sắt gỉ rất chậm hoặc gần như không gỉ: - Đinh sắt trong **không khí khô** (đã hút hết hơi ẩm): có oxygen nhưng không có nước → hầu như không gỉ. - Đinh sắt ngâm hoàn toàn trong **nước đã đun sôi để nguội, phủ một lớp dầu** ở trên: có nước nhưng thiếu oxygen hòa tan (dầu ngăn oxygen không khí hòa tan vào nước) → hầu như không gỉ. - Đinh sắt trong **không khí ẩm** (vừa có hơi nước vừa có oxygen): gỉ rõ rệt. - Đinh sắt trong **dung dịch nước muối**: gỉ **nhanh nhất**, vì muối hòa tan làm dung dịch dẫn điện tốt hơn, đẩy nhanh quá trình ăn mòn.

Thiếu một trong hai điều kiện (nước hoặc oxygen) đều làm chậm đáng kể quá trình gỉ sắt.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Giải thích hiện tượng thực tế (dạng chuẩn)

1
Vì sao đồ vật bằng sắt ở vùng ven biển thường gỉ nhanh hơn so với vùng khô, xa biển?
2
Không khí ở vùng biển có độ ẩm cao và chứa hơi muối (NaCl) — cung cấp cả nước và chất điện li hòa tan.
3
Sắt gỉ nhanh nhất khi có đủ nước, oxygen và đặc biệt là khi có thêm muối hòa tan.
4
Không khí ẩm + hơi muối ở vùng biển tạo điều kiện lý tưởng để sắt gỉ nhanh hơn nhiều so với vùng khô ráo.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Phân tích bảng thí nghiệm (dạng đề thi)

1
Bốn ống nghiệm chứa đinh sắt: (1) trong không khí khô; (2) trong nước cất đun sôi để nguội, phủ dầu; (3) trong nước máy để hở; (4) trong nước muối. Sắp xếp thứ tự gỉ tăng dần và giải thích.
2
(1): có O₂, không nước → gần như không gỉ. (2): có nước, thiếu O₂ hòa tan (do lớp dầu chắn) → gần như không gỉ. (3): có cả nước và O₂ hòa tan → gỉ rõ. (4): có nước, O₂ và thêm muối tan → gỉ nhanh nhất.
3
Thứ tự gỉ tăng dần: (1) ≈ (2) < (3) < (4).
4
Kết quả khẳng định: cần có đồng thời nước và oxygen mới gỉ đáng kể, và muối tan làm tăng tốc quá trình này.

Ăn mòn nhanh hơn khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc

Ngoài nước và oxygen, tốc độ gỉ còn bị ảnh hưởng mạnh khi hai kim loại khác hoạt động tiếp xúc trực tiếp trong môi trường ẩm: kim loại hoạt động mạnh hơn sẽ bị ăn mòn nhanh hơn hẳn so với khi đứng riêng lẻ, còn kim loại yếu hơn lại được "bảo vệ". Ví dụ, một chiếc đinh sắt có ốc vít bằng đồng, để ngoài trời ẩm, phần sắt quanh chỗ tiếp xúc với đồng sẽ gỉ nhanh hơn nhiều so với phần sắt còn lại — vì sắt hoạt động mạnh hơn đồng nên "nhường" electron cho đồng ngay tại chỗ tiếp xúc, tương tự cơ chế Fe đẩy Cu ra khỏi dung dịch muối đã học ở chương trước. Hiện tượng này gọi là ăn mòn điện hóa (khác với ăn mòn hóa học đơn thuần do phản ứng trực tiếp với O₂/nước) — và chính nguyên lí này là nền tảng cho biện pháp bảo vệ hi sinh sẽ học ở bài tiếp theo.

Ngoài nước và oxygen, tốc độ gỉ còn bị ảnh hưởng mạnh khi **hai kim loại khác hoạt động tiếp xúc trực tiếp** trong môi trường ẩm: kim loại hoạt động **mạnh hơn** sẽ bị ăn mòn nhanh hơn hẳn so với khi đứng riêng lẻ, còn kim loại yếu hơn lại được "bảo vệ". Ví dụ, một chiếc đinh sắt có ốc vít bằng đồng, để ngoài trời ẩm, phần sắt quanh chỗ tiếp xúc với đồng sẽ gỉ nhanh hơn nhiều so với phần sắt còn lại — vì sắt hoạt động mạnh hơn đồng nên "nhường" electron cho đồng ngay tại chỗ tiếp xúc, tương tự cơ chế Fe đẩy Cu ra khỏi dung dịch muối đã học ở chương trước. Hiện tượng này gọi là **ăn mòn điện hóa** (khác với ăn mòn hóa học đơn thuần do phản ứng trực tiếp với O₂/nước) — và chính nguyên lí này là nền tảng cho biện pháp bảo vệ hi sinh sẽ học ở bài tiếp theo.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Giải thích ăn mòn không đều khi hai kim loại tiếp xúc (dạng đề thi)

1
Một ống dẫn nước bằng thép có một đoạn nối bằng đồng. Sau một thời gian sử dụng trong môi trường ẩm, người ta thấy đoạn thép gần chỗ nối bị ăn mòn (gỉ) nhanh hơn hẳn các đoạn thép khác. Giải thích.
2
Thép (chủ yếu là Fe) hoạt động mạnh hơn đồng trong dãy hoạt động hóa học.
3
Tại chỗ tiếp xúc, Fe nhường electron cho Cu qua điểm nối, khiến Fe bị oxi hóa (ăn mòn) nhanh hơn hẳn so với các đoạn thép không tiếp xúc với đồng.
4
Nên tránh nối trực tiếp hai kim loại khác hoạt động trong môi trường ẩm, hoặc phải cách li (dùng vòng đệm cách điện) tại điểm nối để hạn chế ăn mòn điện hóa.

Sai lầm thường gặp

Nhiều bạn nghĩ chỉ cần có nước là sắt sẽ gỉ. Thực ra nếu không có oxygen hòa tan (ví dụ nước bị cách li bởi lớp dầu), sắt vẫn không gỉ đáng kể — cần cả hai điều kiện cùng lúc. Một nhầm lẫn khác: nghĩ rằng hai kim loại nối với nhau luôn cùng gỉ như nhau — thực tế kim loại hoạt động mạnh hơn ở chỗ tiếp xúc luôn gỉ nhanh hơn, còn kim loại yếu hơn được bảo vệ tương đối.

Nhiều bạn nghĩ chỉ cần có nước là sắt sẽ gỉ. Thực ra nếu **không có oxygen hòa tan** (ví dụ nước bị cách li bởi lớp dầu), sắt vẫn không gỉ đáng kể — cần **cả hai điều kiện cùng lúc**. Một nhầm lẫn khác: nghĩ rằng hai kim loại nối với nhau luôn cùng gỉ như nhau — thực tế kim loại hoạt động **mạnh hơn** ở chỗ tiếp xúc luôn gỉ nhanh hơn, còn kim loại yếu hơn được bảo vệ tương đối.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Ăn mòn kim loại là hiện tượng kim loại bị oxi hóa bởi môi trường. Sắt gỉ nhanh khi có đồng thời cả nước và oxygen; thiếu một trong hai thì gỉ rất chậm. Muối tan làm tăng tốc độ gỉ. Lớp gỉ (Fe₂O₃.xH₂O) xốp, giòn, không bảo vệ được sắt bên trong.

Biết rồi thì phải ngăn được — bài tiếp theo sẽ đi vào các biện pháp thực tế để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn.