HAKISAN GALVANIK: MEKANISME, CONTOH, PERLINDUNGAN - KIMIA - 2025

The kakisan galvani atau elektrokimia adalah satu proses di mana logam atau aloi mempersendakan naik mendadak berbanding pengoksidaan konvensional. Boleh dikatakan bahawa ia adalah pengoksidaan yang dipercepat, dan bahkan, sengaja dipromosikan; seperti yang berlaku dalam sel atau bateri.

Ini berlaku dalam beberapa keadaan. Pertama, mesti ada logam aktif, yang disebut anod. Juga, dan kedua, mesti ada logam mulia reaktif rendah yang disebut katod. Keadaan ketiga dan keempat adalah adanya media di mana elektron menyebar, seperti air, dan spesies ion atau elektrolit.

Mahkota besi berkarat. Sumber: Pixnio.

Hakisan galvanik dapat dilihat terutamanya di persekitaran laut atau di pesisir pantai. Arus udara meningkatkan jisim wap air, yang seterusnya membawa beberapa ion; yang terakhir akhirnya melekat pada lapisan nipis air atau titisan yang terletak di permukaan logam.

Keadaan kelembapan dan kemasinan ini lebih baik daripada kakisan logam. Maksudnya, mahkota besi seperti yang terdapat pada gambar di atas akan berkarat lebih cepat jika terkena di sekitar laut.

Kemudahan yang diperlukan logam untuk mengoksidasi berbanding yang lain dapat diukur secara kuantitatif melalui potensi pengurangannya; Jadual dengan potensi ini banyak terdapat dalam buku kimia. Semakin negatif anda, semakin besar kecenderungan anda untuk berkarat.

Begitu juga, jika logam ini berada di hadapan yang lain dengan potensi pengurangan yang sangat positif, sehingga mempunyai ΔE yang besar, pengoksidaan logam reaktif akan lebih agresif. Faktor lain, seperti pH, kekuatan ion, kelembapan, kehadiran oksigen, dan hubungan antara kawasan logam yang teroksidasi dan yang dikurangkan, juga penting.

Mekanisme

Konsep dan reaksi

Sebelum menangani mekanisme di sebalik kakisan galvanik, konsep tertentu harus diperjelaskan.

Dalam tindak balas redoks, satu spesies kehilangan elektron (mengoksidakan) sementara yang lain memperolehnya (mengurangkan). Elektrod di mana pengoksidaan berlaku disebut anod; dan di mana pengurangan berlaku, katod (dalam bahasa Inggeris peraturan mnemonic redcat biasanya digunakan untuk mengingatnya).

Oleh itu, untuk elektrod (sekeping, skru, dll.) Logam M, jika ia mengoksidakan, ia dikatakan anod:

M => M ^{n +} + ne ^-

Bilangan elektron yang dibebaskan akan sama dengan besarnya muatan positif kation M ^{n + yang} dihasilkan.

Kemudian elektrod atau logam R yang lain (kedua-dua logam mesti bersentuhan dalam beberapa cara), menerima elektron yang dilepaskan; tetapi ini tidak mengalami tindak balas kimia jika memperoleh elektron, kerana ia hanya akan mengalirkannya (arus elektrik).

Oleh itu, mesti ada spesies lain dalam larutan yang dapat menerima elektron ini secara rasmi; sebagai ion logam yang mudah dikurangkan, contohnya:

R ^{n +} + ne ^- => R

Maksudnya, lapisan logam R akan terbentuk dan elektrod akan menjadi lebih berat; sementara logam M akan kehilangan jisim kerana atomnya larut.

Depolarisasi

Bagaimana jika tidak ada kation logam yang dapat dikurangkan dengan mudah? Dalam kes itu, spesies lain yang terdapat dalam medium akan mengambil elektron: depolarisasi. Ini berkait rapat dengan pH: O ₂ , H ⁺ , OH ^- dan H ₂ O.

Elektron keuntungan oksigen dan air dalam tindak balas yang dinyatakan oleh persamaan kimia berikut:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

Sementara ion H ⁺ diubah menjadi H ₂ :

2H ⁺ + 2e ^- => H ₂

Ia adalah spesies OH ^- dan H ₂ adalah produk kakisan galvanik atau elektrokimia yang biasa.

Walaupun logam R tidak mengambil bahagian dalam tindak balas apa pun, kenyataan bahawa logam itu lebih mulia daripada M mendorong pengoksidaannya; dan seterusnya, akan ada pengeluaran yang lebih tinggi OH ^- ion atau gas hidrogen. Kerana, bagaimanapun, adalah perbezaan antara potensi pengurangan, ΔE, salah satu pemacu utama proses ini.

Hakisan besi

Mekanisme kakisan untuk besi. Sumber: Wikipedia.

Selepas penjelasan sebelumnya, contoh kakisan besi dapat ditangani (gambar atas). Katakan terdapat lapisan air nipis di mana oksigen larut. Tanpa kehadiran logam lain, depolarisasi akan menentukan nada tindak balas.

Oleh itu, besi akan kehilangan beberapa atom dari permukaannya untuk larut dalam air sebagai kation Fe ²⁺ :

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Kedua-dua elektron akan melalui sepotong besi kerana ia merupakan pengalir elektrik yang baik. Oleh itu di mana pengoksidaan atau laman anod bermula, diketahui; tetapi tidak di mana pengurangan atau lokasi laman katod akan berlaku. Laman katod boleh berada di mana sahaja; dan semakin besar kawasan yang mungkin, semakin buruk logam akan terhakis.

Katakan elektron mencapai titik seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas. Di sana oksigen dan air mengalami reaksi yang telah dijelaskan, dimana OH ^- dilepaskan . Ini OH ^- anion boleh bertindak balas dengan Fe ²⁺ untuk membentuk Fe (OH) ₂ , yang mendakan dan menjalani berikutnya oxidations yang akhirnya mengubahnya menjadi karat.

Sementara itu, laman web anod semakin banyak retak.

Contoh

Dalam kehidupan seharian contoh kakisan galvanik banyak. Kita tidak perlu merujuk pada mahkota besi: sebarang artifak yang diperbuat daripada logam dapat menjalani proses yang sama dengan adanya persekitaran lembap dan masin.

Selain pantai, musim sejuk juga dapat menyediakan keadaan yang sesuai untuk kakisan; sebagai contoh, ketika menyalurkan garam ke salji di jalan raya untuk mengelakkan kereta tergelincir.

Dari sudut pandang fizikal, kelembapan dapat dikekalkan pada sambungan dua logam yang dikimpal, sebagai tapak kakisan yang aktif. Ini kerana kedua-dua logam berkelakuan seperti dua elektrod, dengan yang lebih reaktif kehilangan elektronnya.

Jika pengeluaran OH ^- ion adalah besar, ia juga boleh menghakis cat kereta atau peranti yang berkenaan.

Indeks anodik

Seseorang boleh membina contoh kakisan galvaniknya sendiri menggunakan jadual potensi pengurangan. Walau bagaimanapun, jadual indeks anodik (dipermudahkan per se) akan dipilih untuk menggambarkan perkara ini.

Indeks anodik untuk logam atau aloi yang berbeza. Sumber: Wikipedia.

Anggaplah bahawa kita mahu membina sel elektrokimia. Logam yang berada di bahagian atas jadual indeks anodik lebih bersifat katodik; iaitu, ia mudah dikurangkan dan oleh itu sukar untuk mendapatkannya dalam penyelesaian. Manakala logam yang berada di bahagian bawah lebih anodik atau reaktif, dan mereka mudah karat.

Sekiranya kita memilih emas dan berilium, kedua logam tidak dapat bersatu lama, kerana berilium akan mengoksidasi dengan sangat cepat.

Dan jika, sebaliknya, kita mempunyai larutan ion Ag ⁺ dan kita merendam bar aluminium di dalamnya, ia akan larut pada masa yang sama dengan zarah perak logam mendakan. Sekiranya bar ini disambungkan ke elektrod grafit, elektron akan bergerak ke sana untuk meletakkan perak secara elektrokimia sebagai filem perak.

Dan jika bukan aluminium bar dibuat dari tembaga, larutannya akan menjadi kebiruan kerana kehadiran ion Cu ²⁺ di dalam air.

Perlindungan kakisan elektrokimia

Lapisan pengorbanan

Katakan anda ingin melindungi kepingan zink daripada kakisan sekiranya terdapat logam lain. Pilihan paling mudah ialah menambahkan magnesium, yang akan melapisi zink sehingga, setelah teroksidasi, elektron yang dilepaskan dari magnesium akan mengurangkan kation Zn ²⁺ .

Walau bagaimanapun, filem MgO mengenai zink akan cepat pecah lebih cepat daripada kemudian, menyediakan laman web anod berkepadatan tinggi sekarang; iaitu, kakisan zink akan memuncak dengan cepat pada titik-titik tersebut.

Teknik melindungi dari kakisan elektrokimia ini dikenali sebagai penggunaan lapisan pengorbanan. Yang paling terkenal ialah zink, digunakan dalam teknik terkenal yang disebut galvanizing. Di dalamnya, logam M, terutama besi, dilapisi dengan zink (Fe / Zn).

Sekali lagi, zink mengoksidasi dan oksida berfungsi untuk menutup besi dan menghantar elektron ke dalamnya yang mengurangkan Fe ²⁺ yang dapat terbentuk.

Lapisan mulia

Katakan sekali lagi bahawa anda ingin melindungi kepingan zink yang sama, tetapi sekarang anda akan menggunakan kromium dan bukan magnesium. Kromium lebih mulia (lebih katodik, lihat jadual nombor anodik) daripada zink, dan oleh itu berfungsi sebagai lapisan mulia.

Masalah dengan lapisan jenis ini ialah apabila ia retak, ia akan meningkatkan dan mempercepat pengoksidaan logam di bawahnya; dalam kes ini, zink akan menghakis lebih banyak daripada dilapisi dengan magnesium.

Dan akhirnya, ada pelapis lain yang terdiri daripada cat, plastik, antioksidan, lemak, resin, dll.

Eksperimen untuk kanak-kanak

Plat besi dalam pembubaran garam tembaga

Eksperimen sederhana dapat dibuat dari jadual indeks anod yang sama. Dengan melarutkan jumlah yang mencukupi (kurang dari 10 gram) CuSO ₄ · 5H ₂ O di dalam air, seorang kanak-kanak diminta untuk mencelupkan ke dalam pinggan besi yang digilap. Foto diambil dan prosesnya dibiarkan terbuka selama beberapa minggu.

Penyelesaiannya pada mulanya berwarna kebiruan, tetapi akan mulai pudar sementara plat besi berubah warna tembaga. Ini disebabkan oleh fakta bahawa tembaga lebih mulia daripada besi, dan oleh itu kation Cu ²⁺ akan diturunkan menjadi tembaga logam dari ion yang diberikan oleh pengoksidaan besi:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

Cu ²⁺ + 2e ^- => Cu

Pembersihan oksida perak

Objek perak menjadi hitam dari masa ke masa, terutamanya jika mereka bersentuhan dengan sumber sebatian sulfur. Karatnya dapat dihilangkan dengan merendam objek di dalam bak air dengan baking soda dan aluminium foil. Bikarbonat menyediakan elektrolit yang akan memudahkan pengangkutan elektron antara objek dan aluminium.

Akibatnya, kanak-kanak akan menghargai bahawa objek itu kehilangan bintik-bintik hitamnya dan akan bersinar dengan warna peraknya yang khas; sementara aluminium foil akan menghakis sehingga hilang.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kimia. (Edisi ke-8.) Pembelajaran CENGAGE.
3. Wikipedia. (2019). Hakisan galvanik. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
4. Stephen Lower. (16 Jun 2019). Hakisan Elektrokimia. LibreTexts Kimia. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
5. Universiti Terbuka. (2018). 2.4 Proses kakisan: kakisan galvanik. Dipulihkan dari: open.edu
6. Perkhidmatan Teknikal Pelanggan Brush Wellman Inc. (sf) Panduan untuk Hakisan Galvanik. Bahan Kejuruteraan Brush Wellman.
7. Giorgio Carboni. (1998). Eksperimen dalam elektrokimia. Dipulihkan dari: funsci.com