Un aspetto importante dell’uso di alcuni metalli, in particolare del ferro, è la possibilità di corrosione. Si stima che circa un settimo di tutta la produzione di ferro vada a sostituire il metallo perso per corrosione. La ruggine è apparentemente una forma idratata di ossido di ferro(III). La formula è approssimativamente Fe2O3 * \(\tfrac {\text{3}} {\text{2}}\) H2O, sebbene la quantità esatta di acqua sia variabile. (Si noti che questo è circa a metà strada tra l’idrossido di ferro(III), Fe(OH)3 o ½ {Fe2O3•3H2O] e Fe2O3 anidro).,
La ruggine richiede sia ossigeno che acqua, e di solito è accelerata da acidi, ceppi nel ferro, contatto con metalli meno attivi e presenza di ruggine stessa. Inoltre, l’osservazione di un oggetto arrugginito, come un chiodo di ferro da un vecchio edificio in legno, mostra che la ruggine si depositerà in una posizione (vicino alla testa del chiodo) mentre la maggiore perdita di ferro metallico si verificherà altrove (vicino al punto). Questi fatti suggeriscono che il meccanismo di arrugginimento coinvolge una cella galvanica., Le mezze equazioni coinvolte sono
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producendo la reazione completa:
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Una volta formato Fe2+(aq), può migrare liberamente attraverso la soluzione acquosa in un’altra posizione sulla superficie metallica. A quel punto il ferro può precipitare:
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Gli ioni idrogeno liberati da questa reazione vengono quindi parzialmente consumati dall’equazione \(\ref{2}\). Gli elettroni necessari per la metà-equazione \(\ref {2}\) sono forniti dall’equazione \(\ref{1}\) tramite conduzione metallica attraverso il ferro o per conduzione ionica se la soluzione acquosa contiene una significativa concentrazione di ioni., Così il ferro arrugginisce più velocemente a contatto con l’acqua salata che in fresco.
Il meccanismo proposto nel paragrafo precedente implica che alcune regioni della superficie del ferro diventano catodiche, cioè che la riduzione dell’ossigeno all’acqua avviene lì. Altre posizioni sono anodiche; si verifica l’ossidazione di Fe a Fe2+. Il modo principale in cui tali regioni possono essere impostate dipende dalla restrizione dell’apporto di ossigeno, poiché l’ossigeno è necessario per la reazione catodica mostrata nell’equazione \(\ref{2}\). Nel caso del chiodo di ferro, ad esempio, la ruggine si forma vicino alla testa perché è disponibile più ossigeno., La maggior parte della perdita di metallo avviene in profondità nel legno, tuttavia, vicino al punto dell’unghia. In questa posizione può verificarsi l’equazione \(\ref{1}\) ma non \(\ref{2}\).
Una situazione simile si verifica quando una goccia di umidità aderisce a una superficie di ferro (Figura \(\PageIndex{1}\)). La pitting si verifica vicino al centro della goccia, mentre l’ossido di ferro idrato(III) si deposita vicino al bordo.
Un secondo modo in cui le regioni anodiche e catodiche possono essere impostate comporta la presenza di un secondo metallo che ha una maggiore attrazione per gli elettroni (è meno facilmente ossidato) rispetto al ferro., Un tale metallo può drenare gli elettroni lasciati nel ferro quando Fe2 + si dissolve. Questo eccesso di elettroni rende il metallo meno attivo un sito ideale per l’equazione \(\ref{2}\), e quindi una cella viene impostata all’intersezione dei metalli. La ruggine può effettivamente rivestire la superficie del metallo meno attivo mentre i pozzi si formano nel ferro.
La tecnica più importante per la prevenzione della ruggine è semplicemente quella di escludere acqua e ossigeno per mezzo di un rivestimento protettivo. Questo è il principio dietro l’oliatura, l’ingrassaggio, la verniciatura o la placcatura metallica del ferro., Il rivestimento deve essere completo, tuttavia, o la ruggine può essere accelerata escludendo l’ossigeno da parte della superficie. Ciò è particolarmente vero quando il ferro è rivestito con un metallo meno attivo come lo stagno. Anche un foro stenopeico nel rivestimento su una lattina arrugginisce molto rapidamente, poiché lo stagno diventa catodico a causa del suo potenziale di elettrodo più grande e dell’esclusione di ossigeno dal ferro sottostante.
Una seconda tecnica consiste nel portare l’oggetto di ferro a contatto con un metallo più attivo., Questa è chiamata protezione catodica perché il metallo più attivo dona elettroni al ferro, inibendo fortemente l’equazione \(\ref {1}\). Sia la protezione catodica che un rivestimento superficiale sono forniti dalla zincatura, un processo in cui lo zinco viene placcato sull’acciaio elettroliticamente o immergendo nel metallo fuso. Come molti altri metalli, lo zinco è auto-protettivo-reagisce con ossigeno e anidride carbonica dall’aria per formare un rivestimento impermeabile aderente di idrossicarbonato di zinco, Zn2(OH)2CO3., Se ci fosse un graffio nella piastra di zinco, il ferro non può ancora arrugginire perché lo zinco sarà preferenzialmente ossidato. L’idrossicarbonato formato coprirà quindi l’apertura, impedendo un ulteriore contatto di ossigeno con il ferro o lo zinco.
Una terza tecnica si applica a situazioni (come un radiatore per automobili) in cui le soluzioni acquose sono a contatto con il ferro. Gli inibitori di corrosione includono sali cromati e composti organici come tribntylamine, (C4H9)3N. I cromati apparentemente formano un rivestimento impermeabile di FeCrO4(s) non appena il ferro viene ossidato a ferro (II)., La tributilammina, un derivato dell’ammoniaca, reagisce con acidi organici formati dalla decomposizione dell’antigelo alle alte temperature di un motore automobilistico. I sali di tributilammonio prodotti sono insolubili e rivestono l’interno del sistema di raffreddamento. Così la tributilammina neutralizza l’acido che accelererebbe la corrosione e fornisce anche un rivestimento superficiale.
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