ช่วยดู ช่วยแสดงความคิดเห็นให้หน่อยนะเพื่อนๆ^ ^

1. สื่อการเรียนรู้onlineเซลล์ไฟฟ้าเคมีเรื่อง“การผุกร่อนของโลหะและการป้องกัน”เสนออ.ทัศนีวรรณ์ เลิศเจริญฤทธิ์โดยน.ส.ชนนิกานต์ สุดิษฐพงษ์ม.5/3 ว.3 เลขที่12

2. การผุกร่อนของโลหะ คือ การที่โลหะทำปฏิกิริยากับสารต่าง ๆ ในสิ่งแวดล้อมรอบ ๆ โลหะ แล้วทำให้โลหะนั้นเปลี่ยนสภาพไปเป็นสารประกอบประเภทออกไซด์หรือไฮดรอกไซด์ การผุกร่อนของโลหะที่พบบ่อยในชีวิตประจำวันได้แก่ เหล็กเป็นสนิม (สนิมเหล็กเป็นออกไซด์ของเหล็ก Fe2O3.xH2O) ซึ่งเกิดจากสาเหตุหลายประการ ตัวอย่างเช่น การที่อะตอมของโลหะที่ถูกออกซิไดส์แล้วรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศเกิดเป็นออกไซด์ของโลหะนั้น เช่น สนิมเหล็ก(Fe2O3) สนิมทองแดง (CuO) หรือสนิมอลูมิเนียม (Al2O3)

3. การเกิดสนิมมีกระบวนการที่ซับซ้อนมากและมีลักษณะเฉพาะตัวดังนี้ 1. การผุกร่อนของโลหะ คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดระหว่างโลหะกับภาวะแวดล้อม 2. ภาวะแวดล้อมที่ทำให้ผุกร่อน คือ ความชื้น และออกซิเจน(H2O, O2) หรือ H2O กับอากาศ 3. ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดในการผุกร่อน เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ 3.1 โลหะที่ให้อิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยา Oxidation 3.2 ภาวะแวดล้อมเป็นฝ่ายรับอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยา Reduction 4. สมการแสดงปฏิกิริยาการผุกร่อน โลหะ + ภาวะแวดล้อม -----> Ion ของโลหะ + เบส Fe (s) + H2O (l) + O2 (g) -----> Fe2+ (aq) + OH- (aq)

4. 5. ในการ Balance สมการ เมื่อเหล็กสัมผัสกับอากาศและความชื้น อะตอมของเหล็กจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันดังสมการ Fe (s) ------> Fe2+ (aq) + 2e ……(1) (Oxidation) น้ำและออกซิเจนรับอิเล็กตรอนจากเหล็ก ดังสมการ 2H2O (l) + O2 (g) + 4e ------> 4OH- (aq) ……(2) (Reduction) รวมปฏิกิริยา; 2Fe + 2H2O + O2 -------> 2Fe2+ + 4OH- (Redox)

5. สีสนิมที่พบเห็นกันบ่อยๆ ด้านซ้ายคือนิมสีน้ำตาลอมแดง หรือ สนิมสีแดง และด้านขวาเป็นสนิมสีดำ ลักษณะการผุกร่อนของโลหะจากสนิม อาจแยกได้คร่าว ๆ เป็น 2 ประเภท คือ 1. แบบ Uniform attack 2. แบบ Pitting

6. 1. แบบ Uniform attackหรือสนิมพื้นผิวลักษณะการผุกร่อนของโลหะจะกระจายเต็มพื้นที่ผิว เนื้อโลหะจะบางลงจนใช้งานไม่ได้ การผุกร่อนแบบนี้ไม่มีอันตรายร้ายแรงแต่ประการใดเนื่องจากเราสังเกตเห็นได้ชัดเจนและอาจทำการตรวจสอบได้โดยง่าย การผุกร่อนแบบนี้อาจเกิดได้ในโลหะสองชนิดที่นำมาสัมผัส กัน โดยโลหะที่เป็น anode จะผุกร่อนไป อัตราการผุกร่อนจะขึ้นกับปริมาณกระแสที่ไหล และพื้นที่ anode ถ้าพื้นที่เล็ก ความหนาแน่นกระแสจะมาก การผุกร่อนก็เกิดได้รวดเร็วขึ้น นอกจากนี้อาจเกิดได้ในโลหะที่มิ่งเจือปนต่างๆ อยู่มาก โลหะจะไม่เป็นเนื้อเดียวกันตลอด ทำให้เกิดเป็นเซลล์ไฟฟ้ามีขั้ว anode และ cathode ขึ้น

7. โลหะ ผสม ที่เนี้อโลหะแยกเป็น 2 ส่วน ก็อาจเกิดเป็นเซลล์ไฟฟ้าได้เช่นกัน โลหะส่วนที่เป็น anode จะผุกร่อนลงไปเหลือส่วนที่เป็น cathode อยู่ ดังนั้น โลหะผสมที่ต้องการให้มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี จึงควรจะมีเนื้อเป็นอันหนึ่งอันเดียงกันตลอด 2. แบบ Pitting หรือสนิมขุมลักษณะการผุกร่อนจะเกิดเป็นรูลึกเข้าไปในเนื้อโลหะ เมื่อมองด้วยตาเปล่าอาจสังเกตไม่พบว่าโลหะผุกร่อนไปมากแล้ว ทำให้เกิดอันตรายขึ้นได้บ่อยๆ การเกิด pitting อาจเกิดได้จากสาเหตุต่าง ๆ กัน เช่น เกิดจากการกระจายตัวของออกซิเจนไม่สม่ำเสมอ ซึ่งมักจะเกิดในบริเวณน้ำนิ่ง

8. โลหะที่อยู่ในบริเวณที่มีออกซิเจนละลายอยู่น้อย จะเกิดเป็น anodeขึ้น ในขณะที่โลหะที่อยู่ในบริเวณที่มีออกซิเจนละลายอยู่มากเป็น cathode โลหะที่เป็น anode จะถูกกัดลึกเป็นรูลงไป การกัดกร่อนของโลหะดังกล่าวจะเกิดขึ้นถึงแม้ว่าโลหะนั้นจะเป็นโลหะบริสุทธิ์ก็ตาม ด้านซ้ายมือเป็นแบบสนิมพื้นผิวที่ขยายวงกว้าง ด้านขวาเป็นลักษณะสนิมขุมแต่เป็นแบบเกิดพร้อมกับสนิมพื้นผิว

9. การป้องกันการผุกร่อนของโลหะ 1. ทาผิวหน้าของโลหะด้วยสี หรือน้ำมันหรือเคลือบด้วยพลาสติก หรือทาด้วยสารป้องกันการสึกกร่อนชนิดต่าง ๆ ที่มีจำหน่าย 2. เคลือบ หรือเชื่อม หรือพันด้วยโลหะที่เสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่า สังกะสีกัลวาไนซ์ สารเคลือบโลหะที่ใช้มีด้วยกันหลายชนิด สังกะสีก็เป็นโลหะชนิดหนึ่งที่นิยมนำมาเคลือบ เหล็กที่ได้จากการชุบเคลือบสังกะสีเรียกว่า เหล็กกล้าชุบเคลือบสังกะสี (galvanized steel)

10. การชุบเคลือบสังกะสีมีด้วยกันหลายวิธี เช่น การชุบเคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อน (hot dip galvanizing) การเคลือบสังกะสีด้วยไฟฟ้า (electrogalvanizing) การเคลือบด้วยวิธีทางกล (mechanical coatings) การพ่นเคลือบด้วยเปลวความร้อน (zinc spraying) การทาด้วยสีฝุ่นสังกะสี (zinc-rich paints) การชุบเคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อนด้วยกระบวนการต่อเนื่อง (continuous hot dip galvanizing) การเคลือบด้วยเทคนิคเชอร์ราไดซ์ซิ่ง (sherardizing)

11. การชุบเคลือบสังกะสีปิดผิวเหล็กทำให้ออกซิเจน ไอน้ำ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งคลอไรด์ (chloride) ซึ่งมีฤทธิ์กัดกร่อนเหล็กได้ดี ไม่สามารถสัมผัสและทำปฏิกิริยากับเหล็กได้จึงเป็นการป้องกันระดับหนึ่ง นอกจากนี้ในกรณีที่ผิวเคลือบสังกะสีถูกแรงกระทำจนเกิดรอยลึกถึงเนื้อเหล็กแล้ว สังกะสีก็ยังคงสามารถป้องกันเหล็กจากการกัดกร่อนได้ เนื่องจากสังกะสีเป็นโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าเหล็ก จึงเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายกว่าเหล็ก ลักษณะการใช้โลหะที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำร่วมกับโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าเพื่อให้โลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่าเกิดปฏิกิริยากัดกร่อนก่อนโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าสูงเรียกว่า การป้องกันแบบแคโทดิก (Cathodicprotection)

12. ผลิตภัณฑ์เหล็กชุบเคลือบสังกะสีสามารถนำไปใช้งานได้ในอุตสาหกรรมหลายประเภท ไม่ว่าจะเป็นอุตสาหกรรมยานยนต์ อุตสาหกรรมก่อสร้าง และอุตสาหกรรมอื่น ๆ แต่มีข้อสังเกตอย่างหนึ่ง คือ ชิ้นงานที่เคลือบสังกะสีเป็นชั้นบางจะไม่เหมาะสำหรับการใช้งานภายนอกอาคาร อย่างเช่น ชิ้นงานที่เคลือบสังกะสีด้วยวิธีเคลือบด้วยไฟฟ้ามีชั้นเคลือบหนาประมาณ 5 – 10 ไมครอน ซึ่งไม่เหมาะกับงานภายนอกอาคาร ขณะที่ชิ้นงานเหล็กที่ชุบเคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อนจะมีชั้นเคลือบสังกะสีหนาตั้งแต่ 65 – 300 ไมครอน ทำให้มีความทนทานต่อการกัดกร่อนจากสภาพแวดล้อมมากกว่าจึงเหมาะกับการใช้งานภายนอกอาคารมากกว่า

13. 3. ชุบ หรือเคลือบผิวหน้าของโลหะที่ต้องการป้องกันการผุกร่อนด้วยโลหะอื่น โลหะที่นิยมใช้เคลือบ คือโลหะที่เกิดสารประกอบออกไซด์แล้วสารประกอบออกไซด์นี้สามารถเคลือบผิวหน้าของโลหะไว้ไม่ให้ผุกร่อนลุกลามต่อไป 4.ทำเป็นโลหะผสม โดยการนำโลหะตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมาหลอมรวมกัน ทำให้ทนต่อการผุกร่อน 5. วิธีอะโนไดซ์ คือ การใช้กระแสไฟฟ้าทำให้ผิวหน้าของโลหะกลายเป็นโลหะออกไซด์ ซึ่งใช้กับโลหะที่มีสมบัติพิเศษ คือ เมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจน เกิดเป็นออกไซด์ของโลหะแล้ว ออกไซด์ของโลหะนั้นจะเคลือบผิวของโลหะไม่เกิดการผุกร่อนต่อไป

14. การอะโนไดซ์ (Anodizing) อลูมิเนียม คือการทำผิวของอลูมิเนียม ให้ เป็นอลูมิเนียมออกไซด์ในลักษณะเป็นฟิล์ม ซึ่งกรรมวิธีการทำคล้ายกับ การชุบเคลือบผิวด้วยไฟฟ้า แตกต่างกันคือการทำอะโนไดซ์ชิ้นงานจะต้อง เป็นขั้วบวก แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงกว่า และไม่มีโลหะชนิดอื่นไปเกาะจับที่ผิวอลูมิเนียม ส่วนการชุบเคลือบผิวด้วยไฟฟ้าชิ้นงานจะต้องเป็นขั้วลบ ใช้แรงเคลื่อน ไฟฟ้าต่ำ และจะมีโลหะชนิดหนึ่งไปเคลือบโลหะอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งหลังจากการอะโนไดซ์แล้ว สามารถย้อมสีอลูมิเนียมได้ วิธีทำอะโนไดซ์ มีวิธีการทำอะโนไดซ์โดยสรุปดังนี้ 1) ทำความสะอาดแผ่นอะลูมิเนียมด้วยสารล้างไขมันที่อุณหภูมิ 80–90OC และน้ำสะอาดจำนวน 2 ครั้ง

15. 2) นำแผ่นอะลูมิเนียมที่ทำความสะอาดแล้ว มาต่อเป็นขั้วไฟฟ้าทั้งแคโทดและแอโนด โดยใช้สารละลายอะโนไดซ์เป็นอิเล็กโทรไลต์ (สารละลายอะโนไดซ์เป็นสารที่เตรียมได้จากกรดออกซาลิก 25 g ผสมกับกรดซัลฟิวริกเข้มข้น 18 mol/dm3 50 cm3 แล้วทำให้เป็นสารละลายมีปริมาตร 500 cm3) ผ่านไฟฟ้ากระแสตรงแรงเคลื่อนไฟฟ้า 12 V เป็นเวลา 10 นาที แล้วทำความสะอาดแผ่นอะลูมิเนียมที่อะโนไดซ์แล้ว ทดสอบการนำไฟฟ้า ถ้าไม่นำไฟฟ้าแสดงว่าผิวด้านนอกอะโนไดซ์แล้ว 3) การย้อมสี โดยนำแผ่นอะลูมิเนียมที่อะโนไดซ์แล้วซึ่งมีลักษณะผิวด้านและมีรูพรุนเล็กมากไปแช่ในสารละลายของสีย้อมโลหะที่อุณหภูมิ 50–60OC และแช่น้ำร้อนที่อุณหภูมิ 90–100OC เพื่อให้สีติดแน่นยิ่งขึ้น

16. 6.วิธีแคโทดิกเนื่องจากการผุกร่อนของโลหะ คือ การที่โลหะเสียอิเล็กตรอน จึงเปรียบได้กับขั้วแอโนด ดังนั้นถ้าต้องการไม่ให้โลหะเกิดการผุกร่อน จะต้องทำให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทด หรือคล้ายแคโทด ได้แก่ Fe ชุบ Zn สำหรับมุงหลังคา การฝังถุง Mg ตามท่อ หรือการผูก Mg ตามโครงเรือ จะทำให้ Fe ผุช้าลง เนื่องจาก Zn และMg เสีย e-ง่ายกว่า Fe จะเสีย e-แทน Fe วิธีนี้เป็นการป้องกันไม่ให้โลหะซึ่งส่วนใหญ่จะฝังอยู่ในดิน หรือจมอยู่ในน้ำ หรืออื่น ๆ ถูกกัดทำลายไป โดยจะจัดให้โลหะที่ต้องการป้องกันเป็น cathode ทั้งนี้อาจจะจัดได้โดยฝังชิ้นโลหะที่มีค่า electrodepotential น้อยกว่าลงใกล้ๆ และเชื่อมโยงเข้ากับชิ้นงานที่ต้องการป้องกัน

17. ชิ้นงานดังกล่าวเป็น cathode ในขณะที่ชิ้นโลหะที่เลือกนำมาโยงเข้ากับชิ้นงานจะเป็น anode และถูกกัดทำลายไป ซึ่งจะต้องคอยตรวจตราและเปลี่ยนทำแทนให้เมื่อถูกกัดทำลายไปเกือบหมด อีกวิธีหนึ่งอาจปล่อยไฟฟ้ากระแสตรงจำนวนน้อย ให้ผ่านลงในชิ้นงานเพื่อให้ชิ้นงานเป็น cathode ก็อาจทำได้ Cathodic protection ของท่อเหล็กโดยแบบใช้กระแสไฟฟ้า

18. 7. วิธีการรมดำเป็นการป้องกันการผุกร่อนและเพิ่มความสวยงามให้แก่ชิ้นงานโลหะ เป็นการทำให้ผิวของโลหะเปลี่ยนเป็นออกไซด์ของโลหะนั้น ซึ่งมีลักษณะเป็นฟิมล์สีดำเกาะติดแน่นบนผิวของชิ้นงานโลหะ การรมดำ เป็นการทำให้เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์เพื่อเปลี่ยนผิวเหล็กไปเป็นสารประกอบ FeO(OH) ที่มีสีน้ำตาลดำ เรียกชื่อว่า Cepidiocrociteซึ่งไม่เกิดสนิมหรือผุกร่อน จึงช้วยป้องกันการผุกร่อนของเหล็กได้ ขั้นตอนการรมดำโดยสรุปเป็นดังนี้ 1.)ทำความสะอาดชิ้นงานด้วยกระดาษทราย น้ำ และสารล้างไขมันให้สะอาด

19. 2.)เตรียมสารละลายรมดำ โดยใช้ NaOH 375 g และ NaNO3 125g ให้มีปริมาตร 1000 cm3 3.)ต้มชิ้นงานในสารละลายรมดำที่เดือดจนชิ้นงานมีผิวเปลี่ยนสีดำอย่างสม่ำเสมอ ล้างด้วยน้ำสะอาด เช็ดให้แห้ง แล้วทาด้วยน้ำมันวาสลินเพื่อให้ชิ้นงานเป็นมัน 8. การป้องกันการผุกร่อนของโลหะในระบบหล่อเย็นแบบปิด เครื่องยนต์ที่ใช้ในรถยนต์หรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟ้าจะใช้ระบบหล่อเย็นแบบปิดเพื่อรักษาอุณหภูมิของเครื่องยนต์ไม่ให้สูงมากเกินไป สารหล่อเย็นที่ใช้คือน้ำซึ่งมีออกซิเจนละลายอยู่ ถ้าเครื่องยนต์มีโลหะผสมของอลูมิเนียม

20. ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำจะถูกใช้ในการสร้างฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์ และฟิล์มนี้จะป้องกันการผุกร่อนเครื่องยนต์ได้ แต่ถ้าเครื่องยนต์มีส่วนประกอบที่เป็นโลหะผสมของเหล็ก ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ที่สัมผัสกับน้ำจะเกิดการผุกร่อนได้ เนื่องจากออกไซด์ของเหล็กไม่มีสมบัติในการเป็นสารเคลือบผิว จึงต้องเติมสารยับยั้งการกัดกร่อนซึ่งประกอบด้วยสารประกอบของไนไตรต์โบแรกซ์ สารนี้จะทำให้น้ำในระบบหล่อเย็นมี pH สูงกว่า 8.5 และทำให้โลหที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องยนต์เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ยาก การผุกร่อนของโลหะจึงลดลง นอกจากนี้การใช้ระบบปิดมีผลดีอีกประการหนึ่งคือเป็นการจำกัดปริมาณของออกซอเจนที่ละลายลงไปในน้ำจึงทำให้การผุกร่อนของโลหะลดลง

21. อ้างอิง http://www.school.net.th/library/snet5/topic9/metal.html http://www.demarctrading.com www.lks.ac.th/student/kroo_su/chem51/...12/kanpukon.doc http://siweb.dss.go.th/information/FAQ/search_FAQ.asp?QA_ID=9