การผุกร่อนของโลหะและการป้องกัน

การผุกร่อนของโลหะที่พบบ่อยในชีวิตประจำวันได้แก่ เหล็กเป็นสนิม (สนิมเหล็กเป็นออกไซด์ของเหล็ก Fe2O3.xH2O) ซึ่งเกิดจากสาเหตุหลายประการ ตัวอย่างเช่น การที่อะตอมของโลหะที่ถูกออกซิไดส์แล้วรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศเกิดเป็นออกไซด์ของโลหะนั้น เช่น สนิมเหล็ก(Fe2O3) สนิมทองแดง (CuO) หรือสนิมอลูมิเนียม (Al2O3) การเกิดสนิมมีกระบวนการที่ซับซ้อนมากและมีลักษณะเฉพาะตัวดังนี้
1. การผุกร่อนของโลหะ คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดระหว่างโลหะกับภาวะแวดล้อม
2. ภาวะแวดล้อมที่ทำให้ผุกร่อน คือ ความชื้น และออกซิเจน(H2O, O2) หรือ H2O กับอากาศ
3. ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดในการผุกร่อน เป็นปฏิกิริยารีดอกซ์
3.1 โลหะที่เกิดปฏิกิริยา Oxidation (ให้อิเล็กตรอน)
3.2 ภาวะแวดล้อมเป็นฝ่ายรับอิเล็กตรอน เกิดปฏิกิริยา Reduction
4. สมการแสดงปฏิกิริยาการผุกร่อน (เกิดจากการทดลอง)
โลหะ + ภาวะแวดล้อม -----> Ion ของโลหะ + เบส
Fe (s) + H2O (l) + O2 (g) -----> Fe2+ (aq) + OH- (aq)

Fe2+ ทดสอบโดยใช้สารละลาย K3Fe(CN)6 จะได้สีน้ำเงิน ถ้าสีน้ำเงินเข้ม แสดงว่ามี Fe2+ มาก ถ้าจางมี Fe2+ น้อย
เบส(OH-) ทดสอบโดยสารละลายฟินอล์ฟทาลีน ได้สีชมพู

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

การป้องกันสนิมเหล็ก
1. ทาสี ทาน้ำมัน การรมดำ และการเคลือบพลาสติก เป็นการป้องกันการถูกกับ O2 และความชื้น ซึ่งเป็นการป้องกันการเกิดสนิมของโลหะได้และเป็นวิธีที่สะดวกและให้ผลดีในการป้องกันสนิม
2. โลหะบางชนิดมีสมบัติพิเศษ กล่าวคือเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนจะเกิดเป็นออกไซด์ของโลหะเคลือบอยู่บนผิวของโลหะนั้นและไม่เกิดการผุกร่อนอีกต่อไป โลหะที่มีสมบัติดังกล่าวได้แก่ อลูมิเนียม ดีบุก และสังกะสี การชุบ หรือเคลือบโดยโลหะที่ Oxide ของโลหะนั้นคงตัว สลายตัวยาก จะเป็นผิวบางๆ คลุมผิวโลหะอีกที ได้แก่ Cr (โครเมียม) และอลูมิเนียม(Al) เป็นต้น ดังนั้น Cr2O3.Al2O3 สลายตัวยาก เรียกชื่อว่าวิธี อโนไดซ์ (Anodize)
หมายเหตุ เหล็กกล้าไม่เกิดสนิม (stainless steel) เป็น Fe ผสม Cr
3. การผุกร่อนของโลหะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเช่นเดียวกับแอโนดในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นถ้าไม่ต้องการให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทดหรือคล้ายกับแคโทด โดยใช้โลหะที่เสีย e- ง่ายกว่าเหล็กไปอยู่กับเหล็ก ได้แก่ Fe ชุบ Zn สำหรับมุงหลังคา การฝังถุง Mg ตามท่อ หรือการผูก Mg ตามโครงเรือ จะทำให้ Fe ผุช้าลง เนื่องจาก Zn & Mg เสีย e ง่ายกว่า Fe จะเสีย e แทน Fe เรียกชื่อวิธี แคโธดิก (Cathodic)
4. การป้องกันการผุกร่อนของโลหะในระบบหล่อเย็นแบบปิด
เครื่องยนต์ที่ใช้ในรถยนต์หรือเครื่องมือผลิตกระแสไฟฟ้าจะใช้ระบบหล่อเย็นแบบปิดเพื่อรักษาอุณหภูมิของเครื่องยนต์ไม่ให้สูงมากเกินไป สารหล่อเย็นที่ใช้คือน้ำซึ่งมีออกซิเจนละลายอยู่ ถ้าเครื่องยนต์มีโลหะผสมของอลูมิเนียม ออกซิเจนที่ละลายอยู่ในน้ำจะถูกใช้ในการสร้างฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์ และฟิล์มนี้จะป้องกันการผุกร่อนเครื่องยนต์ได้ แต่ถ้าเครื่องยนต์มีส่วนประกอบที่เป็นโลหะผสมของเหล็ก ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ที่สัมผัสกับน้ำจะเกิดการผุกร่อนได้ เนื่องจากออกไซด์ของเหล็กไม่มีสมบัติในการเป็นสารเคลือบผิว จึงต้องเติมสารยับยั้งการกัดกร่อนซึ่งประกอบด้วยสารประกอบของไนไตรต์โบแรกซ์ สารนี้จะทำให้น้ำในระบบหล่อเย็นมี pH สูงกว่า 8.5 และทำให้โลหที่เป็นส่วนประกอบของเครื่องยนต์เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ยาก การผุกร่อนของโลหะจึงลดลง นอกจากนี้การใช้ระบบปิดมีผลดีอีกประการหนึ่งคือเป็นการจำกัดปริมาณของออกซอเจนที่ละลายลงไปในน้ำจึงทำให้การผุกร่อนของโลหะลดลง