Gỉ sét

Gỉ sét, hay còn gọi là rỉ sét, là một sắt oxide, một hợp chất thường có màu nâu đỏ được hình thành do phản ứng giữa sắt và oxy dưới tác dụng xúc tác của nước hoặc hơi ẩm trong không khí. Gỉ sét bao gồm các sắt(III) oxide ngậm nước ( Fe₂O₃ · nH₂O ) và sắt(III) oxide-hydroxide (FeO(OH), Fe(OH)₃), và thường liên quan đến sự ăn mòn của sắt tinh luyện.

Mọi khối sắt khi tiếp xúc với và oxy đủ lâu sẽ tạo thành gỉ và cuối cùng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành gỉ sét. Gỉ bề mặt thường bong tróc và dễ vỡ, đồng thời không cung cấp khả năng bảo vệ thụ động cho sắt bên dưới không giống các kim loại khác như nhôm, đồng và thiếc, khi chúng tạo thành các lớp oxide ổn định. Gỉ là thuật ngữ thông thường dùng để chỉ sự ăn mòn của sắt nguyên tố và hợp kim sắt như thép. Nhiều kim loại khác trải qua quá trình ăn mòn tương tự, nhưng các oxide tạo thành thường không được gọi là "gỉ".

Một số loại gỉ sét có thể phân biệt bằng mắt thường và quang phổ và hình thành trong các điều kiện khác nhau. Các dạng gỉ sét khác bao gồm sản phẩm của phản ứng giữa sắt và ion chloride trong môi trường thiếu oxy. Thép cốt dùng trong các trụ bê tông dưới nước tạo ra gỉ sét xanh là một ví dụ. Mặc dù gỉ sét nói chung là một khía cạnh tiêu cực của sắt, nhưng một dạng gỉ sét đặc biệt, được gọi là gỉ sét ổn định, khiến vật thể có một lớp gỉ mỏng phủ trên bề mặt; điều này là kết quả của phản ứng với oxy trong khí quyển. Nếu được giữ khô ráo, nó sẽ tạo ra lớp "ổn định" bảo vệ sắt bên dưới, mặc dù không nhiều như các oxide khác như nhôm oxide trên bề mặt của nhôm.

Phản ứng hóa học 

Gỉ sét là tên gọi chung cho một phức hợp chứa sắt oxide và hydroxide; chúng xuất hiện khi sắt hoặc một số hợp kim chứa sắt tiếp xúc với oxy và hơi ẩm trong thời gian dài. Theo thời gian, oxy sẽ kết hợp với kim loại, tạo ra các hợp chất mới được gọi chung là gỉ sét; quá trình này được gọi là gỉ. Đây là một phản ứng oxy hóa xảy ra chỉ với sắt. Các kim loại khác cũng bị ăn mòn bằng quá trình oxy hóa tương tự nhưng sự ăn mòn đó thường không được gọi là gỉ.

Chất xúc tác chính cho quá trình gỉ sét là nước. Các phân tử nước có thể thấm vào các lỗ nhỏ và vết nứt li ti xuyên suốt bề mặt sắt và thép. Các nguyên tử hydro trong phân tử nước có thể kết hợp với các nguyên tố khác để tạo thành acid, khiến nhiều phần của kim loại bị phơi bày hơn. Nếu xuất hiện các ion chloride, như trong nước muối, sự ăn mòn có thể xảy ra nhanh hơn. Trong khi đó, các nguyên tử oxy kết hợp với các nguyên tử kim loại để tạo thành hợp chất oxide gây hại. Các hợp chất sắt này giòn và dễ vỡ, thay thế sắt kim loại cứng chắc, từ đó làm giảm độ bền của vật.

Quá trình oxy hóa sắt 
Sắt sẽ bị gỉ khi tiếp xúc với nước và oxy. Nếu có muối, như trong nước biển hoặc hơi muối, sắt thường sẽ bị gỉ nhanh hơn. Kim loại sắt không bị ảnh hưởng bởi nước tinh khiết hoặc oxy khô. Giống với kim loại khác, chẳng hạn như nhôm, một lớp oxide bám chặt sẽ bảo vệ khối sắt khỏi quá trình oxy hóa. Sự chuyển đổi lớp sắt oxide thụ động thành gỉ là kết quả của hai tác nhân đi kèm, thường là oxy và nước.

Các dung dịch phân hủy khác là lưu huỳnh dioxide trong nước và carbon dioxide trong nước. Các hợp chất sắt hydroxide được hình thành trong các điều kiện ăn mòn này. Khác với sắt oxide, các hydroxide không bám vào kim loại khối. Khi sắt hydroxide hình thành, chúng bong ra khỏi bề mặt, lộ ra một lớp sắt mới. Từ đó, quá trình ăn mòn tiếp diễn cho tới khi sắt bị tiêu thụ hoàn toàn hoặc oxy, nước, carbon dioxide và lưu huỳnh dioxide bị loại bỏ hoặc tiêu thụ.

Khi sắt bị gỉ, các oxide chiếm thể tích lớn hơn kim loại ban đầu; sự giãn nở này có thể tạo ra áp lực rất lớn, gây hư hại cho các công trình làm bằng sắt.

Các phản ứng liên quan 
Gỉ sét là một quá trình điện hóa bắt đầu bằng sự dịch chuyển electron từ sắt sang oxy. Sắt là chất khử (cho electron) trong khi oxy là chất oxy hóa (nhận electron). Tốc độ ăn mòn bị ảnh hưởng bởi nước; quá trình ăn mòn sẽ diễn ra nhanh hơn khi có chất điện giải. Phản ứng chính là phản ứng khử oxy:

 O2 + 4   + 2  → 4 

Vì quá trình này tạo thành các ion hydroxide, nên nó bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự hiện diện của acid. Tương tự, sự ăn mòn của hầu hết các kim loại bởi oxy xảy ra nhanh hơn khi độ pH giảm. Phản ứng oxy hóa sắt có thể được mô tả như sau:

 Fe → Fe2+ + 2  

Phản ứng oxy hóa khử sau đây, rất quan trọng đối với sự hình thành gỉ sét, xảy ra khi có sự xuất hiện của nước:

 4 Fe2+ + O2 → 4 Fe3+ + 2 O2−

Ngoài ra, các phản ứng acid-base sau đây cũng ảnh hưởng đến quá trình hình thành gỉ sét:

 Fe2+ + 2 H₂O ⇌ Fe(OH)2 + 2 
 Fe3+ + 3 H₂O ⇌ Fe(OH)3 + 3 

Tương tự như vậy đối với các phản ứng khử nước sau:

 Fe(OH)2 ⇌ FeO + 
 Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + 
 2 FeO(OH) ⇌ Fe2O3 + 

Các phương trình trên cũng cho thấy rằng các sản phẩm ăn mòn dựa vào lượng nước và oxy có sẵn. Với lượng oxy hòa tan hạn chế, các vật liệu chứa sắt(II) sẽ hình thành trước, bao gồm FeO và đá lodestone hoặc magnetit (Fe3O4). Nồng độ oxy cao lại ưu tiên các vật liệu chứa sắt(III) với công thức danh nghĩa Fe(OH)3−xO. Bản chất của gỉ sét thay đổi theo thời gian, thể hiện tốc độ phản ứng chậm của chất rắn.

Hơn nữa, các phản ứng này còn bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các ion khác như Ca2+, một chất điện giải giúp tăng tốc quá trình hình thành gỉ sét, hoặc kết hợp với các hydroxide và oxide của sắt để kết tủa nhiều loại hợp chất Ca, Fe, O, OH.

Sự xuất hiện của gỉ sét cũng có thể được phát hiện trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng chất chỉ thị ferroxyl. Dung dịch này có thể phát hiện cả ion Fe2+ và ion hydroxyl. Sự hình thành ion Fe2+ và ion hydroxyl được biểu thị lần lượt bằng các mảng màu xanh lam và hồng.

Phòng ngừa 

Do sự phổ biến và tầm quan trọng của các sản phẩm làm từ sắt thép và do hiện tượng gỉ sét làm giảm đáng kể độ bền, chức năng và vẻ ngoài của các sản phẩm này, việc phòng ngừa và kiểm soát gỉ sét là nền tảng của các hoạt động kinh tế quan trọng trong một số công nghệ chuyên ngành.

Gỉ sét có khả năng thấm khí và nước, do đó sắt kim loại bên dưới lớp gỉ có thể tiếp tục bị ăn mòn. Vì lý do này mà việc ngăn ngừa gỉ sét đòi hỏi phải có lớp phủ ngăn chặn sự hình thành gỉ sét trên bề mặt.

Hợp kim chống gỉ 

Thép không gỉ tạo thành một lớp chromi(III) oxide thụ động. Sự thụ động cũng xuất hiện trong magnesi, titani, kẽm, kẽm oxide, nhôm, polyaniline và các polyme dẫn điện hoạt tính khác.

Các hợp kim "thép chịu thời tiết" đặc biệt như Cor-Ten bị gỉ với tốc độ chậm hơn đáng kể thép bình thường, vì gỉ sét sẽ bám vào bề mặt kim loại để tạo một lớp bảo vệ. Các công trình sử dụng vật liệu này phải bao gồm các biện pháp tránh tiếp xúc trong trường hợp xấu nhất vì vật liệu có thể tiếp tục gỉ chậm ngay cả trong điều kiện gần như lý tưởng.

Mạ kẽm 

Mạ kẽm là việc phủ một lớp kẽm lên vật cần bảo vệ bằng phương pháp mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ điện. Kẽm thường được sử dụng bởi giá thành thấp, khả năng bám dính tốt với thép và khả năng bảo vệ điện hóa cho bề mặt thép trong trường hợp lớp kẽm bị hư hại. Trong môi trường ăn mòn cao (như nước mặn), mạ cadmi được ưa chuộng hơn mạ kẽm. Vì lớp kẽm bảo vệ bị ăn mòn trong quá trình này nên mạ kẽm chỉ bảo vệ sắt thép trong một thời gian ngắn.

Các lớp phủ tân tiến hơn chứa nhôm dưới dạng kẽm-nhôm, trong đó nhôm sẽ bao phủ các vết xước. từ đó cung cấp khả năng bảo vệ lâu dài hơn. Các phương pháp này dựa trên việc nhôm oxide và kẽm bảo vệ bề mặt đã bị xước, thay vì bị oxy hóa như một cực dương hy sinh như trong các lớp phủ mạ kẽm truyền thống. Trong một số trường hợp, như trong môi trường khắc nghiệt hoặc khi sắt thép cần tuổi thọ cao, cả kẽm và lớp phủ đều được áp dụng để tăng cường khả năng chống ăn mòn.

Quá trình mạ kẽm thông thường cho các sản phẩm thép phải chịu tác động của thời tiết hàng ngày trong môi trường ngoài trời bao gồm mạ kẽm nhúng nóng với lớp phủ dày 85 μm. Trong thời tiết bình thường, lớp phủ này sẽ bị hao mòn với tốc độ 1 μm mỗi năm, mang lại khả năng bảo vệ thép trong khoảng 85 năm.

Phương pháp điện hóa 
Điện hóa là một kỹ thuật được sử dụng để ức chế sự ăn mòn với các cấu trúc chôn dưới đất hoặc ngâm trong nước bằng cách cung cấp điện tích làm giảm phản ứng điện hóa. Nếu được áp dụng đúng cách, sự ăn mòn có thể được ngăn chặn hoàn toàn. Ở dạng đơn giản nhất, nó được thực hiện bằng cách gắn một kim loại có hoạt động cao hơn sắt, biến sắt hoặc thép thành cực âm và kim loại hoạt động hơn trở thành cực dương trong một dạng pin điện. Cực dương hy sinh phải được làm từ vật liệu có thế điện cực chuẩn thấp hơn sắt hoặc thép, thường là kẽm, nhôm hoặc magie. Cực dương hy sinh cuối cùng sẽ bị ăn mòn, làm mất tác dụng bảo vệ trừ khi nó được thay thế kịp thời.

Lớp phủ và sơn 

Quá trình gỉ sét có thể được kiểm soát bằng các lớp phủ như sơn, sơn mài, vecni hoặc sáp để cách ly sắt khỏi môi trường. Các cấu trúc lớn có phần hộp kín như tàu thuyền và ô tô hiện đại thường có một sản phẩm gốc sáp (về mặt kỹ thuật là "dầu bôi trơn") được bơm vào các phần này. Các phương pháp xử lý như vậy thường cũng chứa chất ức chế gỉ sét. Việc phủ thép bằng bê tông có thể cung cấp một số biện pháp bảo vệ cho thép do môi trường pH kiềm tại giao diện thép-bê tông. Tuy nhiên, thép gỉ sét trong bê tông có thể là một vấn đề vì khi gỉ sét lan rộng, bê tông có thế bị nứt từ bên trong.

Một ví dụ thực tế là các kẹp sắt dùng để nối các khối đá cẩm thạch trong một nỗ lực phục hồi đền Parthenon ở Athens, Hy Lạp, vào năm 1898, nhưng đã gây ra thiệt hại đáng kể cho đá cẩm thạch do sự rỉ sét và giãn nở của sắt. Những người thợ xây Hy Lạp cổ đại đã sử dụng một hệ thống buộc tương tự cho các khối đá cẩm thạch trong quá trình xây dựng, tuy nhiên, họ cũng đổ chì nóng chảy lên các mối nối sắt để bảo vệ khỏi các chấn động địa chấn cũng như khỏi sự ăn mòn. Phương pháp này đã thành công đối với công trình 2500 năm tuổi, nhưng chưa đầy một thế kỷ sau, những sửa chữa thô sơ đã đứng trước nguy cơ sụp đổ. Khi chỉ cần bảo vệ tạm thời để lưu trữ hoặc vận chuyển, một lớp dầu mỡ mỏng hoặc hỗn hợp đặc biệt như Cosmoline có thể được bôi lên bề mặt kim loại. Các phương pháp xử lý như vậy được sử dụng rộng rãi khi " bảo quản " tàu thép, ô tô hoặc các thiết bị khác để lưu trữ lâu dài.

Các hợp chất bôi trơn chống kẹt đặc biệt có thể được dùng cho ren kim loại và các bề mặt gia công chuẩn xác khác để ngăn ngừa rỉ sét. Các hợp chất này thường chứa mỡ trộn với bột đồng, kẽm hoặc nhôm và một số thành phần khác.

Kiểm soát độ ẩm 
Gỉ sét có thể được phòng ngừa bằng cách kiểm soát độ ẩm trong không khí.  Một ví dụ là các gói gel silica dùng để kiểm soát độ ẩm của các thiết bị được vận chuyển bằng đường biển.

Xử lý 
Việc loại bỏ gỉ sét khỏi các vật nhỏ bằng sắt hoặc thép bằng phương pháp điện phân có thể được thực hiện tại gia bằng các vật liệu đơn giản như một xô nhựa chứa chất điện phân gồm natri carbonat hòa tan trong nước máy, một thanh thép được treo thẳng đứng trong dung dịch để làm cực dương, một thanh khác đặt ngang qua miệng xô để làm giá đỡ treo vật thể, dây thép để treo vật thể trong dung dịch từ thanh thép nằm ngang, và một bộ sạc pin làm nguồn điện trong đó cực dương được kẹp vào anode và cực âm được kẹp vào vật cần xử lý, vật thể này trở thành cathode. Hỗn hợp khí dễ cháy nổ hydro và oxy được tạo ra lần lượt ở cực âm và cực dương. Cần phải cẩn thận để tránh hiện tượng giòn hydro. Điện áp quá cao cũng tạo ra một lượng nhỏ khí ozone độc hại, vì vậy bộ sạc điện thoại điện áp thấp là nguồn dòng điện một chiều an toàn hơn nhiều. Tác động của hydro đối với sự nóng lên toàn cầu gần đây cũng đang được xem xét kỹ lưỡng.

Gỉ sét có thể được xử lý bằng các sản phẩm thương mại như chất chuyển đổi gỉ sét có chứa acid tannic hoặc acid phosphoric kết hợp với gỉ sét; được loại bỏ bằng các acid hữu cơ như acid citric và giấm hoặc được loại bỏ bằng các chất chelat hoặc thậm chí là dung dịch mật đường.

Tác động kinh tế 

Gỉ sét thường đi kèm với sự xuống cấp của các vật dụng và cấu trúc làm từ sắt. Vì gỉ sét có thể tích lớn hơn khối lượng sắt ban đầu, nên sự tích tụ gỉ có thể gây ra hư hỏng bằng cách làm tách rời các bộ phận liền kề – đôi khi được gọi là "hiệu ứng đẩy do gỉ sét". Đây được coi là nguyên nhân làm sập cầu sông Mianus vào năm 1983, khi các ổ trục bên trong bị gỉ sét đẩy một góc của tấm mặt đường ra khỏi trụ đỡ.

Một số thảm họa khác bao gồm thảm họa cầu Silver năm 1967 ở West Virginia khi một cây cầu treo bằng thép sụp đổ chỉ trong chưa đầy một phút khiến 46 người lái xe và hành khách trên cầu thiệt mạng, và Cầu Kinzua ở Pennsylvania bị lốc xoáy quật đổ năm 2003, chủ yếu do các bu lông ở chân đế giữ cấu trúc xuống đất bị rỉ sét, khiến cây cầu chỉ được neo giữ bằng trọng lực.

Bê tông cốt thép cũng dễ bị hư hại do gỉ sét. Áp suất bên trong do sự giãn nở của thép và sắt trong lúc bị gỉ có thể khiến bê tông bị bong tróc, làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới cấu trúc. Đây là một trong những dạng hư hỏng phổ biến nhất của cầu và công trình xây dựng bằng bê tông cốt thép.

Tham khảo

Đọc thêm 

 

Sắt
Ăn mòn