Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa một kim loại cơ bản cùng với một số kim loại hoặc phi kim khác. Thép là hợp kim của sắt với carbon trong đó hàm lượng carbon dưới 2%; gang cũng là hợp kim sắt với carbon nhưng hàm lượng carbon từ 2% đến 5%; đồng thau là hợp kim của đồng với kẽm; duralumin là hợp kim của nhôm với đồng, magnesium và một số nguyên tố khác.
So với các kim loại thành phần, hợp kim thường có những khác biệt sau:
Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường. Bản chất chung là kim loại bị oxi hoá: M → Mn+ + ne. Điểm khác nhau nằm ở chỗ electron đi thẳng hay đi vòng.
| Tiêu chí | Ăn mòn hoá học | Ăn mòn điện hoá học |
|---|---|---|
| Đường đi của electron | Kim loại nhường electron trực tiếp cho chất oxi hoá khi va chạm | Electron đi vòng qua dây dẫn hoặc qua chỗ tiếp xúc, từ cực âm sang cực dương |
| Có dòng điện không | Không phát sinh dòng điện | Có dòng electron chuyển dời, tức có dòng điện |
| Điều kiện | Chỉ cần kim loại tiếp xúc chất oxi hoá | Phải hội đủ ba điều kiện, xem mục 3 |
| Tốc độ | Chậm, tăng theo nhiệt độ | Nhanh hơn nhiều, đây là dạng ăn mòn gây thiệt hại chủ yếu trong thực tế |
| Ví dụ | Đốt dây sắt trong khí chlorine; thanh sắt nguyên chất tan trong dung dịch HCl; ống thép dẫn hơi nước nóng bị oxi hoá | Gang thép gỉ trong không khí ẩm; vỏ tàu biển bị ăn mòn; thanh kẽm tiếp xúc thanh đồng cùng nhúng dung dịch acid |
Phải hội đủ cả ba, thiếu một điều kiện là kết luận sai:
Cực nào bị ăn mòn. Kim loại có tính khử mạnh hơn, tức đứng trước trong dãy hoạt động, đóng vai trò cực âm (anot của pin) và bị oxi hoá, tan dần. Kim loại còn lại là cực dương và được bảo vệ, tại đó chỉ xảy ra quá trình khử của môi trường. Đây là câu phải thuộc: cực âm bị ăn mòn trước.
Ví dụ gang thép để trong không khí ẩm: vô số tinh thể Fe và C tiếp xúc nhau tạo thành vô số pin nhỏ li ti.
Ion Fe2+ tiếp tục bị oxygen không khí oxi hoá thành Fe3+ rồi kết hợp với nước tạo gỉ sắt màu nâu đỏ có thành phần chính là Fe2O3 ngậm nước.
| Phương pháp | Cách làm | Cơ chế |
|---|---|---|
| Bảo vệ bề mặt | Sơn, tráng men, bôi dầu mỡ, mạ một lớp kim loại khác, tạo lớp oxide bền | Cách li kim loại khỏi môi trường; nhược điểm là lớp phủ vỡ ở đâu thì ăn mòn khởi phát ở đó |
| Bảo vệ điện hoá bằng anot hi sinh | Gắn khối kẽm vào vỏ tàu thép, nối ống thép chôn dưới đất với khối magnesium | Kim loại gắn thêm hoạt động mạnh hơn nên làm cực âm và bị ăn mòn thay; vật cần bảo vệ trở thành cực dương nên không tan |
| Chế tạo hợp kim chống gỉ | Thép không gỉ chứa chromium và nickel | Tạo lớp oxide bền, kín, bám chắc trên bề mặt |
| Xử lí môi trường | Dùng chất ức chế, hút ẩm, hạ nồng độ chất điện li | Làm mất điều kiện thứ ba của ăn mòn điện hoá |
Điểm dễ nhầm nhất của mục này: khi mạ thiếc lên sắt thì lớp thiếc chỉ bảo vệ theo kiểu bề mặt. Nếu lớp thiếc bị trầy xước, cặp Fe và Sn tiếp xúc nhau trong không khí ẩm sẽ tạo pin điện hoá và chính sắt bị ăn mòn nhanh hơn cả khi không mạ. Ngược lại, mạ kẽm lên sắt là bảo vệ theo kiểu điện hoá: lớp kẽm trầy xước vẫn tiếp tục hi sinh để giữ cho sắt nguyên vẹn.
Bước 1 — nhận dạng loại ăn mòn ở từng vật. Sắt nguyên chất trong không khí ẩm chỉ bị ăn mòn hoá học, nghĩa là các nguyên tử sắt nhường electron trực tiếp cho oxygen khi va chạm, quá trình này chậm vì không có đường dẫn electron nào thuận lợi.
Bước 2 — soi ba điều kiện với vật bằng gang. Gang là hợp kim của sắt với carbon nên trong khối vật liệu có vô số tinh thể Fe nằm sát vô số tinh thể C, đó là hai điện cực khác bản chất, thoả điều kiện thứ nhất. Chúng nằm sát nhau trong cùng một khối nên tiếp xúc trực tiếp, thoả điều kiện thứ hai. Lớp nước mỏng hấp phụ trên bề mặt có hoà tan khí carbon dioxide và oxygen nên là dung dịch chất điện li, thoả điều kiện thứ ba. Hội đủ ba điều kiện nên gang bị ăn mòn điện hoá học.
Bước 3 — xác định cực và viết quá trình. Sắt có tính khử mạnh hơn carbon nên các tinh thể sắt là cực âm và bị oxi hoá: Fe → Fe2+ + 2e. Các tinh thể carbon là cực dương, tại đó oxygen của không khí nhận electron: O2 + 2H2O + 4e → 4OH–.
Bước 4 — kết luận. Electron được dẫn liên tục từ vùng sắt sang vùng carbon nên phản ứng không bị dừng lại, tốc độ ăn mòn lớn hơn nhiều so với ăn mòn hoá học. Ion Fe2+ sinh ra bị oxygen oxi hoá tiếp thành Fe3+ rồi tạo gỉ nâu đỏ Fe2O3 ngậm nước. Vì vậy vật bằng gang gỉ nhanh hơn vật bằng sắt nguyên chất.
Bước 1 — kiểm ba điều kiện. Nhôm và đồng là hai kim loại khác bản chất, đó là điều kiện thứ nhất. Đề nói hai thanh tiếp xúc trực tiếp, đó là điều kiện thứ hai. Dung dịch HCl loãng là chất điện li và cả hai thanh cùng nhúng vào, đó là điều kiện thứ ba. Hội đủ ba nên hệ xảy ra ăn mòn điện hoá học.
Bước 2 — xác định cực. Nhôm đứng trước đồng rất xa trong dãy hoạt động, tính khử mạnh hơn hẳn, nên thanh nhôm đóng vai trò cực âm và bị ăn mòn; thanh đồng là cực dương và được bảo vệ, khối lượng không đổi.
Bước 3 — viết quá trình. Ở cực âm là thanh nhôm: Al → Al3+ + 3e. Ở cực dương là thanh đồng, môi trường acid nên ion H+ nhận electron: 2H+ + 2e → H2. Cân bằng electron cho phản ứng tổng: 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2.
Bước 4 — hiện tượng quan sát được. Bọt khí thoát ra chủ yếu ở bề mặt thanh đồng chứ không phải ở thanh nhôm, đây là dấu hiệu nhận biết ăn mòn điện hoá bằng mắt thường. Thanh nhôm mòn dần và mỏng đi, dung dịch xuất hiện ion Al3+. Nếu tách rời hai thanh, nhôm vẫn tan trong HCl nhưng chậm hơn nhiều vì lúc đó chỉ còn ăn mòn hoá học.
Bước 1 — xác định kim loại nào phản ứng. Trong hợp kim Mg–Ag, chỉ magnesium đứng trước hydrogen nên tác dụng được với dung dịch HCl; bạc đứng sau hydrogen nên không tan, còn lại nguyên dạng chất rắn. Tính chất hoá học của hợp kim vẫn là tính chất của từng kim loại thành phần, đây là điểm mấu chốt của bài.
Bước 2 — viết phương trình và lập tỉ lệ: Mg + 2HCl → MgCl2 + H2. Tỉ lệ mol giữa magnesium và khí hydrogen là 1 : 1, nên nMg = nH2 = 0,2 mol.
Bước 3 — tính khối lượng từng kim loại. Khối lượng magnesium là 0,2 · 24 = 4,8 gam. Khối lượng bạc là phần còn lại: 12 − 4,8 = 7,2 gam.
Bước 4 — tính phần trăm. Phần trăm khối lượng magnesium là 4,8 : 12 · 100 = 40%. Phần trăm khối lượng bạc là 7,2 : 12 · 100 = 60%. Cộng lại đúng bằng 100% nên kết quả nhất quán.
Bước 5 — kiểm chéo bằng số mol bạc: 7,2 : 108 = 0,0667 mol, một giá trị dương hợp lí, không mâu thuẫn với dữ kiện nào. Lưu ý nếu vội lấy toàn bộ 12 gam hợp kim để tính số mol theo phương trình thì kết quả sẽ sai vì bạc hoàn toàn không tham gia phản ứng.