Cara menerangkan pengaratan dan cara mencegahnya

Pengaratan ialah salah satu topik yang paling kerap keluar dalam keseimbangan redoks, kerana ia memadatkan keseluruhan cerita redoks ke dalam objek harian: sebuah pagar berkarat. Ramai pelajar boleh berkata “besi berkarat dalam udara dan air” tetapi kehilangan markah kerana tidak dapat menerangkan mengapa ia berlaku sebagai proses redoks, atau mengapa sesuatu kaedah pencegahan itu berkesan. Panduan ini memberi anda penerangan yang dikehendaki skema pemarkahan, berserta rangka kerja yang jelas untuk kaedah pencegahan.

Dua syarat yang diperlukan pengaratan

Pengaratan memerlukan kedua-dua oksigen (udara) dan air. Buang salah satunya dan besi tidak akan berkarat. Inilah yang cuba dibuktikan oleh eksperimen klasik, menyiasat syarat pengaratan, menggunakan air yang telah dididih (nyahoksigen) di bawah minyak, kalsium klorida kontang untuk mengeringkan udara, dan sebuah tabung kawalan. Hafalkan reka bentuk tiga tabung itu, ia soalan kegemaran Kertas 2 dan cara kemas untuk mengingati dua syarat tersebut.

Karat itu sendiri ialah besi(III) oksida terhidrat, ditulis Fe₂O₃·xH₂O, pepejal perang kemerahan yang mengelupas. Kerana ia mengelupas, ia mendedahkan besi baharu di bawahnya, jadi pengaratan terus memakan logam dan bukannya membentuk lapisan pelindung.

Mengapa pengaratan ialah tindak balas redoks

Penerangan yang berjaya menjaring markah menganggap sekeping besi yang berkarat sebagai sel elektrokimia kecil. Di satu bahagian, atom besi kehilangan elektron, ini ialah pengoksidaan, jadi bahagian itu bertindak sebagai anod:

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻

Elektron mengalir melalui besi ke bahagian lain di mana oksigen diturunkan dengan kehadiran air, bahagian ini bertindak sebagai katod:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

Ion besi(II) kemudiannya dioksidakan lagi kepada ion besi(III), dan ion ini bergabung dengan oksigen dan air untuk membentuk besi(III) oksida terhidrat yang kita lihat sebagai karat. Jadi besi ialah bahan yang dioksidakan (ia agen penurun) dan oksigen ialah bahan yang diturunkan (agen pengoksidaan). Jika soalan meminta anda menerangkan pengaratan, namakan pengoksidaan dan penurunan, tulis sekurang-kurangnya setengah persamaan Fe → Fe²⁺ + 2e⁻, dan nyatakan bahawa besi kehilangan elektron. Itulah yang menjaring markah, bukan sekadar “besi bertindak balas dengan oksigen”.

Apa yang menjadikan pengaratan lebih cepat

Apa sahaja yang membantu elektron dan ion bergerak akan mempercepatkan pengaratan. Elektrolit, air masin, hujan berasid, membawa cas dan mempercepatkan kakisan, sebab itu kereta berkarat lebih cepat berhampiran pantai. Bersentuhan dengan logam yang kurang elektropositif (logam yang lebih rendah dalam siri kereaktifan, seperti kuprum atau timah) juga menjadikan besi berkarat lebih cepat, kerana besi menjadi anod pasangan itu dan menyerahkan elektronnya dengan lebih mudah.

Pencegahan: tiga keluarga kaedah

Kumpulkan setiap kaedah pencegahan kepada tiga idea dan anda tidak akan tersekat.

1. Kaedah halangan, halang udara dan air. Mengecat, menyalut dengan minyak atau gris, menyalut dengan plastik, dan penyaduran elektrik dengan logam yang tidak reaktif seperti timah atau kromium semuanya berfungsi dengan meletakkan lapisan fizikal antara besi dengan persekitarannya. Kelemahan halangan semata-mata ialah setelah ia tercalar, besi yang terdedah berkarat seperti biasa, dan dengan saduran timah ia berkarat lebih cepat, kerana timah kurang reaktif daripada besi, jadi besi menjadi anod.

2. Perlindungan korban, biar logam lebih reaktif terkakis sebaliknya. Sambungkan logam yang lebih elektropositif daripada besi (lebih tinggi dalam siri kereaktifan), seperti zink atau magnesium. Logam itu kehilangan elektron dengan keutamaan berbanding besi, jadi ia dioksidakan dan “dikorbankan” sementara besi dilindungi. Blok magnesium atau zink dipasang pada badan kapal dan ditanam di sisi paip keluli bawah tanah atas sebab inilah. Frasa penting dalam jawapan ialah “logam yang lebih elektropositif dioksidakan menggantikan besi / mendermakan elektron kepada besi”.

3. Penggalvanian dan pengaloian. Penggalvanian bermaksud menyalut besi dengan zink, dan ia berkuasa kerana ia melakukan kedua-dua tugas: zink ialah halangan, dan kerana zink lebih reaktif daripada besi, ia juga melindungi secara korban walaupun saduran itu tercalar. Pengaloian mengubah logam itu sendiri, keluli tahan karat (besi dengan kromium dan nikel) menahan karat kerana kromium membentuk lapisan oksida yang stabil dan melindungi.

Contoh jawapan ringkas

“Sebatang tiang pagar keluli dilindungi dengan memasang bar magnesium. Terangkan bagaimana ini mencegah pengaratan.” Jawapan markah penuh: magnesium lebih elektropositif (lebih reaktif) daripada besi, jadi magnesium dioksidakan menggantikan besi. Magnesium kehilangan elektron, Mg → Mg²⁺ + 2e⁻, dan membekalkan elektron kepada besi, jadi besi tidak kehilangan elektron dan tidak berkarat. Magnesium ialah logam korban dan terkakis sebagai gantinya.

Di mana pelajar tersilap

Kesilapan paling biasa ialah mengatakan zink “menyalut” besi dan berhenti di situ, itu hanya menerangkan halangan, bukan mengapa penggalvanian masih berfungsi apabila tercalar. Kedua ialah memilih logam yang kurang reaktif untuk perlindungan korban; sentiasa semak siri kereaktifan, dan ingat logam korban mesti di atas besi. Jika elektrokimia di sebalik “logam mana anod” masih goyah, itu satu idea bernilai tinggi yang boleh dikunci oleh guru dengan cepat untuk anda, anda boleh lihat bagaimana kelas dalam talian satu-ke-satu kami berjalan, dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam dengan sesi percubaan satu jam berbayar, di cara ia berjalan. Kuasai pengaratan dan anda telah pun mengulang kaji separuh redoks pada masa yang sama.