Pengaratan besi

Pengaratan ialah kakisan besi, dan sukatan pelajaran menganggapnya sebagai tindak balas elektrokimia (redoks) dan bukan sekadar pembakaran. Ia muncul dalam bab Redoks Tingkatan 5 dan berkait terus dengan siri kereaktifan, perlindungan korban dan pencegahan karat harian, jadi pemeriksa suka topik ini kerana satu konteks menguji beberapa idea sekali gus.

Pengaratan ialah tindak balas redoks

Pada besi yang lembap, sesetengah kawasan bertindak sebagai anod dan yang lain sebagai katod, dengan lapisan air bertindak sebagai elektrolit. Atom besi kehilangan elektron dan larut, oksigen mengambil elektron itu, dan kedua-dua hasil bertemu untuk membentuk karat.

• Di anod (pengoksidaan): Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e-
• Di katod (penurunan): O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e- → 4OH⁻(aq)

Ion besi(II) kemudian dioksidakan lagi oleh oksigen terlarut kepada ion besi(III), yang bergabung dengan ion hidroksida dan air untuk menghasilkan oksida besi(III) terhidrat. Perubahan keseluruhan boleh ditulis sebagai:

4Fe(s) + 3O₂(g) + 2xH2O(l) → 2Fe₂O₃.xH2O(s)

Formula Fe₂O₃.xH2O menunjukkan bahawa karat ialah oksida terhidrat, inilah sebabnya kedua-dua air dan oksigen adalah penting.

Keadaan yang diperlukan

• Air dan oksigen kedua-duanya mesti hadir. Buang salah satu dan pengaratan terhenti.
• Pengaratan dipercepatkan oleh elektrolit seperti garam (sebab itu kereta lebih cepat berkarat berhampiran laut), oleh asid (hujan asid), dan oleh sentuhan dengan logam kurang reaktif seperti timah atau kuprum.
• Pengaratan diperlahankan oleh sentuhan dengan logam lebih reaktif (perlindungan korban) dan oleh sebarang halangan yang menghalang udara dan air.

Pemerhatian

Pepejal berkeping berwarna perang atau perang jingga terbentuk pada permukaan besi. Karat itu berliang, jadi ia terkelupas dan mendedahkan logam segar di bawah, membiarkan kakisan berterusan sehingga objek itu menjadi lemah atau termakan hingga tembus.

Eksperimen klasik dan pencegahan

Eksperimen piawai meletakkan paku besi bersih dalam tabung berlainan: air biasa (berkarat), air didih ditutup dengan minyak supaya tiada oksigen (tiada karat), dan udara kering di atas kalsium klorida kontang supaya tiada air (tiada karat). Ini membuktikan kedua-dua air dan oksigen diperlukan. Set tambahan membalut paku dengan zink, magnesium, timah atau kuprum: logam lebih reaktif (zink, magnesium) melindungi besi dengan terkakis menggantikannya, manakala logam kurang reaktif (timah, kuprum) menjadikannya lebih cepat berkarat. Kaedah pencegahan yang perlu anda terangkan termasuk mengecat, menyapu minyak, penggalvanian dengan zink, penyaduran, mengaloi kepada keluli tahan karat, dan melekatkan blok korban magnesium pada kapal dan saluran paip.

Kesilapan lazim yang perlu dielakkan

Jangan panggil pengaratan sekadar “besi bertindak balas dengan oksigen”, skema pemarkahan mahukan air dan oksigen. Jangan tulis hasil sebagai oksida besi(III), Fe₂O₃, sahaja; karat ialah oksida terhidrat, Fe₂O₃.xH2O. Semasa menerangkan perlindungan korban, nyatakan bahawa logam lebih reaktif melepaskan elektron dengan lebih mudah dan lalu dioksidakan menggantikan besi, sebab itu besi dilindungi walaupun salutan tercalar.

Bagaimana ia muncul dalam peperiksaan SPM

Dalam Kertas 2 (4541/2) anda mungkin diminta menulis setengah persamaan besi di anod, menerangkan eksperimen paku, atau membandingkan logam yang dibalut pada besi menggunakan siri kereaktifan. Soalan berstruktur juga sering meminta anda menerangkan mengapa air garam mempercepat pengaratan (kerana ion garam menjadikan air pengalir elektrik yang lebih baik) dan mengapa magnesium yang dilekatkan pada lambung kapal melindungi besi walaupun ia sendiri terkakis. Dalam Kertas 1 (4541/1), item objektif biasanya menguji keadaan yang diperlukan untuk pengaratan atau memilih kaedah pencegahan yang paling berkesan. Justifikasikan setiap jawapan dengan pemindahan elektron, hubungkan pilihan logam dengan siri kereaktifan, dan soalan pengaratan menjadi markah mudah yang boleh anda kumpul dengan yakin setiap tahun.