Pengaratan dan pencegahannya

Halaman ini merangkumi satu standard kandungan Tingkatan 5 daripada Keseimbangan Redoks: pengaratan dan pencegahannya. Pengaratan ialah tindak balas redoks harian yang digemari peperiksaan, kerana ia membolehkan anda menerapkan pengoksidaan, penurunan, setengah persamaan dan siri kereaktifan pada masalah sebenar yang biasa. Pelajarinya sebagai satu cerita redoks, bukan senarai fakta.

Pengaratan ialah tindak balas redoks

Karat ialah ferum(III) oksida terhidrat, lebih kurang Fe₂O₃.xH2O, pepejal perang berkeping yang terbentuk pada besi dan keluli. Pengaratan hanya berlaku apabila kedua-dua air dan oksigen hadir; buang salah satu dan besi tidak berkarat. Itulah sebabnya eksperimen klasik menggunakan tiga tabung uji, besi dengan air dan udara (berkarat), besi dengan air yang direbus dan minyak untuk menyingkirkan udara (tidak berkarat), dan besi dengan kalsium klorida kontang dan udara kering (tidak berkarat).

Prosesnya redoks. Besi dioksidakan pada satu tempat di permukaan, kehilangan elektron:

Fe → Fe²⁺ + 2e- (nombor pengoksidaan besi naik dari 0 ke +2)

Elektron bergerak melalui logam ke tempat lain, di mana oksigen diturunkan dengan kehadiran air:

O₂ + 2H₂O + 4e- → 4OH⁻

Ion Fe²⁺ kemudian dioksidakan lagi kepada Fe³⁺, yang bergabung dengan hidroksida dan air membentuk ferum(III) oksida terhidrat yang kita panggil karat. Jadi besi ialah agen penurunan dan oksigen ialah agen pengoksidaan.

Faktor yang mempercepatkan pengaratan

• Elektrolit seperti garam (natrium klorida) menjadikan air mengalir arus dengan lebih baik, jadi elektron dan ion bergerak lebih mudah dan pengaratan lebih cepat. Itulah sebabnya kereta dan struktur berkarat teruk berhampiran laut.
• Keadaan berasid (contohnya hujan asid) mempercepatkan pengaratan atas sebab yang sama.
• Sentuhan dengan logam yang kurang reaktif (contohnya besi menyentuh kuprum atau timah) menjadikan besi berkarat lebih cepat, kerana besi kehilangan elektron dengan lebih mudah sebagai perbandingan, besi menjadi yang dioksidakan.

Mencegah karat

Terdapat tiga idea, dan anda harus boleh menerangkan mengapa setiap satu berkesan.

1. Kaedah halangan, menghalang air dan oksigen dengan salutan: mengecat, meminyak/menggris, menyalut dengan plastik, atau menyadur dengan logam tak reaktif (contohnya penyaduran kromium). Ringkas, tetapi jika halangan tercalar, besi yang terdedah berkarat.
2. Perlindungan korban, pasang logam yang lebih reaktif seperti zink atau magnesium. Kerana ia lebih reaktif, ia kehilangan elektron sebagai ganti besi, jadi ia mengakis dan digunakan manakala besi dilindungi. Yang penting, ini masih berfungsi apabila permukaan tercalar, kerana perlindungan adalah melalui bekalan elektron, bukan halangan fizikal. Badan kapal dan paip bawah tanah membawa blok zink atau magnesium korban atas sebab ini.
3. Penggalvanian, menyalut besi dengan zink, ialah pertahanan berganda yang bijak: zink ialah halangan dan, jika tercalar, memberi perlindungan korban.
4. Pengaloian, mencampurkan besi dengan unsur lain untuk menjadikannya tahan karat, yang paling terkenal keluli tahan karat (besi dengan kromium dan nikel), yang membentuk lapisan pelindung yang tidak mengelupas.

Mengapa pengaratan penting

Pengaratan bukan sekadar tajuk peperiksaan; ia masalah ekonomi yang besar. Struktur besi dan keluli seperti jambatan, kapal, kereta dan paip perlu dilindungi, jika tidak ia menjadi lemah dan mesti diganti. Memahami sebab redoks di sebalik pengaratan membantu jurutera memilih kaedah pencegahan yang betul untuk setiap keadaan, perlindungan korban untuk badan kapal yang tenggelam, penggalvanian untuk bumbung zink, dan pengaloian untuk perkakas dapur keluli tahan karat. Menghubungkan kimia dengan penggunaan sebenar begini ialah tepatnya jenis penaakulan yang diminta Bahagian C Kertas 2.

Contoh penyelesaian

Soalan. Sebuah pintu pagar keluli dilindungi dengan memasang blok magnesium padanya. Terangkan, menggunakan setengah persamaan dan siri kereaktifan, mengapa magnesium melindungi besi walaupun selepas cat pagar tercalar.

Langkah 1, bandingkan kereaktifan. Magnesium lebih reaktif daripada besi, jadi magnesium kehilangan elektron dengan lebih mudah daripada besi.

Langkah 2, nyatakan apa yang dilakukan magnesium. Magnesium dioksidakan sebagai ganti besi: Mg → Mg²⁺ + 2e-. Elektron yang dibebaskannya mengalir ke dalam besi.

Langkah 3, nyatakan kesannya kepada besi. Dengan bekalan elektron yang ditolak kepadanya, besi dihalang daripada kehilangan elektronnya sendiri, jadi Fe → Fe²⁺ + 2e- ditindas dan besi tidak berkarat. Jika ada apa-apa, elektron tambahan memacu setengah tindak balas penurunan oksigen di permukaan besi tanpa menghabiskan besi.

Langkah 4, terangkan bahagian “walaupun tercalar”. Kerana perlindungan datang daripada bekalan elektron melalui logam, bukan penutup fizikal, calaran pada cat tidak penting, magnesium terus membekalkan elektron kepada besi yang terdedah.

Jawapan. Magnesium, yang lebih reaktif, dioksidakan (Mg → Mg²⁺ + 2e-) dan membekalkan elektron secara korban kepada besi, jadi besi tidak dioksidakan dan tidak berkarat; ini berfungsi walaupun tercalar kerana ia bergantung pada aliran elektron, bukan halangan.

Soalan latihan

Dua paku besi yang serupa dicelup separuh dalam jeli agar yang mengandungi penunjuk. Paku A dibalut dengan jalur zink; paku B dibalut dengan jalur kuprum. Ramalkan paku mana yang berkarat dan terangkan dari segi siri kereaktifan.

Jawapan. Paku B (dengan kuprum) berkarat; paku A (dengan zink) tidak. Zink lebih reaktif daripada besi, jadi ia dioksidakan sebagai ganti besi dan melindunginya (perlindungan korban). Kuprum kurang reaktif daripada besi, jadi besi kehilangan elektron dengan lebih mudah daripada kuprum dan dioksidakan lebih cepat, kuprum sebenarnya mempercepatkan pengaratan paku B.

Petua peperiksaan

Dua syarat, setiap kali: pengaratan memerlukan kedua-dua air dan oksigen, nyatakan kedua-duanya. Bagi soalan pencegahan, sentiasa namakan kaedah dan beri sebab redoks: “zink lebih reaktif, jadi ia dioksidakan sebagai ganti besi dan membekalkan elektron kepadanya”. Markah paling bernilai dalam jawapan perlindungan korban ialah bahawa ia masih berfungsi apabila salutan tercalar, pemeriksa mencarinya. Jangan kelirukan penggalvanian (zink, memberi perlindungan korban) dengan penyaduran timah (timah kurang reaktif, jadi calaran menjadikan besi berkarat lebih cepat). Perbezaan ini ialah markah Kertas 2 Kimia SPM yang lazim.

Kedudukan dalam bab

Pengaratan mengaitkan siri kereaktifan kepada proses redoks sebenar dan menyediakan idea, yang digunakan semula dalam sel, bahawa logam yang lebih reaktif melepaskan elektron dengan lebih mudah.

• Naik ke hab bab: Keseimbangan Redoks.
• Ke sisi: nota ulang kaji bab dan senarai kesilapan lazim, yang menandakan perangkap timah lawan zink.

Guru Kimia SPM 1-ke-1 dalam talian kami, mengajar dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, melatih tepat perkataan yang dihargai pemeriksa bagi perlindungan korban, supaya anda tidak pernah kehilangan markah “berfungsi walaupun tercalar”.