18.9: 부식

자연적인 전기화학적 과정으로 인한 금속의 분해를 부식이라고 합니다. 철의 녹 형성, 은의 변색, 구리에 발생하는 청록색 녹청 등이 부식의 예입니다. 부식은 금속의 산화를 수반합니다. 때로는 구리 또는 알루미늄의 산화와 같이 보호적인 역할을 하며, 금속 산화물 또는 그 파생물의 보호 층이 표면에 형성되어 기본 금속이 추가 산화로부터 보호됩니다. 다른 경우에는 부식이 철의 부식과 같이 금속을 손상시킵니다.

바람직하지 않은 산화환원 반응: 철의 녹슬림

녹은 철이 산소와 물에 노출되어 발생합니다. 녹 형성에는 철 표면에 갈바니 전지가 생성되어 철(II)이 생성됩니다. 철 표면에 형성된 양극(철의 산화) 및 음극(산소의 환원) 영역에서 발생하는 관련 산화환원 반응은 다음과 같습니다.

철(II)은 습한 공기와 추가로 반응하여 일반적으로 녹으로 알려진 산화철(III) 수화물을 형성합니다.

수화물의 화학양론은 철(II)이 노출되는 물의 양에 따라 달라지며, 화합물 공식에서 x를 사용하여 알 수 있습니다. 수분, 산 및 전해질의 존재는 녹 형성 속도를 증가시킵니다. 구리의 녹청과 달리, 녹이 형성되면 보호층이 형성되지 않으므로 녹이 벗겨지고 신선한 철이 대기에 노출되면서 철의 부식이 계속됩니다.

부식 방지

부식을 방지하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 한 가지 방법은 물과 산소와의 접촉을 피하기 위해 금속 표면을 페인트로 유지하는 것입니다. 스테인레스 스틸에 철과 소량의 크롬을 혼합하는 것과 같은 금속 합금은 부식을 방지하는 또 다른 효과적인 방법입니다. 크롬은 표면 근처에 모여서 산화되어 철을 부식으로부터 효과적으로 보호합니다.

철 및 기타 금속은 보호할 금속을 보다 쉽게 산화되는 금속(보통 아연)으로 코팅하는 아연도금을 통해 부식으로부터 보호할 수도 있습니다. 아연층이 손상되지 않으면 공기가 밑에 있는 철과 접촉하는 것을 방지하여 부식을 방지합니다. 부식이나 기계적 마모로 인해 아연층이 손상된 경우에도 다음 단락에서 설명하는 음극 보호 공정을 통해 철을 부식으로부터 보호할 수 있습니다.

음극 보호는 전기화학 반응에서 보호하려는 금속을 음극으로 전환시키는 원리를 활용합니다. 이는 보호된 금속을 희생 양극으로 알려진 아연이나 마그네슘과 같은 보다 활성이거나 쉽게 산화되는 금속에 연결함으로써 달성됩니다. 양극은 부식되어 음극 역할을 하는 금속을 보호하는데 소모됩니다. 음극방식은 온수기, 지하수 저장탱크 등 가전제품에 가장 일반적으로 사용됩니다. 중요한 점은 음극 보호가 철 이외의 금속에도 사용될 수 있다는 것입니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 OpenStax, Chemistry 2e, Chapter 17.6: Corrosion.

부식은 산화제(일반적으로 산소)가 있는 상태에서 금속이 자발적으로 산화되는 과정입니다. 그것은 자유의 여신상이나 녹슨 닻이 청록색이 되는 것과 같은 현상입니다. 일부 부식은 보호 효과를 가집니다.

예를 들어 구리는 산소, 이산화탄소, 물이 있는 곳에서 산화되어 청록색의 구조적으로 안정적인 층인 염기성 구리 탄산염을 형성합니다. 다른 부식은 해롭습니다. 예를 들어 철은 산소, 물, 그리고 수소 이온이 존재할 때 구조적으로 불안정한 금속 산화물인 녹으로 산화되는데, 녹은 지속적으로 떨어져 나가면서 기반 금속이 추가적으로 산화되게 됩니다.

녹은 자발적인 전기 화학 반응입니다. 표면의 흠집은 전극 전위가 0.44 볼트인 철이 쉽게 산화되어 철(II)이 되는 양극 부위의 역할을 합니다. 전자는 음극 영역으로 이동하며, 여기서 전극 전위가 1.23 볼트인 산소가 산성 환경에서 물로 환원됩니다.

이산화탄소와 물 사이의 대기 반응에서 수소 이온이 발생하여 탄산을 형성합니다. 다음으로 철(II)이온은 표면 수분을 통해 음극 영역으로 이동하며 일반적으로 녹'으로 알려진 산화철(III)수화물로 산화됩니다. 수화물의 화학양론은 철(II)이 노출되는 물의 양에 따라 달라집니다.

녹은 추가적인 수분, 산, 전해질로 가속되어 전하의 흐름을 가속화하고 H+이온의 농도를 높여줍니다. 부식을 방지하기 위한 방법으로는 금속 표면을 도장하여 물과 산소와의 접촉을 방지하거나 여러 금속의 조합인 합금을 사용하는 방법이 있습니다. 스테인리스강은 소량의 크롬을 함유한 철의 합금이며 포함된 크롬은 부식되어 비반응성 산화층을 형성함으로써 철을 보호합니다.

대안으로 전기 도금도 사용됩니다. 여기서 철 나사는 철을 보호하는 산화 아연의 보호층을 형성하는 아연과 같이 더 쉽게 산화되는 금속 층으로 코팅됩니다. 마지막으로 음극 보호 기술은 보호되는 금속을 음극으로 변환하여 부식을 억제합니다.

지하 철관은 대체로 아연과 같이 더 쉽게 산화되는 금속에 연결되는데 이 때 아연은 산화되는 희생 양극의 역할을 하며, 철은 음극의 역할을 하여 부식으로부터 보호됩니다.

• Corrosion - Deterioration of metals due to natural electrochemical processes (e.g., rust formation)
• Redox reaction - A chemical reaction involving oxidation and reduction
• Oxidation - Loss of electrons during a reaction by a molecule, atom or ion
• Prevention of Corrosion - Methods to avoid corrosive processes in metals (e.g., painting, alloying, galvanization)
• Cathodic protection - Technique used to control the corrosion of a metal surface

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