Karat pada Baja: Mengapa Terjadi dan Cara Efektif untuk Menghilangkannya

Baja merupakan bagian integral dari kehidupan dan produksi kita sehari-hari, namun jumlah baja yang hilang di seluruh dunia akibat karat setiap tahunnya sangat besar. Oleh karena itu, melindungi baja dari korosi menjadi sangat penting.

Apa prinsip di balik pengkaratan baja?

Kita bisa mengeksplorasi hal ini melalui percobaan kecil seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini: Pada tabung reaksi pertama, kami menambahkan sedikit kalsium klorida (yang menyerap uap air di udara, berperan sebagai pengering), dan memasukkan paku, lalu menutup tabung reaksi dengan rapat.

Pada tabung reaksi kedua, kami memasukkan paku, merendamnya dalam air suling yang telah direbus dan didinginkan dengan cepat, lalu menuangkan minyak sayur untuk membentuk lapisan minyak pada permukaan air.

Pada tabung reaksi ketiga, kami memasukkan paku dan menambahkan sedikit air suling sehingga sebagian paku terendam. Kami mengamati dan mencatat fenomena dalam ketiga tabung reaksi secara teratur selama seminggu.

Dari hasil percobaan, kita dapat melihat bahwa paku pada tabung reaksi pertama dan kedua tidak berkarat, tetapi paku pada tabung reaksi ketiga berkarat, dan karat berwarna coklat kemerahan muncul pada permukaan paku. Hal ini menunjukkan bahwa perkaratan besi memerlukan keterlibatan air dan oksigen.

Proses korosi pada produk besi dan baja merupakan reaksi kimia yang kompleks. Karat, biasanya berwarna coklat kemerahan, memiliki bentuk yang berbeda dalam berbagai kondisi. Karat terutama terdiri dari besi (III) oksida terhidrasi (Fe2O3-nH2O) dan besi (III) hidroksida [Fe(OH)3]. Struktur karat yang longgar pada permukaan baja gagal mencegah besi bagian dalam dari paparan oksigen dan uap air, yang pada akhirnya menyebabkan besi berkarat sepenuhnya.

Tahukah Anda bagaimana cara menghilangkan karat dari permukaan besi?

Metode penghilangan karat yang umum terbagi dalam dua kategori: fisik dan kimiawi. Metode fisik umumnya melibatkan teknik abrasif, menggunakan amplas, roda gerinda, sikat kawat baja, dan wol baja untuk menghilangkan karat. Metode kimia melibatkan reaksi antara asam dan karat, yang bertujuan untuk menghilangkan karat.

Faktanya, menjaga produk baja tetap terisolasi dari air dan oksigen dapat mencegah karat. Oleh karena itu, metode paling sederhana untuk menghindari karat adalah dengan menjaga permukaan yang bersih dan kering pada produk baja. Pencegahan karat juga dapat dilakukan dengan membentuk lapisan pelindung pada permukaan, menggunakan minyak, cat, enamel, atau lapisan plastik.

Dalam kehidupan sehari-hari, tindakan seperti pengecatan sering diterapkan pada benda-benda seperti bodi mobil dan ember, sementara mesin memerlukan lapisan minyak mineral.

Selain itu, metode seperti pelapisan listrik atau pelapisan celup panas dapat digunakan untuk mengaplikasikan lapisan logam tahan karat, seperti seng, timah, kromium, atau nikel, pada permukaan baja. Ini logam membuat lapisan film oksida yang padat, mencegah besi berkarat dengan mengisolasinya dari air dan udara.

Selain itu, baja dapat dipadukan untuk mengubah struktur internalnya, misalnya, dengan menambahkan kromium atau nikel ke dalam baja biasa untuk menghasilkan baja tahan karat, yang secara efektif meningkatkan ketahanan karat pada produk baja.

Penghilang karat yang umum digunakan dalam kehidupan sehari-hari terutama mengandung asam klorida dan asam sulfat encer, yang dapat bereaksi dengan oksida besi. Persamaan reaksinya adalah:

Fe₂O₃+6HCl = 2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO)₄)₃+3H₂O

Penghilang karat menembus permukaan baja melalui retakan pada lapisan karat dan pengotor, menyebabkan lapisan ini larut dan terkelupas, sehingga menghilangkan karat, pengotor, dan kulit oksida dari permukaan baja. Namun, asam memiliki sifat korosif, sehingga pakaian pelindung diperlukan selama penghilangan karat.

Selain itu, reaksi antara asam dan besi menghasilkan hidrogen, yang dapat meledak jika terkena api terbuka, oleh karena itu merokok sangat dilarang selama operasi penghilangan karat.

Asam klorida dan asam sulfat encer dapat bereaksi dengan oksida besi, tetapi mana yang lebih baik untuk menghilangkan karat dalam industri?

Pertimbangan utamanya adalah efisiensi penghilangan karat, biaya produksi asam, transportasi dan penyimpanan asam, serta keamanan dan perlindungan lingkungan.

Manakah yang lebih efisien dalam menghilangkan karat, asam klorida atau asam sulfat? Dengan menempatkan paku berkarat dalam volume dan konsentrasi ion hidrogen yang sama dari asam klorida dan asam sulfat, kami menemukan bahwa asam klorida lebih efektif dalam menghilangkan karat. Eksperimen juga menunjukkan bahwa, jika semua hal lain dianggap sama, laju reaksi asam sulfat encer dengan oksida logam lebih lambat daripada asam klorida.

Jadi, dari segi produksi, transportasi, dan penggunaan yang aman, manakah yang lebih unggul, asam klorida atau asam sulfat? Pembuatan asam klorida secara industri melibatkan elektrolisis air garam jenuh untuk menghasilkan gas hidrogen dan klorin. Gas-gas tersebut bereaksi membentuk hidrogen klorida, yang diserap oleh air untuk membentuk asam klorida.

Hidrogen klorida tidak dapat larut dalam air tanpa batas waktu, sehingga asam klorida pekat memiliki fraksi massa terlarut paling banyak sekitar 37%. Di sisi lain, asam sulfat dibuat dengan memanggang pirit pada suhu tinggi untuk menghasilkan sulfur dioksida, yang bereaksi dengan oksigen membentuk sulfur trioksida. Trioksida diserap oleh asam sulfat pekat untuk membentuk oleum, yang kemudian diubah menjadi asam sulfat dengan menambahkan air.

Oleh karena itu, dalam hal bahan baku, proses persiapan, dan dampak lingkungan, asam klorida lebih unggul daripada asam sulfat. Asam klorida pekat harus disimpan dalam botol kaca tertutup atau tong plastik, dan diangkut dalam truk tangki baja yang dibuat khusus yang dilapisi karet.

Asam sulfat pekat dapat memiliki fraksi massa hingga 98%, dan penyimpanan serta pengangkutannya dapat difasilitasi dengan menggunakan wadah baja atau aluminium. Dalam hal ini, asam sulfat lebih kuat daripada asam klorida.

Asam klorida dengan fraksi massa zat terlarut yang lebih besar mudah menguap, dan gas hidrogen klorida yang menguap memiliki efek iritasi dan korosif yang kuat pada tubuh manusia, sedangkan asam klorida dengan fraksi massa zat terlarut yang lebih rendah relatif stabil.

Asam sulfat pekat perlu diencerkan sebelum digunakan. Pengenceran ini menghasilkan panas yang signifikan, yang dapat dengan mudah menyebabkan luka bakar. Selain itu, sifat korosif asam sulfat pekat jauh lebih kuat daripada asam klorida pekat. Dari sini, dapat disimpulkan bahwa penggunaan asam klorida lebih aman.

Berdasarkan informasi di atas, jelaslah bahwa asam klorida menawarkan efek penghilangan karat yang lebih baik, biaya yang lebih rendah, dan penggunaan yang lebih aman.

Selain itu, kita juga dapat membuat penghilang karat yang relatif ramah lingkungan di laboratorium kimia. Langkah pertama adalah memasukkan 18 g asam sitrat, 0,8 g dekstrin, 3 g natrium molibdat, 1,1 g asam fosfat, dan 60 g air ke dalam tangki pencampur dan aduk secara merata pada suhu kamar selama 30 menit.

Pada langkah kedua, 8g gliserin ditambahkan ke dalam larutan campuran dan diaduk secara merata pada suhu kamar selama 10 menit dengan kecepatan pengadukan 25r/menit. Pada langkah ketiga, 0,06 g natrium iodida ditambahkan ke dalam larutan campuran dan diaduk secara merata pada suhu kamar selama 30 menit dengan kecepatan pengadukan 25r/menit.

Mengganti asam klorida dan asam sulfat encer dengan asam sitrat dapat memecahkan masalah penghilang karat yang saat ini mencemari lingkungan. Gliserin dapat meningkatkan daya rekat penghilang karat pada permukaan logam. Selain itu, penghilang karat ini tidak hanya menghilangkan karat tetapi juga memiliki sifat anti karat.

Meskipun perkaratan baja menyebabkan hilangnya sumber daya logam, proses ini juga memiliki keuntungan. Misalnya, serbuk besi, bahan utama penyerap oksigen yang sering ditemukan dalam kemasan kue kering, memanfaatkan prinsip pengkaratan untuk mengonsumsi oksigen, sehingga mencegah pembusukan makanan.

Selain itu, besi yang berkarat merupakan reaksi eksotermis. Fenomena ini telah dimanfaatkan untuk menghasilkan "tambalan pemanas." Komponen utama dari tambalan pemanas termasuk bubuk besi, vermikulit, karbon aktif, garam anorganik (seperti garam dapur), dan air. Dalam kondisi alami, laju reaksi oksidasi pada besi berlangsung lambat.

Untuk mempercepat reaksi ini, bubuk besi halus dengan luas permukaan yang besar digunakan. Peran karbon aktif adalah membentuk sel primer untuk mendorong reaksi sementara kapasitas adsorpsinya yang kuat menyimpan air dalam strukturnya yang longgar. Garam anorganik bekerja dengan karbon aktif untuk membentuk sel primer dan mendorong reaksi. Vermikulit, mineral aluminosilikat besi-magnesium, berfungsi sebagai media penyimpanan termal.

Di laboratorium kimia, kita bisa membuat sendiri tambalan pemanas ini. Dengan mencampurkan serbuk besi, karbon aktif, garam dapur, dan vermikulit dengan perbandingan massa 5:2:2:2. Campuran ini (vermikulit opsional) dituangkan ke dalam gelas kimia, ditambahkan beberapa tetes air, dan diaduk rata dengan batang kaca.

Kemudian dikemas ke dalam kantong kain non-anyaman dan disegel dalam kantong yang bisa ditutup sendiri (atau menggunakan penyegel plastik). Apabila diperlukan, dapat dikeluarkan untuk digunakan. Perlu diperhatikan, bahwa semakin halus partikel serbuk besi dan karbon aktif (idealnya 100-mesh untuk serbuk besi dan 150-mesh untuk karbon aktif), semakin cepat reaksinya dan semakin kentara peningkatan suhunya.