Ruggine sull'acciaio: Perché si forma e modi efficaci per eliminarla

L'acciaio è parte integrante della nostra vita quotidiana e della produzione, eppure la quantità di acciaio persa ogni anno nel mondo a causa della ruggine è immensa. Di conseguenza, la protezione dell'acciaio dalla corrosione riveste una notevole importanza.

Qual è il principio dell'arrugginimento dell'acciaio?

Possiamo esplorare questo aspetto con un piccolo esperimento, come mostrato nella figura seguente: Nella prima provetta aggiungiamo una piccola quantità di cloruro di calcio (che assorbe il vapore acqueo presente nell'aria, svolgendo un ruolo di essiccazione) e inseriamo un chiodo, chiudendo ermeticamente la provetta.

Nella seconda provetta inseriamo un chiodo, lo immergiamo in acqua distillata bollita e raffreddata rapidamente, quindi versiamo olio vegetale per formare uno strato di olio sulla superficie dell'acqua.

Nella terza provetta inseriamo un chiodo e aggiungiamo una piccola quantità di acqua distillata in modo che parte del chiodo sia sommersa. Osserviamo e registriamo regolarmente i fenomeni nelle tre provette per una settimana.

Dai risultati dell'esperimento, possiamo vedere che i chiodi nella prima e nella seconda provetta non si sono arrugginiti, ma il chiodo nella terza provetta si è arrugginito e sulla superficie del chiodo è comparsa una ruggine marrone-rossastra. Questo dimostra che per arrugginire il ferro è necessario il coinvolgimento di acqua e ossigeno.

Il processo di corrosione dei prodotti in ferro e acciaio è una reazione chimica complessa. La ruggine, tipicamente di colore bruno-rossastro, assume forme diverse in varie condizioni. È costituita principalmente da ossido di ferro (III) idrato (Fe2O3-nH2O) e idrossido di ferro (III) [Fe(OH)3]. La struttura sciolta della ruggine sulla superficie dell'acciaio non riesce a impedire l'esposizione del ferro interno all'ossigeno e al vapore acqueo, portando alla completa arrugginimento del ferro.

Sapete come rimuovere la ruggine da una superficie di ferro?

I metodi di rimozione della ruggine più comuni si dividono in due categorie: fisici e chimici. I metodi fisici prevedono generalmente tecniche abrasive, con l'uso di carta vetrata, mole, spazzole d'acciaio e lana d'acciaio per rimuovere la ruggine. I metodi chimici prevedono una reazione tra un acido e la ruggine, con lo scopo di rimuoverla.

Infatti, mantenere i prodotti in acciaio isolati dall'acqua e dall'ossigeno può prevenire la formazione di ruggine. Pertanto, il metodo più semplice per evitare la ruggine è mantenere una superficie pulita e asciutta sui prodotti in acciaio. La prevenzione della ruggine può essere ottenuta anche formando uno strato protettivo sulla superficie, utilizzando olio, vernice, smalto o rivestimento plastico.

Nella vita quotidiana, misure come la verniciatura sono spesso applicate su oggetti come carrozzerie e secchi, mentre le macchine richiedono un rivestimento di olio minerale.

Inoltre, metodi come la galvanoplastica o il rivestimento a caldo possono essere utilizzati per applicare uno strato di metallo resistente alla ruggine, come zinco, stagno, cromo o nichel, sulla superficie dell'acciaio. Questi metalli creano un denso strato di ossido che impedisce al ferro di arrugginire isolandolo dall'acqua e dall'aria.

Inoltre, l'acciaio può essere legato per modificarne la struttura interna, ad esempio aggiungendo cromo o nichel all'acciaio ordinario per ottenere l'acciaio inossidabile, migliorando così la resistenza alla ruggine dei prodotti in acciaio.

I comuni rimuovi-ruggine della vita quotidiana contengono principalmente acido cloridrico e acido solforico diluito, che possono reagire con l'ossido di ferro. Le equazioni di reazione sono:

Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

Gli antiruggine penetrano nella superficie dell'acciaio attraverso le fessure degli strati di ruggine e impurità, provocando la dissoluzione e il distacco di questi strati e rimuovendo così la ruggine, le impurità e l'ossido dalla superficie dell'acciaio. Tuttavia, gli acidi hanno proprietà corrosive, quindi è necessario indossare indumenti protettivi durante la rimozione della ruggine.

Inoltre, la reazione tra l'acido e il ferro produce idrogeno, che può esplodere se esposto a fiamme libere, per cui è severamente vietato fumare durante le operazioni di rimozione della ruggine.

L'acido cloridrico e l'acido solforico diluito possono entrambi reagire con l'ossido di ferro, ma qual è il migliore per la rimozione della ruggine a livello industriale?

Le considerazioni principali riguardano l'efficienza di rimozione della ruggine, il costo di produzione dell'acido, il trasporto e lo stoccaggio dell'acido, la sicurezza e la protezione dell'ambiente.

Qual è l'acido più efficace nella rimozione della ruggine, l'acido cloridrico o l'acido solforico? Ponendo chiodi arrugginiti in volumi e concentrazioni uguali di ioni idrogeno di acido cloridrico e solforico, abbiamo scoperto che l'acido cloridrico è più efficace nella rimozione della ruggine. Gli esperimenti mostrano anche che, a parità di condizioni, la velocità di reazione dell'acido solforico diluito con gli ossidi metallici è più lenta di quella dell'acido cloridrico.

Quindi, in termini di produzione, trasporto e uso sicuro, qual è il vantaggio dell'acido cloridrico o dell'acido solforico? La preparazione industriale dell'acido cloridrico prevede l'elettrolizzazione di salamoia satura per produrre idrogeno e cloro gassosi. I gas reagiscono per formare cloruro di idrogeno, che viene assorbito dall'acqua per formare acido cloridrico.

Il cloruro di idrogeno non può dissolversi in acqua all'infinito, quindi l'acido cloridrico concentrato ha una frazione di massa di soluto di circa 37% al massimo. L'acido solforico, invece, si ottiene arrostendo la pirite ad alte temperature per produrre anidride solforosa, che reagisce con l'ossigeno per formare triossido di zolfo. Il triossido viene assorbito da acido solforico concentrato per formare oleum, che viene poi convertito in acido solforico con l'aggiunta di acqua.

Pertanto, in termini di materie prime, processo di preparazione e impatto ambientale, l'acido cloridrico è superiore all'acido solforico. L'acido cloridrico concentrato deve essere conservato in bottiglie di vetro o barili di plastica sigillati e trasportato in autocisterne di acciaio appositamente costruite e rivestite di gomma.

L'acido solforico concentrato può avere una frazione di massa fino a 98% e il suo stoccaggio e trasporto possono essere facilitati utilizzando contenitori in acciaio o alluminio. Da questo punto di vista, l'acido solforico è più forte dell'acido cloridrico.

L'acido cloridrico con una frazione di massa soluta maggiore è volatile e l'idrogeno cloruro gassoso evaporato ha un forte effetto irritante e corrosivo sul corpo umano, mentre l'acido cloridrico con una frazione di massa soluta inferiore è relativamente stabile.

L'acido solforico concentrato deve essere diluito prima dell'uso. Questa diluizione produce una notevole quantità di calore, che può facilmente causare ustioni. Inoltre, la corrosività dell'acido solforico concentrato è molto più forte di quella dell'acido cloridrico concentrato. Da ciò si deduce che l'uso dell'acido cloridrico è più sicuro.

Sulla base di queste informazioni, è evidente che l'acido cloridrico offre migliori effetti di rimozione della ruggine, costi inferiori e un utilizzo più sicuro.

Inoltre, è possibile realizzare un antiruggine relativamente ecologico in un laboratorio di chimica. Il primo passo consiste nel mettere 18 g di acido citrico, 0,8 g di destrina, 3 g di molibdato di sodio, 1,1 g di acido fosforico e 60 g di acqua in una vasca di miscelazione e mescolare uniformemente a temperatura ambiente per 30 minuti.

Nella seconda fase, 8 g di glicerina vengono aggiunti alla soluzione miscelata e mescolati uniformemente a temperatura ambiente per 10 minuti a una velocità di agitazione di 25 g/min. Nella terza fase, si aggiungono 0,06 g di ioduro di sodio alla soluzione miscelata e si agita uniformemente a temperatura ambiente per 30 minuti a una velocità di agitazione di 25 g/min.

La sostituzione dell'acido cloridrico e dell'acido solforico diluito con l'acido citrico può risolvere l'attuale problema dell'inquinamento ambientale causato dagli antiruggine. La glicerina può migliorare l'adesione dell'antiruggine alla superficie metallica. Inoltre, questo antiruggine non solo rimuove la ruggine ma ha anche proprietà antiruggine.

Sebbene l'arrugginimento dell'acciaio comporti una perdita di risorse metalliche, questo processo presenta anche dei vantaggi. Per esempio, la polvere di ferro, un ingrediente chiave degli assorbitori di ossigeno che si trovano spesso nelle confezioni di pasticceria, sfrutta il principio della ruggine per consumare l'ossigeno, evitando così il deterioramento degli alimenti.

Inoltre, la ruggine del ferro è una reazione esotermica. Questo fenomeno è stato sfruttato per produrre "cerotti riscaldanti". I componenti principali di una pezza riscaldante sono polvere di ferro, vermiculite, carbone attivo, sali inorganici (come il sale da cucina) e acqua. In condizioni naturali, la velocità della reazione di ossidazione del ferro è lenta.

Per accelerare questa reazione, si utilizza una polvere di ferro fine con un'ampia superficie. Il ruolo del carbone attivo è quello di formare una cella primaria per promuovere la reazione, mentre la sua forte capacità di adsorbimento immagazzina l'acqua nella sua struttura sciolta. I sali inorganici lavorano con il carbone attivo per formare una cella primaria e promuovere la reazione. La vermiculite, un minerale alluminosilicato di ferro e magnesio, funge da mezzo di accumulo termico.

In un laboratorio di chimica, possiamo realizzare noi stessi questi cerotti riscaldanti. Mescolando polvere di ferro, carbone attivo, sale da cucina e vermiculite in un rapporto di massa pari a 5:2:2:2. Questa miscela (la vermiculite è facoltativa) viene versata in un becher, si aggiungono alcune gocce d'acqua e si mescola accuratamente con una bacchetta di vetro.

Viene quindi confezionato in un sacchetto di tessuto non tessuto e sigillato all'interno di un sacchetto autosigillante (o utilizzando una sigillatrice di plastica). Quando è necessario, può essere estratto per l'uso. Va notato che quanto più fini sono le particelle di polvere di ferro e di carbone attivo (idealmente 100 maglie per la polvere di ferro e 150 maglie per il carbone attivo), tanto più veloce sarà la reazione e più evidente l'aumento della temperatura.