Rdza na stali: Dlaczego występuje i skuteczne sposoby jej eliminacji

Stal jest integralną częścią naszego codziennego życia i produkcji, jednak ilość stali traconej każdego roku na całym świecie z powodu rdzy jest ogromna. Dlatego też ochrona stali przed korozją ma ogromne znaczenie.

Jaka jest zasada rdzewienia stali?

Możemy to zbadać za pomocą małego eksperymentu, jak pokazano na poniższym rysunku: Do pierwszej probówki dodajemy niewielką ilość chlorku wapnia (który pochłania parę wodną z powietrza, odgrywając rolę osuszacza) i wkładamy gwóźdź, szczelnie zamykając probówkę.

W drugiej probówce umieszczamy gwóźdź, zanurzamy go w wodzie destylowanej, która została zagotowana i szybko schłodzona, a następnie wlewamy olej roślinny, aby utworzyć warstwę oleju na powierzchni wody.

Do trzeciej probówki wkładamy gwóźdź i dodajemy niewielką ilość wody destylowanej, tak aby część gwoździa była zanurzona. Obserwujemy i rejestrujemy zjawiska w trzech probówkach regularnie przez tydzień.

Wyniki eksperymentu pokazują, że gwoździe w pierwszej i drugiej probówce nie zardzewiały, ale gwóźdź w trzeciej probówce zardzewiał, a na jego powierzchni pojawiła się czerwono-brązowa rdza. Pokazuje to, że rdzewienie żelaza wymaga udziału wody i tlenu.

Proces korozji produktów z żelaza i stali jest złożoną reakcją chemiczną. Rdza, zazwyczaj o czerwono-brązowym kolorze, przybiera różne formy w różnych warunkach. Składa się głównie z uwodnionego tlenku żelaza (III) (Fe2O3-nH2O) i wodorotlenku żelaza (III) [Fe(OH)3]. Luźna struktura rdzy na powierzchni stali nie zapobiega wystawieniu wewnętrznego żelaza na działanie tlenu i pary wodnej, co ostatecznie prowadzi do całkowitego zardzewienia żelaza.

Czy wiesz, jak usunąć rdzę z żelaznej powierzchni?

Typowe metody usuwania rdzy dzielą się na dwie kategorie: fizyczne i chemiczne. Metody fizyczne zazwyczaj obejmują techniki ścierne, wykorzystujące papier ścierny, tarcze szlifierskie, szczotki z drutu stalowego i wełnę stalową do usuwania rdzy. Metody chemiczne obejmują reakcję między kwasem a rdzą, służącą do usuwania rdzy.

W rzeczywistości utrzymywanie produktów stalowych w izolacji od wody i tlenu może zapobiec rdzewieniu. Dlatego najprostszą metodą uniknięcia rdzy jest utrzymywanie czystej i suchej powierzchni produktów stalowych. Zapobieganie rdzy można również osiągnąć poprzez utworzenie warstwy ochronnej na powierzchni za pomocą oleju, farby, emalii lub powłoki z tworzywa sztucznego.

W życiu codziennym środki takie jak malowanie są często stosowane na przedmiotach takich jak karoserie samochodowe i wiadra, podczas gdy maszyny wymagają powłoki oleju mineralnego.

Co więcej, metody takie jak galwanizacja lub powlekanie na gorąco mogą być stosowane do nakładania warstwy metalu odpornego na rdzę, takiego jak cynk, cyna, chrom lub nikiel, na powierzchnię stali. Te metale tworzą gęstą warstwę tlenku, zapobiegając rdzewieniu żelaza poprzez izolowanie go od wody i powietrza.

Dodatkowo, stal może być stopowana w celu zmiany jej wewnętrznej struktury, na przykład poprzez dodanie chromu lub niklu do zwykłej stali w celu uzyskania stali nierdzewnej, co skutecznie zwiększa odporność produktów stalowych na rdzę.

Powszechnie stosowane w codziennym życiu odrdzewiacze zawierają głównie kwas solny i rozcieńczony kwas siarkowy, które mogą reagować z tlenkiem żelaza. Równania reakcji są następujące:

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

Odrdzewiacze penetrują powierzchnię stali przez pęknięcia w warstwach rdzy i zanieczyszczeń, powodując rozpuszczanie i złuszczanie się tych warstw, usuwając w ten sposób rdzę, zanieczyszczenia i naskórek tlenkowy z powierzchni stali. Kwasy mają jednak właściwości żrące, dlatego podczas usuwania rdzy niezbędna jest odzież ochronna.

Co więcej, reakcja między kwasem a żelazem wytwarza wodór, który może eksplodować w kontakcie z otwartym ogniem, dlatego palenie jest surowo zabronione podczas operacji usuwania rdzy.

Kwas solny i rozcieńczony kwas siarkowy mogą reagować z tlenkiem żelaza, ale który z nich jest lepszy do przemysłowego usuwania rdzy?

Podstawowe kwestie to skuteczność usuwania rdzy, koszt produkcji kwasu, transport i przechowywanie kwasu oraz bezpieczeństwo i ochrona środowiska.

Który kwas jest skuteczniejszy w usuwaniu rdzy, kwas solny czy kwas siarkowy? Umieszczając zardzewiałe gwoździe w równych objętościach i stężeniach jonów wodorowych kwasu solnego i siarkowego, odkryliśmy, że kwas solny jest bardziej skuteczny w usuwaniu rdzy. Eksperymenty pokazują również, że przy założeniu, że wszystkie inne czynniki są takie same, szybkość reakcji rozcieńczonego kwasu siarkowego z tlenkami metali jest wolniejsza niż w przypadku kwasu solnego.

A zatem, jeśli chodzi o produkcję, transport i bezpieczne użytkowanie, co jest korzystniejsze - kwas solny czy kwas siarkowy? Przemysłowe przygotowanie kwasu solnego polega na elektrolizie nasyconej solanki w celu wytworzenia wodoru i chloru. Gazy reagują, tworząc chlorowodór, który jest absorbowany przez wodę, tworząc kwas solny.

Chlorowodór nie może rozpuszczać się w wodzie w nieskończoność, więc stężony kwas solny ma ułamek masowy substancji rozpuszczonej wynoszący maksymalnie około 37%. Z drugiej strony kwas siarkowy jest wytwarzany przez prażenie pirytu w wysokich temperaturach w celu wytworzenia dwutlenku siarki, który reaguje z tlenem, tworząc trójtlenek siarki. Trójtlenek jest absorbowany przez stężony kwas siarkowy, tworząc oleum, które jest następnie przekształcane w kwas siarkowy poprzez dodanie wody.

Dlatego pod względem surowców, procesu przygotowania i wpływu na środowisko kwas solny jest lepszy od kwasu siarkowego. Stężony kwas solny musi być przechowywany w szczelnych szklanych butelkach lub plastikowych beczkach i transportowany w specjalnie wykonanych stalowych cysternach wyłożonych gumą.

Stężony kwas siarkowy może mieć ułamek masowy do 98%, a jego przechowywanie i transport można ułatwić za pomocą stalowych lub aluminiowych pojemników. Pod tym względem kwas siarkowy jest silniejszy niż kwas solny.

Kwas solny o większym udziale masowym substancji rozpuszczonej jest lotny, a odparowany gazowy chlorowodór ma silne działanie drażniące i żrące na organizm ludzki, podczas gdy kwas solny o niższym udziale masowym substancji rozpuszczonej jest stosunkowo stabilny.

Stężony kwas siarkowy musi zostać rozcieńczony przed użyciem. Rozcieńczenie to wytwarza znaczną ilość ciepła, które może łatwo spowodować oparzenia. Co więcej, korozyjność stężonego kwasu siarkowego jest znacznie silniejsza niż stężonego kwasu solnego. Na tej podstawie można wywnioskować, że stosowanie kwasu solnego jest bezpieczniejsze.

Na podstawie powyższych informacji widać, że kwas solny zapewnia lepsze efekty usuwania rdzy, niższe koszty i bezpieczniejsze użytkowanie.

Dodatkowo, możemy również stworzyć stosunkowo przyjazny dla środowiska odrdzewiacz w laboratorium chemicznym. Pierwszym krokiem jest umieszczenie 18 g kwasu cytrynowego, 0,8 g dekstryny, 3 g molibdenianu sodu, 1,1 g kwasu fosforowego i 60 g wody w zbiorniku mieszającym i równomierne mieszanie w temperaturze pokojowej przez 30 minut.

W drugim etapie do zmieszanego roztworu dodaje się 8 g gliceryny i miesza równomiernie w temperaturze pokojowej przez 10 minut z prędkością mieszania 25 obr/min. W trzecim etapie do zmieszanego roztworu dodaje się 0,06 g jodku sodu i miesza równomiernie w temperaturze pokojowej przez 30 minut z prędkością mieszania 25 obr/min.

Zastąpienie kwasu solnego i rozcieńczonego kwasu siarkowego kwasem cytrynowym może rozwiązać obecny problem odrdzewiacza zanieczyszczającego środowisko. Gliceryna może zwiększyć przyczepność odrdzewiacza do powierzchni metalu. Co więcej, ten odrdzewiacz nie tylko usuwa rdzę, ale także ma właściwości antykorozyjne.

Podczas gdy rdzewienie stali prowadzi do utraty zasobów metalicznych, proces ten ma również swoje zalety. Na przykład proszek żelaza, kluczowy składnik pochłaniaczy tlenu często spotykanych w opakowaniach ciast, wykorzystuje zasadę rdzewienia do pochłaniania tlenu, zapobiegając w ten sposób psuciu się żywności.

Co więcej, rdzewienie żelaza jest reakcją egzotermiczną. Zjawisko to zostało wykorzystane do produkcji "plastrów grzewczych". Podstawowe składniki plastrów grzewczych obejmują proszek żelaza, wermikulit, węgiel aktywny, sole nieorganiczne (takie jak sól kuchenna) i wodę. W warunkach naturalnych szybkość reakcji utleniania żelaza jest niska.

Aby przyspieszyć tę reakcję, stosuje się drobny proszek żelaza o dużej powierzchni. Rolą węgla aktywnego jest utworzenie pierwotnej komórki w celu promowania reakcji, podczas gdy jego silna zdolność adsorpcji przechowuje wodę w swojej luźnej strukturze. Sole nieorganiczne współpracują z węglem aktywnym, tworząc pierwotną komórkę i wspomagając reakcję. Wermikulit, minerał glinokrzemianowo-żelazowo-magnezowy, służy jako medium magazynujące ciepło.

W laboratorium chemicznym możemy samodzielnie wykonać takie plastry grzewcze. Mieszając proszek żelaza, węgiel aktywny, sól kuchenną i wermikulit w stosunku masowym 5:2:2:2. Taką mieszaninę (wermikulit jest opcjonalny) wlewamy do zlewki, dodajemy kilka kropel wody i dokładnie mieszamy szklanym prętem.

Następnie jest on pakowany do torby z włókniny i zamykany w samouszczelniającej się torbie (lub za pomocą plastikowej zgrzewarki). W razie potrzeby można go wyjąć do użycia. Należy zauważyć, że im drobniejsze cząstki proszku żelaza i węgla aktywnego (najlepiej 100 oczek dla proszku żelaza i 150 oczek dla węgla aktywnego), tym szybsza reakcja i bardziej zauważalny wzrost temperatury.