Sølvglansen fra et nyt negl kan begynde at vise rødbrune pletter i sidste ende, især når de udsættes for elementerne i længere tid. Dette er den velkendte begyndelse på rustning. Årsagerne til rustning er kemiske og involverer reaktioner med vand og ilt.
Kemiske årsager til rust
Årsagerne til korrosion kræver tilstedeværelse af vand og ilt. Vand kan kombineres med kuldioxid i luften for at danne kulsyre, en svag syre.
Når denne sure opløsning når jern, opstår der to reaktioner. For det første vil det forsurede vand (en god elektrolyt - mere om dette senere) opløse noget af jernet ved at fjerne elektroner. Derefter begynder vandet at bryde ned i brint og ilt. Frit ilt reagerer med opløst jern for at danne jernoxid, og jernoxid er rust.
Fra denne forklaring kan der oprettes en ordligning for rust:
Jern + vand + ilt → jernoxid (rust)
Resulterende kemisk reaktion af rust
Den resulterende kemiske reaktion ved rustning er:
4Fe (s) + 3O2(g) + 6H2O (l) → 4Fe (OH)3(s)
Denne porøse rust, Fe (OH)3(s) reagerer med yderligere ilt for at give en mere krystalliseret rust med en formel af Fe
2O3. xH20. Det hydratiserede jern (III) oxid (Fe2O3) har vand fastgjort med ca. 3/2 H2O; vandmængden er ikke fast, således x foran H20.Denne reaktion sker dog i trin.
Elektrokemisk proces af rust
Metaller som jern opløses i en elektrokemisk proces. Dette betyder, at processen fungerer som en elektrokemisk celle (almindeligvis betragtet som et batteri).
Det anode vil være et sted, hvor metallet er stresset eller beskadiget. Det katode er en anden del af metallet, der ikke undergår korrosion. Vand fungerer som elektrolytten - broen - og transporterer ioner for at holde strømmen af elektroner i bevægelse, eller i dette tilfælde strømmen af elektroner, der korroderer jernets anodeområde.
Alle elektrokemiske processer involverer en type kemisk reaktion kaldet oxidationsreduktion eller redoxreaktioner. I en redox-reaktion er der en overførsel af elektroner. Overførslen af elektroner i korrosion tages fra metaloverfladen og overføres til passende elektronacceptorer, som ilt og brint.
De to-trins kemiske reaktioner af rust
Redox reaktioner kan ofte placeres som halvreaktioner for at se, hvordan elektronerne bevæger sig i reaktionen. Oxidationshalvreaktionen mister elektroner, og reduktionshalvreaktionen vinder elektroner.
Når vand kommer i kontakt med jern, Fe, mister jernet elektroner i en oxidationsproces:
- Ved anoden, oxidationshalvreaktion: Fe (s) → Fe2+(aq) + 2_e_-
Samtidig ved katoden kan en reduktionshalvreaktion være:
- Reduktion af iltgas: O2(g) + 2H2O (l) + 4e- → 4OH- (aq)
- Eller reduktion af brint: 2H+(aq) + 2e- → H2(g)
- Eller kombinationen af begge: O2(g) + 4H+(aq) + 4_e_- → 2H2O (l)
Når hydrogenioner forbruges, stiger pH og bliver mindre sur og OH- ioner vises i vandet. Disse reagerer for at producere jern (II) hydroxider, der begynder at udfældes ud af opløsningen:
2Fe2+(aq) + 4OH- (aq) → 2Fe (OH)2(s)
Forekomst af rustning
Da både vand og ilt er let tilgængelige, vil rust i sidste ende ske, selv i stål, en legering, der hovedsagelig består af jern. Hvis den ikke stoppes, fortsætter rustningen forbi små pletter og dækker hele overfladen.
De rene linjer i neglens oprindelige form giver plads til en skællende funktion og derefter til små gruber. Da jernoxidet er et større molekyle end det oprindelige jern, tager det mere plads, og dette fordrejer neglens form, når det ruster. Denne forvrængede form får også rustne hængsler til at sætte sig fast og knirke.
Over tid når rust til kernen, og metalstykket kan let brydes i ens hænder. Salt, der er blevet opløst i vand, er ikke en af årsagerne til rust, men det fremskynder processen.