Cosa fa arrugginire un chiodo?

La lucentezza argentea di una nuova unghia può iniziare a mostrare macchie bruno-rossastre alla fine, specialmente se esposta agli elementi per un lungo periodo di tempo. Questo è l'inizio familiare della ruggine. Le cause della ruggine sono chimiche e comportano reazioni con acqua e ossigeno.

Le cause della corrosione richiedono la presenza di acqua e ossigeno. L'acqua può combinarsi con l'anidride carbonica nell'aria per formare acido carbonico, un acido debole.

Quando questa soluzione acida raggiunge il ferro, si verificano due reazioni. Innanzitutto, l'acqua acidificata (un buon elettrolita - ne parleremo più avanti) dissolverà parte del ferro rimuovendo gli elettroni. Quindi, l'acqua inizierà a scomporre in idrogeno e ossigeno. L'ossigeno libero reagisce con il ferro disciolto per formare ossido di ferro e l'ossido di ferro è ruggine.

Da questa spiegazione, è possibile creare un'equazione di parole per la ruggine:

Ferro + acqua + ossigeno → ossido di ferro (ruggine)

La reazione chimica risultante dalla ruggine è:

4Fe(s) + 3O₂(g) + 6H₂O(l)→ 4Fe (OH)₃(S)

Questa ruggine porosa, Fe (OH)₃(s) reagisce con ossigeno aggiuntivo per produrre una ruggine più cristallizzata con una formula di Fe₂oh₃. xH₂0. L'ossido di ferro (III) idrato (Fe₂oh₃) ha acqua attaccata con circa 3/2 H₂O; la quantità di acqua non è fissa quindi la x davanti a H₂0.

Questa reazione, tuttavia, avviene per gradi.

I metalli come il ferro si dissolvono in un processo elettrochimico. Ciò significa che il processo agisce come una cella elettrochimica (comunemente pensata come una batteria).

Il anodo sarà un luogo in cui il metallo è stressato o danneggiato. Il catodo è un'altra parte del metallo che non subisce corrosione. L'acqua funge da elettrolita – il ponte – e trasporta ioni per mantenere in movimento il flusso di elettroni, o, in questo caso, il flusso di elettroni che corroderà l'area anodica del ferro.

Tutti i processi elettrochimici comportano un tipo di reazione chimica chiamata riduzione dell'ossidazione o reazioni redox. In una reazione redox, c'è un trasferimento di elettroni. I trasferimenti di elettroni in corrosione vengono prelevati dalla superficie del metallo e trasferiti ad opportuni accettori di elettroni, come ossigeno e idrogeno.

Reazioni redox spesso possono essere posizionati come semireazioni per vedere come si muovono gli elettroni nella reazione. La semireazione di ossidazione perde elettroni e la semireazione di riduzione ne guadagna.

Quando l'acqua entra in contatto con il ferro, Fe, il ferro perde elettroni in un processo di ossidazione:

• All'anodo, semireazione di ossidazione: Fe (s) → Fe²⁺(aq) + 2_e_^-

Contemporaneamente, al catodo, una semireazione di riduzione può essere:

• Riduzione del gas ossigeno: O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e^- → 4OH^- (ac) 
• Oppure la riduzione dell'idrogeno: 2H⁺(aq) + 2e- → H₂(g)
• O la combinazione di entrambi: O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4_e_^- → 2H₂O(l)

Man mano che gli ioni idrogeno vengono consumati, il pH aumenta e diventa meno acido e OH^- gli ioni appaiono nell'acqua. Questi reagiscono per produrre idrossidi di ferro (II) che inizieranno a precipitare dalla soluzione:

2Fe²⁺(aq) + 4OH^- (aq) → 2Fe (OH)₂(S)

Poiché sia ​​l'acqua che l'ossigeno sono facilmente disponibili, alla fine si forma la ruggine, anche nell'acciaio, una lega composta principalmente da ferro. Se lasciata ininterrotta, la ruggine continuerà oltre i piccoli punti e coprirà l'intera superficie.

Le linee pulite della forma originale dell'unghia lasceranno il posto a una caratteristica squamosa e quindi a piccole fosse. Poiché l'ossido di ferro è una molecola più voluminosa del ferro originale, occupa più spazio e questo distorce la forma dell'unghia mentre si arrugginisce. Questa forma distorta fa sì che anche i cardini arrugginiti si attacchino e scricchiolino.

Nel tempo, la ruggine raggiungerà il nucleo e il pezzo di metallo può essere rotto facilmente nelle proprie mani. Il sale sciolto in acqua non è una delle cause della ruggine, ma accelera il processo.