De zilverglans van een nieuwe nagel kan op den duur roodbruine vlekken gaan vertonen, vooral bij langdurige blootstelling aan de elementen. Dit is het bekende begin van roesten. De oorzaken van roest zijn chemisch en betreffen reacties met water en zuurstof.
Chemische oorzaken van roesten
De oorzaken van corrosie vereisen de aanwezigheid van: water en zuurstof. Water kan zich combineren met koolstofdioxide in de lucht om koolzuur te vormen, een zwak zuur.
Wanneer deze zure oplossing ijzer bereikt, vinden er twee reacties plaats. Ten eerste zal het aangezuurde water (een goede elektrolyt - hierover later meer) een deel van het ijzer oplossen door elektronen te verwijderen. Dan begint het water af te breken in waterstof en zuurstof. Vrije zuurstof reageert met opgelost ijzer om ijzeroxide te vormen, en ijzeroxide is roest.
Uit deze uitleg kan een woordvergelijking voor roest worden gemaakt:
IJzer + water + zuurstof → ijzeroxide (roest)
Resulterende chemische reactie van roest
De resulterende chemische reactie van roesten is:
4Fe (s) + 3O2(g) + 6H2O(l)→ 4Fe (OH)3(en)
Deze poreuze roest, Fe (OH)3(s) reageert met extra zuurstof om een meer gekristalliseerde roest op te leveren met een formule van Fe2O3. xH20. Het gehydrateerde ijzer (III) oxide (Fe2O3) heeft water met ongeveer 3/2 H2O; de hoeveelheid water staat niet vast dus de x voor de H20.
Deze reactie verloopt echter in stappen.
Elektrochemisch proces van roest
Metalen zoals ijzer lossen op in een elektrochemisch proces. Dit betekent dat het proces werkt als een elektrochemische cel (vaak gezien als een batterij).
De anode zal een locatie zijn waar het metaal wordt gestrest of beschadigd. De kathode is een ander deel van het metaal dat geen corrosie ondergaat. Water fungeert als de elektrolyt - de brug - en transporteert ionen om de elektronenstroom in beweging te houden, of, in dit geval, de elektronenstroom die het anodegebied van het ijzer zal aantasten.
Alle elektrochemische processen omvatten een soort chemische reactie genaamd oxidatie-reductie of redoxreacties. Bij een redoxreactie is er een overdracht van elektronen. De overdracht van elektronen bij corrosie wordt van het oppervlak van het metaal gehaald en overgebracht naar geschikte elektronenacceptoren, zoals zuurstof en waterstof.
De chemische reacties in twee stappen van roest
Redoxreacties kunnen vaak als halfreacties worden geplaatst om te zien hoe de elektronen in de reactie bewegen. De oxidatie-halfreactie verliest elektronen, en de reductie-halfreactie krijgt elektronen.
Wanneer water in contact komt met ijzer, Fe, verliest het ijzer elektronen in een oxidatieproces:
- Aan de anode, oxidatie halfreactie: Fe (s) → Fe2+(aq) + 2_e_-
Tegelijkertijd kan aan de kathode een reductiehalfreactie zijn:
- Vermindering van zuurstofgas: O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH- (aq)
- Of de reductie van waterstof: 2H+(aq) + 2e- → H2(g)
- Of de combinatie van beide: O2(g) + 4H+(aq) + 4_e_- → 2H2O(l)
Naarmate waterstofionen worden verbruikt, stijgt de pH en wordt minder zuur, en OH- ionen verschijnen in het water. Deze reageren om ijzer (II) hydroxiden te produceren die uit de oplossing zullen neerslaan:
2Fe2+(aq) + 4OH- (aq) → 2Fe (OH)2(en)
Voorkomen van roesten
Omdat zowel water als zuurstof gemakkelijk beschikbaar zijn, zal uiteindelijk roest optreden, zelfs in staal, een legering die voornamelijk uit ijzer bestaat. Als het niet wordt gestopt, zal het roesten voorbij kleine plekjes doorgaan en het hele oppervlak bedekken.
De strakke lijnen van de oorspronkelijke vorm van de nagel zullen plaats maken voor een schilferige functie en vervolgens voor kleine putjes. Omdat het ijzeroxide een omvangrijker molecuul is dan het originele ijzer, neemt het meer ruimte in beslag en dit vervormt de vorm van de nagel als deze roest. Deze vervormde vorm zorgt er ook voor dat roestige scharnieren blijven plakken en piepen.
Na verloop van tijd zal roest de kern bereiken en kan het stuk metaal gemakkelijk in de handen worden gebroken. Zout dat is opgelost in water is niet een van de oorzaken van roesten, maar versnelt het proces wel.