Sølvglansen til en ny negl kan begynne å vise rødbrune flekker etter hvert, spesielt når de blir utsatt for elementene over lengre tid. Dette er den kjente begynnelsen på rusting. Årsakene til rusting er kjemiske og involverer reaksjoner med vann og oksygen.
Kjemiske årsaker til rusting
Årsakene til korrosjon krever tilstedeværelse av vann og oksygen. Vann kan kombineres med karbondioksid i luften for å danne karbonsyre, en svak syre.
Når denne sure løsningen når jern, oppstår to reaksjoner. Først vil det forsurede vannet (en god elektrolytt - mer om dette senere) oppløse noe av jernet ved å fjerne elektroner. Deretter vil vannet begynne å brytes ned til hydrogen og oksygen. Fritt oksygen reagerer med oppløst jern for å danne jernoksid, og jernoksid er rust.
Fra denne forklaringen kan en ordligning for rust opprettes:
Jern + vann + oksygen → jernoksid (rust)
Resulterende kjemisk reaksjon av rust
Den resulterende kjemiske reaksjonen av rusting er:
4Fe (s) + 3O2(g) + 6H2O (l) → 4Fe (OH)3(s)
Denne porøse rusten, Fe (OH)
3(s) reagerer med ekstra oksygen for å gi en mer krystallisert rust med en formel av Fe2O3. xH20. Det hydratiserte jern (III) oksydet (Fe2O3) har vann festet med ca. 3/2 H2O; vannmengden er ikke fast, dermed x foran H20.Denne reaksjonen skjer imidlertid trinnvis.
Elektrokjemisk prosess med rust
Metaller som jern oppløses i en elektrokjemisk prosess. Dette betyr at prosessen fungerer som en elektrokjemisk celle (ofte betraktet som et batteri).
De anode vil være et sted der metallet er stresset eller skadet. De katode er en annen del av metallet som ikke gjennomgår korrosjon. Vann fungerer som elektrolytten - broen - og transporterer ioner for å holde strømmen av elektroner i bevegelse, eller i dette tilfellet strømmen av elektroner som vil korrodere jernets anodeområde.
Alle elektrokjemiske prosesser involverer en type kjemisk reaksjon som kalles oksidasjonsreduksjon eller redoksreaksjoner. I en redoksreaksjon skjer det en overføring av elektroner. Overføring av elektroner i korrosjon blir tatt fra overflaten av metallet og overført til passende elektronakseptorer, som oksygen og hydrogen.
De to-trinns kjemiske reaksjonene av rust
Redoksreaksjoner kan ofte plasseres som halvreaksjoner for å se hvordan elektronene beveger seg i reaksjonen. Oksidasjonshalvreaksjonen mister elektroner, og reduksjonshalvreaksjonen får elektroner.
Når vann kommer i kontakt med jern, Fe, mister jernet elektroner i en oksidasjonsprosess:
- Ved anoden, oksidasjonshalvreaksjon: Fe (s) → Fe2+(aq) + 2_e_-
Samtidig ved katoden kan en reduksjonshalvreaksjon være:
- Reduksjon av oksygengass: O2(g) + 2H2O (l) + 4e- → 4OH- (En q)
- Eller reduksjon av hydrogen: 2H+(aq) + 2e- → H2(g)
- Eller kombinasjonen av begge: O2(g) + 4H+(aq) + 4_e_- → 2H2O (l)
Når hydrogenioner forbrukes, stiger pH og blir mindre sur og OH- ioner dukker opp i vannet. Disse reagerer for å produsere jern (II) hydroksider som begynner å bunnfalles ut av løsningen:
2Fe2+(aq) + 4OH- (aq) → 2Fe (OH)2(s)
Forekomst av rusting
Siden både vann og oksygen er lett tilgjengelig, vil rust til slutt skje, selv i stål, en legering som hovedsakelig består av jern. Hvis den ikke stoppes, fortsetter rustingen forbi små flekker og dekker hele overflaten.
De rene linjene i neglens opprinnelige form vil gi vei til en skjellende funksjon og deretter til små groper. Siden jernoksidet er et større molekyl enn det opprinnelige jernet, tar det mer plass, og dette forvrenger formen på neglen når den ruster. Denne forvrengte formen får også rustne hengsler til å klebe seg og knirke.
Over tid vil rust nå kjernen, og metallstykket kan lett brytes i hendene. Salt som er oppløst i vann er ikke en av årsakene til rusting, men det fremskynder prosessen.