На серебряном блеске нового ногтя со временем могут появиться красновато-коричневые пятна, особенно при длительном воздействии элементов. Это знакомое начало ржавчины. Причины ржавления являются химическими и связаны с реакциями с водой и кислородом.
Химические причины ржавчины
Причины коррозии требуют наличия вода и кислород. Вода может соединяться с углекислым газом в воздухе с образованием углекислоты, слабой кислоты.
Когда этот кислый раствор достигает железа, происходят две реакции. Во-первых, подкисленная вода (хороший электролит - подробнее об этом позже) растворяет часть железа, удаляя электроны. Затем вода начнет распадаться на водород и кислород. Свободный кислород реагирует с растворенным железом с образованием оксида железа, а оксид железа представляет собой ржавчину.
Из этого объяснения можно составить словесное уравнение для ржавчины:
Железо + вода + кислород → оксид железа (ржавчина)
Результирующая химическая реакция ржавчины
Результирующая химическая реакция ржавления:
4Fe (ов) + 3O2(г) + 6Н2О (л) → 4Fe (ОН)3(s)
Эта пористая ржавчина, Fe (OH)3(s) реагирует с дополнительным кислородом, давая более кристаллизованную ржавчину с формулой Fe2O3. xH20. Гидратированный оксид железа (III) (Fe2O3) содержит воду с примерно 3/2 H2О; количество воды не фиксировано, поэтому x перед H20.
Однако эта реакция происходит поэтапно.
Электрохимический процесс образования ржавчины
Металлы, такие как железо, растворяются в электрохимическом процессе. Это означает, что процесс действует как электрохимический элемент (обычно его называют батареей).
В анод будет местом, где металл подвергается нагрузке или поврежден. В катод это другая часть металла, не подверженная коррозии. Вода действует как электролит - мостик - и переносит ионы, чтобы поддерживать движение потока электронов или, в данном случае, потока электронов, которые разъедают анодную область железа.
Все электрохимические процессы включают тип химической реакции, называемой Снижение окисления или окислительно-восстановительные реакции. В окислительно-восстановительной реакции происходит перенос электронов. При коррозии электроны переносятся с поверхности металла на подходящие акцепторы электронов, такие как кислород и водород.
Двухступенчатые химические реакции ржавчины
Окислительно-восстановительные реакции часто можно рассматривать как полуреакции, чтобы увидеть, как движутся электроны в реакции. Полуреакция окисления теряет электроны, а полуреакция восстановления приобретает электроны.
Когда вода вступает в контакт с железом, Fe, железо теряет электроны в процессе окисления:
- На аноде полуреакция окисления: Fe (s) → Fe2+(водн.) + 2_e_-
Одновременно на катоде полуреакция восстановления может быть:
- Восстановление газообразного кислорода: O2(г) + 2Н2O (l) + 4e- → 4OH- (водн.)
- Или восстановление водорода: 2H+(водн.) + 2e- → H2(грамм)
- Или сочетание того и другого: O2(г) + 4Н+(водн.) + 4_e_- → 2H2О (л)
По мере расходования ионов водорода pH повышается и становится менее кислым, а OH- в воде появляются ионы. Они реагируют с образованием гидроксидов железа (II), которые начинают выпадать в осадок из раствора:
2Fe2+(водн.) + 4ОН- (водн.) → 2Fe (ОН)2(s)
Возникновение ржавчины
Поскольку вода и кислород легко доступны, в конечном итоге образуется ржавчина даже в стали, сплаве, состоящем в основном из железа. Если ее не остановить, ржавчина продолжится через небольшие пятна и покроет всю поверхность.
Чистые линии первоначальной формы ногтя уступят место чешуйкам, а затем и небольшим ямкам. Поскольку оксид железа представляет собой более объемную молекулу, чем исходное железо, он занимает больше места, и это искажает форму ногтя, поскольку он ржавеет. Эта искаженная форма также вызывает залипание и скрип ржавых петель.
Со временем ржавчина достигнет сердцевины, и кусок металла легко сломается в руках. Соль, растворенная в воде, не является одной из причин ржавчины, но она ускоряет процесс.