Silverglansen hos en ny nagel kan börja visa rödbruna fläckar så småningom, särskilt när de utsätts för elementen under en längre tid. Detta är den välbekanta början på rostning. Orsakerna till rost är kemiska och involverar reaktioner med vatten och syre.
Kemiska orsaker till rostning
Orsakerna till korrosion kräver närvaro av vatten och syre. Vatten kan kombineras med koldioxid i luften för att bilda kolsyra, en svag syra.
När denna sura lösning når järn uppstår två reaktioner. Först kommer det sura vattnet (en bra elektrolyt - mer om detta senare) att lösa upp en del av järnet genom att ta bort elektroner. Därefter kommer vattnet att bryta ner till väte och syre. Fritt syre reagerar med upplöst järn för att bilda järnoxid, och järnoxid är rost.
Från denna förklaring kan en ordekvation för rost skapas:
Järn + vatten + syre → järnoxid (rost)
Resulterande kemisk reaktion av rost
Den resulterande kemiska reaktionen av rostning är:
4Fe (s) + 3O2(g) + 6H2O (l) → 4Fe (OH)3(s)
Denna porösa rost, Fe (OH)
Denna reaktion händer dock i steg.
Elektrokemisk process av rost
Metaller som järn löses upp i en elektrokemisk process. Detta innebär att processen fungerar som en elektrokemisk cell (ofta betraktad som ett batteri).
De anod kommer att vara en plats där metallen är stressad eller skadad. De katod är en annan del av metallen som inte genomgår korrosion. Vatten fungerar som elektrolyten - bron - och transporterar joner för att hålla flödet av elektroner i rörelse, eller, i detta fall, flödet av elektroner som kommer att korrodera järnets anodområde.
Alla elektrokemiska processer involverar en typ av kemisk reaktion som kallas oxidation reduktion eller redoxreaktioner. I en redoxreaktion sker en överföring av elektroner. Överföringen av elektroner i korrosion tas från metallens yta och överförs till lämpliga elektronacceptorer, som syre och väte.
Tvåstegets kemiska reaktioner av rost
Redoxreaktioner kan ofta placeras som halvreaktioner för att se hur elektronerna rör sig i reaktionen. Oxidationshalvreaktionen förlorar elektroner, och reduktionshalvreaktionen får elektroner.
När vatten kommer i kontakt med järn, Fe, förlorar järnet elektroner i en oxidationsprocess:
- Vid anoden, oxidationshalvreaktion: Fe (s) → Fe2+(aq) + 2_e_-
Samtidigt, vid katoden, kan en reduktionshalvreaktion vara:
- Reduktion av syrgas: O2(g) + 2H2O (l) + 4e- → 4OH- (aq)
- Eller reduktion av väte: 2H+(aq) + 2e- → H2(g)
- Eller kombinationen av båda: O2(g) + 4H+(aq) + 4_e_- → 2H2O (l)
När vätejoner konsumeras stiger pH och blir mindre surt och OH- joner dyker upp i vattnet. Dessa reagerar för att producera järn (II) hydroxider som kommer att börja fälla ut ur lösningen:
2Fe2+(aq) + 4OH- (aq) → 2Fe (OH)2(s)
Förekomst av rostning
Eftersom både vatten och syre är lätt tillgängliga kommer rost så småningom att hända, även i stål, en legering som består mestadels av järn. Om den lämnas ostoppad fortsätter rostningen förbi små fläckar och täcker hela ytan.
De rena linjerna i nagelns ursprungliga form ger plats för en fjällig funktion och sedan för små gropar. Eftersom järnoxiden är en bulkare molekyl än det ursprungliga järnet, tar den mer utrymme och detta snedvrider spikens form när den rostar. Denna förvrängda form gör också att rostiga gångjärn fastnar och knakar.
Med tiden når rost kärnan och metallstycket kan lätt brytas i händerna. Salt som har lösts upp i vatten är inte en av orsakerna till rost, men det påskyndar processen.