Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa một kim loại cơ bản cùng với một số kim loại hoặc phi kim khác. Thép là hợp kim của sắt với carbon trong đó hàm lượng carbon dưới 2%; gang cũng là hợp kim sắt với carbon nhưng hàm lượng carbon từ 2% đến 5%; đồng thau là hợp kim của đồng với kẽm; duralumin là hợp kim của nhôm với đồng, magnesium và một số nguyên tố khác.
So với các kim loại thành phần, hợp kim thường có những khác biệt sau:
Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại hoặc hợp kim do tác dụng của các chất trong môi trường. Bản chất chung là kim loại bị oxi hoá: M → Mn+ + ne. Điểm khác nhau nằm ở chỗ electron đi thẳng hay đi vòng.
| Tiêu chí | Ăn mòn hoá học | Ăn mòn điện hoá học |
|---|---|---|
| Đường đi của electron | Kim loại nhường electron trực tiếp cho chất oxi hoá khi va chạm | Electron đi vòng qua dây dẫn hoặc qua chỗ tiếp xúc, từ cực âm sang cực dương |
| Có dòng điện không | Không phát sinh dòng điện | Có dòng electron chuyển dời, tức có dòng điện |
| Điều kiện | Chỉ cần kim loại tiếp xúc chất oxi hoá | Phải hội đủ ba điều kiện, xem mục 3 |
| Tốc độ | Chậm, tăng theo nhiệt độ | Nhanh hơn nhiều, đây là dạng ăn mòn gây thiệt hại chủ yếu trong thực tế |
| Ví dụ | Đốt dây sắt trong khí chlorine; thanh sắt nguyên chất tan trong dung dịch HCl; ống thép dẫn hơi nước nóng bị oxi hoá | Gang thép gỉ trong không khí ẩm; vỏ tàu biển bị ăn mòn; thanh kẽm tiếp xúc thanh đồng cùng nhúng dung dịch acid |
Phải hội đủ cả ba, thiếu một điều kiện là kết luận sai:
Cực nào bị ăn mòn. Kim loại có tính khử mạnh hơn, tức đứng trước trong dãy hoạt động, đóng vai trò cực âm (anot của pin) và bị oxi hoá, tan dần. Kim loại còn lại là cực dương và được bảo vệ, tại đó chỉ xảy ra quá trình khử của môi trường. Đây là câu phải thuộc: cực âm bị ăn mòn trước.
Ví dụ gang thép để trong không khí ẩm: vô số tinh thể Fe và C tiếp xúc nhau tạo thành vô số pin nhỏ li ti.
Ion Fe2+ tiếp tục bị oxygen không khí oxi hoá thành Fe3+ rồi kết hợp với nước tạo gỉ sắt màu nâu đỏ có thành phần chính là Fe2O3 ngậm nước.
| Phương pháp | Cách làm | Cơ chế |
|---|---|---|
| Bảo vệ bề mặt | Sơn, tráng men, bôi dầu mỡ, mạ một lớp kim loại khác, tạo lớp oxide bền | Cách li kim loại khỏi môi trường; nhược điểm là lớp phủ vỡ ở đâu thì ăn mòn khởi phát ở đó |
| Bảo vệ điện hoá bằng anot hi sinh | Gắn khối kẽm vào vỏ tàu thép, nối ống thép chôn dưới đất với khối magnesium | Kim loại gắn thêm hoạt động mạnh hơn nên làm cực âm và bị ăn mòn thay; vật cần bảo vệ trở thành cực dương nên không tan |
| Chế tạo hợp kim chống gỉ | Thép không gỉ chứa chromium và nickel | Tạo lớp oxide bền, kín, bám chắc trên bề mặt |
| Xử lí môi trường | Dùng chất ức chế, hút ẩm, hạ nồng độ chất điện li | Làm mất điều kiện thứ ba của ăn mòn điện hoá |
Điểm dễ nhầm nhất của mục này: khi mạ thiếc lên sắt thì lớp thiếc chỉ bảo vệ theo kiểu bề mặt. Nếu lớp thiếc bị trầy xước, cặp Fe và Sn tiếp xúc nhau trong không khí ẩm sẽ tạo pin điện hoá và chính sắt bị ăn mòn nhanh hơn cả khi không mạ. Ngược lại, mạ kẽm lên sắt là bảo vệ theo kiểu điện hoá: lớp kẽm trầy xước vẫn tiếp tục hi sinh để giữ cho sắt nguyên vẹn.
Vì sao ăn mòn điện hoá nhanh hơn hẳn ăn mòn hoá học? Vì hai nửa quá trình được tách rời về không gian. Trong ăn mòn hoá học, nguyên tử kim loại phải trao electron trực tiếp cho chất oxi hoá ngay tại chỗ va chạm; sản phẩm bám lại che mất bề mặt và phản ứng tự bóp nghẹt mình. Trong ăn mòn điện hoá, electron được kim loại dẫn đi nơi khác, chỗ tan và chỗ nhận electron nằm cách nhau nên không cản nhau, dòng electron chạy liên tục và kim loại mòn đều đặn không dừng.
Vì sao mạ kẽm bền hơn mạ thiếc dù thiếc trông sáng đẹp hơn? Khi lớp mạ còn nguyên, cả hai đều bảo vệ theo kiểu cách li. Khi bị xước, cặp điện cực hình thành và kim loại khử mạnh hơn phải làm cực âm. Kẽm khử mạnh hơn sắt nên kẽm hi sinh, sắt được bảo vệ — đó là bảo vệ điện hoá, còn gọi là dùng anode hi sinh, cũng chính là nguyên lí gắn khối kẽm vào vỏ tàu biển. Thiếc thì khử yếu hơn sắt, nên chỗ xước biến sắt thành cực âm và sắt gỉ còn nhanh hơn cả khi chưa mạ.
Thiếu điều kiện thì hỏng ở đâu? Ăn mòn điện hoá cần đủ ba thứ: hai điện cực khác bản chất, chúng tiếp xúc nhau, và cùng nhúng trong dung dịch chất điện li. Thiếu một thứ là chỉ còn ăn mòn hoá học, chậm hơn nhiều: thanh sắt tinh khiết trong HCl (thiếu điều kiện một), hai thanh kim loại nhúng hai cốc riêng (thiếu điều kiện hai), hai thanh chạm nhau nhưng để nơi khô ráo (thiếu điều kiện ba). Đây cũng là gợi ý chống ăn mòn: giữ khô, sơn phủ cách li, hoặc chủ động gắn một kim loại mạnh hơn để nó chịu trận thay.
Sắt nguyên chất trong không khí ẩm chỉ bị ăn mòn hoá học: nguyên tử sắt nhường electron trực tiếp cho oxygen ngay tại chỗ va chạm. Sản phẩm sinh ra bám lại che bề mặt nên phản ứng tự làm chậm chính mình.
Hội đủ ba nên gang bị ăn mòn điện hoá học. Nhìn hình ở phần lý thuyết: mỗi giọt nước đọng lại là một pin tí hon.
Sắt có tính khử mạnh hơn carbon nên tinh thể Fe làm cực âm và bị oxi hoá; hạt carbon làm cực dương, nơi oxygen nhận electron. Môi trường ở đây trung tính nên phải viết dạng có nước, không viết dạng H+.
$$\text{cực âm: } \text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e$$$$\text{cực dương: } \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e \rightarrow 4\text{OH}^-$$Ion Fe2+ gặp OH– tạo Fe(OH)2, rồi bị oxygen oxi hoá tiếp lên Fe(OH)3 và mất nước thành gỉ nâu đỏ Fe2O3·nH2O. Gỉ này xốp, không bám chặt, không che chắn được bề mặt nên lớp sắt bên dưới tiếp tục bị ăn mòn — khác hẳn lớp oxide đặc khít bảo vệ nhôm.
Nếu lời giải đúng thì bỏ đi bất kì điều kiện nào trong ba điều kiện phải làm tốc độ gỉ giảm hẳn. Đúng như vậy: để vật gang trong không khí thật khô (mất điều kiện ba) thì hầu như không gỉ, và sắt tinh khiết (mất điều kiện một) gỉ chậm hơn nhiều. Hai quan sát thực tế này xác nhận cơ chế điện hoá.
Gang gỉ nhanh hơn vì bị ăn mòn điện hoá học chứ không phải chỉ ăn mòn hoá học: tinh thể Fe là cực âm (Fe → Fe2+ + 2e), hạt carbon là cực dương (O2 + 2H2O + 4e → 4OH–), electron chạy liên tục nên phản ứng không tự dừng.
Viết cực dương là 2H+ + 2e → H2 cho trường hợp gang gỉ ngoài trời: sai môi trường, dạng H+ chỉ dùng khi dung dịch có acid. Bẫy thứ hai là ghi ngay Fe → Fe3+ + 3e; sản phẩm đầu tiên ở cực âm luôn là Fe2+, Fe3+ chỉ xuất hiện sau khi oxygen oxi hoá tiếp.
Hội đủ ba nên đây là ăn mòn điện hoá học.
Nhôm đứng trước đồng rất xa trong dãy hoạt động, tính khử mạnh hơn hẳn, nên thanh nhôm là cực âm và bị ăn mòn; thanh đồng là cực dương và được bảo vệ, khối lượng không đổi.
Cân bằng electron: nhân nửa thứ nhất với 2, nửa thứ hai với 3.
$$2\text{Al} + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2$$Bọt khí thoát ra chủ yếu ở bề mặt thanh đồng chứ không phải ở thanh nhôm — đây là dấu hiệu nhận biết ăn mòn điện hoá bằng mắt thường. Thanh nhôm mỏng dần, dung dịch xuất hiện ion Al3+. Nếu tách rời hai thanh thì nhôm vẫn tan trong HCl nhưng chậm hơn nhiều vì chỉ còn ăn mòn hoá học.
Số electron nhôm nhường phải bằng số electron ion H+ nhận. Nếu thu được 0,3 mol H2 thì đã có 0,6 mol electron trao đổi, ứng với 0,2 mol Al tan tức 5,4 gam — cân lại thanh nhôm phải nhẹ đi đúng chừng đó, còn thanh đồng thì không đổi khối lượng. Phép cân này là cách kiểm tra rất nhanh xem mình có xác định nhầm cực hay không.
Thanh nhôm bị ăn mòn (cực âm: Al → Al3+ + 3e), thanh đồng được bảo vệ (cực dương: 2H+ + 2e → H2). Hiện tượng: khí thoát ra chủ yếu ở thanh đồng, thanh nhôm mòn dần.
Kết luận "đồng bị ăn mòn vì khí thoát ra ở đồng": nơi có khí là nơi nhận electron, tức cực dương, tức nơi được bảo vệ. Bẫy thứ hai là nghĩ đồng cũng tan trong HCl — đồng đứng sau hydrogen nên không phản ứng với HCl loãng dù có hay không có nhôm bên cạnh.
Trong hợp kim Mg–Ag, chỉ magnesium đứng trước hydrogen nên tan trong HCl; bạc đứng sau hydrogen nên không tan, còn nguyên dạng chất rắn. Hợp kim không có tính chất hoá học mới: mỗi kim loại vẫn phản ứng đúng như khi đứng riêng.
Tỉ lệ Mg : H2 là 1 : 1 (hệ số 2 nằm ở HCl chứ không ở Mg — chỗ này rất hay bị đọc nhầm).
Mg nhường 2 electron mỗi nguyên tử: 0,2 mol Mg cho 0,4 mol electron. Mỗi phân tử H2 nhận 2 electron: 0,2 mol H2 nhận đúng 0,4 mol. Hai số khớp nên phần Mg tính đúng. Số mol Ag ra 7,2 : 108 = 0,0667 mol, một giá trị dương hợp lí, không mâu thuẫn với dữ kiện nào.
Hợp kim gồm 40% Mg và 60% Ag theo khối lượng.
Lấy cả 12 gam hợp kim để tính số mol "kim loại" thì mọi thứ sai từ dòng đầu, vì bạc không tham gia phản ứng. Bẫy thứ hai là đọc hệ số 2 của HCl thành hệ số của Mg, ra nMg = 0,1 mol tức 2,4 gam và 20% — đúng một nửa đáp số.