Hóa học 12 — Ăn mòn điện hóa, bảo vệ kim loại và hợp kim: mọi bài là một chiếc pin tự diễn biến
Chuyên đề Hóa học 12 gom ăn mòn điện hóa, gỉ sắt, bảo vệ kim loại, hợp kim, định luật Faraday và tốc độ ăn mòn vào một khung bốn bước ghi, so, đi, đổi vai…
LUKATO AI · HÓA HỌC 12 · ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI
PIN TỰ DIỄN BIẾN · GỈ SẮT · BẢO VỆ ĐIỆN HÓA · MẠ ĐIỆN · HỢP KIM
Một cặp điện cực, ba câu hỏi:
ai tan , electron đi đâu ,
và tan bao nhiêu
Đinh sắt gỉ trong không khí ẩm, vỏ tàu gắn khối kẽm, tôn xước vẫn bền, sắt tây xước lại gỉ nhanh: nghe như bốn chuyện rời nhau, nhưng bên dưới chỉ có một chiếc pin tự diễn biến mà ta không chủ ý dựng ra. Chuyên đề này dạy em dựng nó trong bốn bước: ghi hai điện cực và chất điện li, so thế điện cực để biết ai là anot, đi theo electron để biết chất nào bị khử và mất bao nhiêu khối lượng, rồi đổi vai : phần lớn cách bảo vệ kim loại là đảo cực hoặc cắt chiếc pin ấy, còn hợp kim là cách thứ tư vì đổi chính vật liệu. Định luật Faraday đổi số electron thành khối lượng trong cùng một khung.
- 1. Ăn mòn điện hóa = hai điện cực khác bản chất, nối điện, cùng nhúng trong chất điện li
- 2. Kim loại có E^{\circ} nhỏ hơn là anot, bị oxi hóa; catot khử \text{H}^{+} (acid) hoặc \text{O}_{2} (không khí ẩm)
- 3. Bảo vệ = biến vật thành catot, hoặc cắt chiếc pin; khối lượng tan tính bằng m=\dfrac{AIt}{nF}
4 bước
ghi, so, đi, đổi vai cho bài điện hóa
7 phòng lab
dựng pin, rạch lớp mạ, theo dõi gỉ, gắn khối kẽm
16 bài
đủ ba dạng câu hỏi; bài trả lời ngắn giải theo bốn ô
01
Bản đồ chuyên đề
Ăn mòn điện hóa là một chiếc pin: bốn bước và ba câu hỏi
Bài học thường kể ăn mòn kim loại thành từng mẩu: ăn mòn hóa học, ăn mòn điện hóa, gỉ sắt, mạ kẽm, vật hi sinh, hợp kim chống gỉ. Học sinh học thuộc từng mẩu nên đề chỉ cần đổi bối cảnh là lạc đường. Thật ra, với ăn mòn điện hóa chỉ có một chiếc pin tự diễn biến : hai điện cực khác bản chất, nối điện, nhúng chung trong chất điện li. Bên trong nó, kim loại nào có thế điện cực nhỏ hơn thì nhường electron ( anot , bị oxi hóa, tan dần), electron theo kim loại sang catot rồi khử chất oxi hóa có sẵn trong môi trường. Hầu hết cách bảo vệ kim loại là một cách đảo cực hoặc cắt chiếc pin ấy. Hai trường hợp nằm ngoài khung: ăn mòn hóa học thì không có pin (Mục 2), và hợp kim thì đổi chính vật liệu (Mục 6). Biết dựng pin thì biết giải phần lớn bài của chuyên đề.
Một chiếc pin, bốn bước: ghi hai điện cực và chất điện li (Mục 2); so E^{\circ} để chọn anot, nhất là khi Fe có bạn đồng hành (Mục 3 và 4); đi theo electron để biết khối lượng và tốc độ (Mục 7 và 8); đổi vai để bảo vệ (Mục 5), với hợp kim như một cách làm vật liệu bền hơn (Mục 6).
Ba câu hỏi mà đề ăn mòn điện hóa thường hỏi
Câu hỏi 1
Cực nào tan?
So hai giá trị E^{\circ}: kim loại có E^{\circ} nhỏ hơn là anot, bị oxi hóa. Đề nói «bị ăn mòn trước», «bị phá hủy», «tan dần», «là cực âm» đều chỉ vào anot.
Câu hỏi 2
Electron đi đâu, khử chất nào?
Electron chạy từ anot sang catot qua kim loại . Ở catot, chất oxi hóa do môi trường quyết định: \text{H}^{+} khi có acid, \text{O}_{2} hòa tan trong lớp nước ẩm. Kim loại ở catot không mất khối lượng.
Câu hỏi 3
Mất bao nhiêu, nhanh đến đâu?
Số mol electron chạy qua cho khối lượng tan: m=\dfrac{AIt}{nF}. Tốc độ phụ thuộc chênh lệch E^{\circ}, chất điện li, nhiệt độ và tỉ lệ diện tích catot trên anot.
Tám câu hỏi quen thuộc của đề và bước để trả lời
Câu hỏi đề đặt ra
Bước trong khung
Dấu hiệu nhận ra
Mục
Đây là ăn mòn hóa học hay điện hóa?
Ghi: có đủ ba điều kiện không?
«nhúng», «tiếp xúc», «hợp kim»
Kim loại nào bị ăn mòn trước, cực nào là cực âm?
So E^{\circ} của hai điện cực
«ăn mòn trước», «cực âm», «anot»
2, 3
Lớp mạ bị xước thì sắt chịu số phận gì?
So: sắt đứng cạnh kim loại nào?
«sắt tây», «tôn», «xây xát»
Gỉ sắt hình thành ra sao, chất gì ở cực dương?
Đi: bán phản ứng theo môi trường
«không khí ẩm», «gỉ», «bọt khí»
Cách bảo vệ nào đúng, nối vật với cực nào?
Đổi vai: ai tan thay, ai thành catot
«vỏ tàu», «khối kẽm», «mạ», «dòng điện ngoài»
Thành phần, tính chất, công dụng của hợp kim?
Vật liệu: nguyên tố nào, bao nhiêu phần trăm
«gang», «thép», «inox», «đồng thau»
Khối lượng bị ăn mòn hoặc lớp mạ dày bao nhiêu?
Đi: mol electron, Faraday
«mm/năm», «độ dày», «cường độ», «thời gian»
Điều kiện nào làm ăn mòn nhanh hơn?
Đi: các yếu tố tốc độ
«nhanh nhất», «chậm hơn»
Vì sao quy về một chiếc pin thì ít sai hơn
Khi mỗi dạng bài có một mẹo riêng, em phải nhớ «sắt tây thì thế này, tôn thì thế kia» và sẽ hụt hơi khi gặp cặp kim loại lạ. Khi có pin, câu hỏi đầu tiên luôn giống nhau: hai điện cực là gì, cái nào có E^{\circ} nhỏ hơn . Sắt tây và tôn trở thành hai trường hợp của cùng một phép so: sắt cạnh Sn thì sắt nhỏ hơn, sắt cạnh Zn thì kẽm nhỏ hơn. Đảo vai chỉ là đảo kết quả phép so ấy.
Bốn bước chung cho các bài điện hóa
BƯỚC 1 · GHI Viết hai điện cực và chất điện li. Đủ ba điều kiện chưa?
BƯỚC 2 · SO E^{\circ} nhỏ hơn là anot (cực âm, bị oxi hóa); còn lại là catot.
BƯỚC 3 · ĐI Electron anot sang catot; catot khử \text{H}^{+} hay \text{O}_{2}; mol e cho khối lượng.
BƯỚC 4 · ĐỔI VAI Muốn bảo vệ: làm vật thành catot, hoặc cắt pin (cách li, bộ cấp điện ngoài).
Quy ước dùng suốt chuyên đề
E^{\circ} thế điện cực chuẩn, tính bằng \text{V}; E^{\circ} nhỏ hơn thì tính khử mạnh hơn Anot là cực âm của pin, xảy ra oxi hóa ; catot là cực dương, xảy ra khử Electron đi trong dây từ anot sang catot; dòng điện quy ước đi chiều ngược lại Giá trị E^{\circ}: Mg -2{,}356; Al -1{,}676; Zn -0{,}763; Fe -0{,}44; Ni -0{,}257; Sn -0{,}137; Pb -0{,}126; \text{H}^{+}/\text{H}_{2} 0; Cu +0{,}34; Ag +0{,}799 (đơn vị \text{V}; đề cho số khác thì dùng số của đề) F=96\,500\ \text{C/mol}; một năm lấy 365 ngày; thể tích mol khí ở đkc là 24{,}79\ \text{L/mol} thập phân viết dấu phẩy: 1{,}5
Đoán trước khi tính
Hai chiếc đinh sắt giống hệt nhau. Đinh thứ nhất được quấn chặt bằng dây đồng, đinh thứ hai quấn chặt bằng dây kẽm. Cả hai cùng ngâm trong cốc nước muối loãng để ngoài không khí. Sau một tuần, đinh nào gỉ nhiều hơn?
Mẹo nhớ: đừng hỏi «có kim loại phủ ngoài không», hãy hỏi « ai có E^{\circ} nhỏ hơn ».
Thử tay: đi hết bốn bước với một cặp Fe–Cu
Một thanh Fe nối bằng dây dẫn với một thanh Cu rồi nhúng vào dung dịch \text{HCl} loãng. Viết bán phản ứng ở mỗi cực, cho biết bọt khí thoát ra ở thanh nào. Nếu thu được 0{,}02\ \text{mol} \text{H}_{2} thì khối lượng Fe đã tan là bao nhiêu gam?
Gợi ý 1 · Ghi và so
Có hai kim loại khác nhau, có dây nối, có chất điện li: đủ ba điều kiện. So hai giá trị: -0{,}44\ \text{V} của Fe và +0{,}34\ \text{V} của Cu. Kim loại nào nhỏ hơn?
Gợi ý 2 · Đi theo electron
Fe nhường electron. Electron chạy theo dây sang Cu. Trong dung dịch acid, chất nào nhận electron ở Cu? Số mol electron do Fe nhường bằng số mol electron mà \text{H}^{+} nhận.
Đáp án
Anot (Fe): \text{Fe} \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^{-}. Catot (Cu): 2\text{H}^{+} + 2e^{-} \longrightarrow \text{H}_{2}, bọt khí thoát ra chủ yếu ở thanh Cu (trên Fe vẫn còn ít bọt do ăn mòn hóa học song song), Fe tan dần. Phương trình tổng: \text{Fe} + 2\text{H}^{+} \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{H}_{2}. Mol Fe tan bằng mol \text{H}_{2}, bằng 0{,}02, nên m_{\text{Fe}}=0{,}02\cdot56=1{,}12\ \text{g}. Kiểm: electron Fe nhường 0{,}04\ \text{mol} bằng electron \text{H}^{+} nhận 2\cdot0{,}02=0{,}04\ \text{mol}.
02
Bước 1 và 2 · Ghi và so
Ba điều kiện dựng nên chiếc pin ăn mòn, và phép so E^{\circ} chọn anot
Một giọt nước đọng trên miếng thép có vẻ chẳng làm gì cả. Nhưng nếu trong thép có lẫn hạt carbon, giọt nước chính là chất điện li nối hai vùng khác bản chất: Fe và C. Từ giây ấy bên trong thép đã có một chiếc pin nhỏ, và nó chạy mãi cho đến khi hết sắt. Ăn mòn điện hóa là thế: không ai cắm pin, kim loại tự dựng nó, miễn là đủ ba điều kiện. Thiếu một điều kiện, chiếc pin biến mất, và nếu kim loại vẫn bị phá hủy thì đó là ăn mòn hóa học , quá trình mà electron chuyển thẳng từ kim loại sang chất oxi hóa, không đi vòng qua dây dẫn nào.
Ăn mòn hóa học
Electron nhảy thẳng sang chất oxi hóa
Kim loại tiếp xúc trực tiếp với chất oxi hóa (\text{O}_{2} ở nhiệt độ cao, \text{Cl}_{2}, acid, \text{Fe}^{3+}) và nhường electron ngay tại bề mặt tiếp xúc. Không phát sinh dòng điện , không cần hai điện cực. Ví dụ: Fe trong khí \text{Cl}_{2}, Fe nguyên chất trong dung dịch \text{HCl}, Zn tinh khiết trong dung dịch \text{H}_{2}\text{SO}_{4} loãng.
Ăn mòn điện hóa
Electron đi vòng qua kim loại
Hai điện cực khác bản chất, nối điện, nhúng chung trong chất điện li. Anot nhường electron, electron chạy qua kim loại sang catot, catot khử chất oxi hóa. Có dòng điện , xảy ra song song với (và thường nhanh hơn) ăn mòn hóa học. Ví dụ: thép trong không khí ẩm, tàu thép gắn đồng.
Ba điều kiện của chiếc pin ăn mòn: (1) hai điện cực khác bản chất, (2) nối điện với nhau (tiếp xúc hoặc qua dây), (3) cùng nhúng trong chất điện li. Electron đi trong kim loại từ anot sang catot; trong dung dịch, cation đi về catot còn anion (như \text{Cl}^{-}) đi về anot để khép kín mạch.
Ba điều kiện, và điều gì xảy ra khi thiếu một
Điều kiện
Ví dụ đủ điều kiện
Thiếu thì sao
1. Hai điện cực khác bản chất
Fe và C trong thép; Fe và Cu bám trên Fe; Zn và Cu nối nhau
Cùng một kim loại tinh khiết: không có chênh lệch E^{\circ}, không có chiều electron, chỉ còn ăn mòn hóa học
2. Nối điện
Tiếp xúc trực tiếp hoặc nối bằng dây dẫn
Hai thanh nhúng riêng, không nối: electron không có đường đi, mỗi thanh tự phản ứng hóa học
3. Cùng nhúng trong chất điện li
Nước muối, nước mưa hòa tan khí, lớp ẩm trên bề mặt kim loại
Ethanol không điện li, không khí khô: không có ion để khép kín mạch, không có pin
Phép so E^{\circ}: ai nhỏ hơn thì làm anot
Bước «so» chỉ có một quy tắc: trong hai điện cực kim loại, kim loại có E^{\circ} nhỏ hơn (âm hơn) có tính khử mạnh hơn nên làm anot (cực âm) và bị oxi hóa. Kim loại còn lại làm catot (cực dương); nó không tan, chỉ là nơi chất oxi hóa nhận electron. Nếu một điện cực là phi kim dẫn điện như than chì (C), nó luôn là catot, vì C không bị oxi hóa trong các điều kiện này.
Thang E^{\circ} của các kim loại trong chuyên đề. Kim loại ở phía dưới (âm hơn) làm anot khi gặp kim loại ở phía trên. Vạch \text{H}^{+}/\text{H}_{2} ở mức 0 chia thang thành hai nhóm: nhóm dưới vạch tan được trong acid loãng (Pb thực tế rất chậm vì màng muối ít tan), nhóm trên vạch (Cu, Ag) thì không.
Chất oxi hóa cũng phải đủ mạnh
Anot nhường electron chỉ khi ở catot có chất nhận electron. Trong dung dịch acid, chất ấy là \text{H}^{+} (E^{\circ}=0), nên chỉ kim loại có E^{\circ}<0 mới tan: Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb (Pb trong \text{HCl} hoặc \text{H}_{2}\text{SO}_{4} loãng thực tế tan rất chậm vì có màng muối ít tan \text{PbCl}_{2}, \text{PbSO}_{4} che phủ; bài THPT vẫn xét theo E^{\circ}). Cu và Ag (E^{\circ}>0) không tan trong \text{HCl} loãng dù đứng cạnh kim loại nào. Trong không khí ẩm chất nhận electron là \text{O}_{2} hòa tan trong lớp nước; oxi hóa mạnh hơn \text{H}^{+} nhiều, đủ để ăn mòn cả những kim loại thường gặp như Fe, Zn, Cu. Mục 4 nói kĩ hai trường hợp này.
Hiệu E^{\circ} của một cặp: dùng thế nào cho đúng
Với hai kim loại A (anot) và K (catot), hiệu E^{\circ}_{K}-E^{\circ}_{A} cho biết «lực đẩy» của cặp. Ví dụ cặp Zn–Cu là 0{,}34-(-0{,}763)=1{,}103\ \text{V}, cặp Fe–Cu là 0{,}34-(-0{,}44)=0{,}78\ \text{V}, cặp Zn–Fe là -0{,}44-(-0{,}763)=0{,}323\ \text{V}. Hiệu càng lớn thì xu hướng phản ứng càng mạnh, nhưng chưa phải tốc độ (Mục 8). Chú ý một điều tinh tế: hiệu này tính cho pin chuẩn có ion kim loại ở catot (ví dụ \text{Cu}^{2+}). Khi catot chỉ là vật dẫn đứng cạnh dung dịch acid, chất bị khử là \text{H}^{+}, và «lực đẩy» của quá trình là 0-E^{\circ}_{A}: với Fe là 0{,}44\ \text{V}. Vì vậy hiệu E^{\circ} giữa hai kim loại chủ yếu giúp chọn anot và so các cặp với nhau. Quy ước THPT: khi đề hỏi cặp nào ăn mòn nhanh hơn, ta xếp theo chênh E^{\circ} của hai kim loại (bỏ qua quá thế của \text{H}_{2} trên từng kim loại); đây là quy ước của đề, không phải số đo thực nghiệm.
Bẫy 1 · «Cứ nhúng sắt vào dung dịch là điện hóa»
Sắt nguyên chất trong dung dịch \text{HCl} chỉ có một kim loại: \text{Fe} + 2\text{H}^{+} \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{H}_{2} xảy ra ngay trên bề mặt sắt, đó là ăn mòn hóa học. Sắt trong \text{FeCl}_{3} cũng vậy: \text{Fe} + 2\text{Fe}^{3+} \longrightarrow 3\text{Fe}^{2+}, không có kim loại thứ hai. Nhưng sắt trong dung dịch muối của kim loại kém hoạt động hơn thì khác: \text{Fe} + \text{Cu}^{2+} \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu} làm Cu bám lên Fe, lập tức xuất hiện cặp hai điện cực Fe–Cu đang nối điện và đang nhúng trong dung dịch. Phản ứng ban đầu là hóa học, nhưng ngay sau đó ăn mòn điện hóa chiếm phần lớn. Cách kiểm nhanh: sau phản ứng có kim loại thứ hai bám trên điện cực hay không.