Khi đến một ngôi làng ven biển, bạn dễ dàng thấy bản lề cổng hay xích xe đạp chuyển sang màu đỏ rõ rệt. Ngay cả chiếc ghế sắt mới mua cũng bắt đầu xuất hiện những vệt nâu lan trên bề mặt sau vài lần dầm mưa. Hiện tượng kim loại tưởng chừng cứng chắc từ từ biến thành chất khác khi tiếp xúc với không khí và nước chính là “sự ăn mòn (Corrosion)”.
Nói một cách đơn giản, ăn mòn là “quá trình kim loại phản ứng hóa học với môi trường xung quanh, mất đi tính chất ban đầu và bị hư hại”. Thứ chúng ta thường gọi là gỉ là sản phẩm hình thành khi sắt bị ăn mòn; các kim loại khác như đồng hay nhôm cũng bị ăn mòn theo cách riêng.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ nguyên lý sắt bị gỉ đến những vấn đề xảy ra khi các kim loại khác nhau tiếp xúc, các trường hợp trong lịch sử và những phương pháp ngăn ngừa ăn mòn.
Nguyên lý kim loại bị gỉ và cách phòng ngừa
Ăn mòn là gì?
Quá trình sắt bị gỉ là phản ứng oxy hóa khử có sự trao đổi electron. Sắt nhường electron và bị oxy hóa, còn oxy trong không khí nhận các electron đó và bị khử. Chất hình thành qua quá trình này là oxit sắt ngậm nước màu nâu đỏ (Fe2O3·nH2O), chính là thứ gỉ mà chúng ta biết.
(1) Phải có cả nước và oxy
Sắt hầu như không bị gỉ khi chỉ có nước tinh khiết hoặc chỉ có oxy khô. Phản ứng thực sự diễn ra khi có cả nước và oxy, trong đó nước đóng vai trò mở đường cho electron di chuyển qua lại.
(2) Muối thúc đẩy phản ứng
Nước chứa ion clorua, như nước biển hoặc nước có canxi clorua được rải trên đường vào mùa đông, dẫn điện tốt nên khiến sự ăn mòn diễn ra nhanh hơn nhiều. Đó là lý do các kết cấu sắt ven biển và gầm ô tô ở những vùng có nhiều tuyết bị gỉ đặc biệt nhanh.
(3) Gỉ không thể tự bảo vệ
Gỉ có thể tích lớn hơn sắt ban đầu nên phồng lên rồi dễ bong ra. Tại những chỗ gỉ bong đi, lớp sắt mới lộ ra, khiến sự ăn mòn tiếp tục ăn sâu vào bên trong.
(4) Mỗi kim loại bị gỉ theo một cách khác nhau
Nhôm phản ứng với oxy dễ hơn sắt, nhưng trên bề mặt nhôm hình thành một màng oxit nhôm mỏng và đặc sít, dày khoảng 10 nanomet, che phủ phần bên trong. Hiện tượng tự tạo màng bảo vệ như vậy được gọi là “sự thụ động hóa (Passivation)”, và đây là điểm khác biệt lớn nhất so với sắt, vốn có lớp gỉ dễ bong ra.
Khi các kim loại khác nhau tiếp xúc
Khi hai kim loại khác loại tiếp xúc với nhau và cùng ngâm trong chất điện ly như nước biển, kim loại dễ nhường electron hơn sẽ bị ăn mòn nhanh hơn nhiều. Hiện tượng này được gọi là “ăn mòn galvanic (Galvanic Corrosion)”.
- Kim loại ở anốt (Anode): Là phía mất electron và bị hòa tan, thường là những kim loại có tính phản ứng mạnh như kẽm hoặc sắt.
- Kim loại ở catốt (Cathode): Là phía nhận electron; những kim loại có tính phản ứng yếu như đồng lại được bảo vệ.
- Chất điện ly (Electrolyte): Là môi trường cho ion di chuyển giữa hai kim loại; độ mặn càng cao thì phản ứng càng nhanh.
Ăn mòn galvanic cũng thường xảy ra trong đời sống hằng ngày. Khi bắt vít sắt vào khung cửa nhôm hoặc nối trực tiếp ống đồng với ống sắt, phần tiếp xúc sẽ hư hại trước tiên. Vì vậy, các nhà thiết kế đặt vật liệu cách điện như cao su hoặc nhựa giữa các kim loại khác nhau để ngắt đường di chuyển của electron.
Những câu chuyện về ăn mòn trong lịch sử
Từ lâu, sự ăn mòn đã gây hư hại cho tàu thuyền và công trình kiến trúc, đồng thời dẫn đến những khám phá quan trọng trong quá trình đó.
[Trường hợp 1] Những chiếc đinh sắt bị hòa tan
Năm 1761, Hải quân Anh bọc thân gỗ của tàu frigate HMS Alarm bằng các tấm đồng. Khi tàu trở về sau chuyến đi đến Tây Ấn, các tấm đồng vẫn nguyên vẹn, nhưng những chiếc đinh sắt dùng để đóng tấm đồng đã mục nát như một khối bột nhão đầy gỉ. Năm 1763, hải quân kết luận rằng sắt và đồng không được tiếp xúc trực tiếp với nhau trong nước biển.
[Trường hợp 2] Tượng Nữ thần Tự do
Khi mới được dựng lên, Tượng Nữ thần Tự do có màu đồng đỏ, nhưng từ đầu thập niên 1900 đã chuyển sang màu xanh lục. Lớp gỉ màu xanh này phủ lên bề mặt đồng, giúp ngăn sự ăn mòn tiến sâu hơn. Tuy nhiên, đợt kiểm tra vào thập niên 1980 cho thấy lớp cách điện giữa vỏ đồng và khung sắt đã xuống cấp khiến khung sắt bị gỉ, và một đợt trùng tu quy mô lớn đã được thực hiện.
Bốn phương pháp ngăn ngừa ăn mòn
Ăn mòn là một phản ứng tự nhiên không thể tránh khỏi, nhưng chúng ta có thể làm chậm đáng kể tốc độ của nó.
(1) Phủ một lớp bảo vệ
Phủ bề mặt kim loại bằng sơn, dầu hoặc lớp phủ nhựa để ngăn nước và oxy tiếp xúc.
(2) Khoác một lớp áo kẽm
Việc phủ kẽm lên sắt được gọi là “mạ kẽm (Galvanization)”. Ngay cả khi bề mặt bị trầy xước làm lộ sắt, kẽm vẫn bị oxy hóa trước và tiếp tục bảo vệ sắt.
(3) Gắn kim loại sẽ bị ăn mòn thay
Khi gắn các khối kẽm, nhôm hoặc magiê vào đáy tàu hay công trình biển, các kim loại này sẽ bị ăn mòn thay. Chúng được gọi là “anốt hy sinh (Sacrificial Anode)”. Năm 1824, Humphry Davy trình bày nguyên lý này trước Hội Hoàng gia Anh và thử nghiệm bằng cách gắn các khối sắt lên lớp vỏ đồng bên ngoài tàu chiến. Sự ăn mòn đồng giảm đáng kể, nhưng sinh vật biển lại bám vào nhiều hơn, nên hải quân thời đó không tiếp tục sử dụng phương pháp này.
(4) Sử dụng hợp kim có khả năng tự bảo vệ
Thép không gỉ chứa ít nhất 10.5% crôm tạo ra một màng oxit crôm rất mỏng trên bề mặt để ngăn ăn mòn. Ngay cả khi bị trầy xước, màng này cũng hình thành trở lại khi tiếp xúc với oxy.
Ăn mòn là xu hướng tự nhiên của kim loại nhằm trở về trạng thái ổn định ban đầu. Các kết cấu kim loại nâng đỡ cuộc sống của chúng ta như cầu, đường ống, ô tô và tàu thuyền đều không ngừng chống lại xu hướng này. Theo báo cáo do Cục Quản lý Đường cao tốc Liên bang Hoa Kỳ (Federal Highway Administration) công bố năm 2002, chỉ riêng chi phí trực tiếp do ăn mòn gây ra tại Hoa Kỳ trong năm 1998 đã vào khoảng 2,760 trăm triệu đô la, tương đương 3.1% tổng sản phẩm quốc nội vào thời điểm đó.
Hiểu nguyên lý hình thành gỉ, sớm phát hiện và xử lý những vết gỉ nhỏ chính là bước đầu vận dụng hóa học trong đời sống để bảo vệ kim loại bền lâu.
