Hvað er spennuröð málma og hvernig tengist hún tæringu?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað er spennuröð málma og hvernig tengist hún tæringu?
Hér er einnig svarað spurningunum:

• Er að velta fyrir mér hvort það sé rétt sem mér hefur verið sagt að járn og ál passi illa saman, þ.e að það verði tæring á milli þeirra.
• Hvernig tengist rafspenna tæringu, og hvaða efni er hægt að nota til að berjast gegn tæringu? Fæ ekki útskýringu neins staðar á veraldarvefnum.
• Hvað er tæring í lofti? Og spennuröð málma? Hvaða efni er hægt að nota gegn tæringu? Og hvernig tengist rafspenna þessu?

Sumir málmar geta ekki verið í snertingu hvor við annan vegna þess að annar þeirra tærist með tímanum. Þetta er nefnt galvanísk tæring. Yfirborð málmsins eyðist þá upp og verður hrjúft. Stundum sést eyðingin bara í smásjá en ef hún er töluverð getur hún sést með berum augum. Tæringin getur jafnvel orðið það mikil að gat kemur á málminn.

Eftirfarandi fimm atriði eru forsenda þess að galvanísk tæring geti átt sér stað:

1. Anóða (e. anode). Málmurinn sem tærist gefur frá sér rafeindir (hann oxast) og kallast hann forskaut/anóða (táknað með mínus, -).
2. Katóða (e. catode). Hinn málmurinn tekur við rafeindum (hann afoxast) og kallast hann bakskaut/katóða (táknað með plús, +).
3. Raflausn (e. electrolyte). Málmarnir þurfa að vera í raflausn (e. electrolyte), það er einhverri lausn sem leiðir rafmagn. Við tæringuna leysist nefnilega annar málmurinn (anóðan) upp og losar frá sér málmjónir og rafeindir. Raflausnin sér um að bera rafeindirnar til hins málmsins (katóðunnar). Dæmi um raflausn er vatn/raki. Enn betri raflausnir eru vatnslausnir sem innihalda sölt/jónir.
4. Einhver tenging milli málmanna. Málmarnir geta snerst eða milli þeirra getur legið rafleiðandi vír.
5. Spennumunur á málmunum, það er að segja mismunur á staðalspennu málmanna þegar annar málmurinn oxast og hinn afoxast. Því meiri sem munurinn er þeim mun meiri tilhneigingu hefur annar málmurinn til að gefa frá sér rafeindir og tærast.

Málmar hafa svokallaða staðalspennu (e. standard potential, einnig kallað eiginspenna) en það er sú spenna sem verður til við oxun/afoxun málmanna. Staðalspenna málma er mismunandi eftir gerð málmanna og er háð raflausninni sem þeir eru í. Hitastig og sýrustig hafa einnig áhrif á staðalspennuna.

Í töflu 1 getur að líta staðalspennu nokkurra málma í vatnslausn og sjó og hálfhvörfin sem eiga sér stað við afoxun þeirra. Málmunum í töflunni er raðað eftir spennuröð þar sem málmarnir með hæstu staðalspennuna eru neðstir. Þessir málmar hafa minnstu tilhneiginguna til að tærast, þeir hafa nefnilega mjög litla tilhneigingu til að gefa frá sér rafeindir. Málmarnir með mestu tilhneiginguna til að tærast eru efstir í töflunni, þessir málmar hafa nefnilega mestu tilhneiginguna til að gefa frá sér rafeindir. Það er því málmurinn sem er ofar í töflunni sem tærist ef upp kemur tæringarvandamál þegar tveir málmar snertast.

Í tilviki áls og járns í vatni er spennumunurinn 2,11 V, sem gefur til kynna að ál geti tærst ef það er í snertingu við járn. Það er engu að síður óvíst að tæring eigi sér stað þar sem hreint vatn er ekki góð raflausn. Ef tæringin á sér stað myndu hálfhvörfin verða:

$$Al_{(s)} \to Al^{3+}+ 3e^{-} \qquad Staðalspenna = 1,677 V$$

$$Fe^{2+}+ 2e^{-} \to Fe_{(s)} \qquad Staðalspenna = -0,44 V$$

Og heildarhvarfið yrði:

$$2Al_{(s)}+3Fe^{2+}\to 2Al^{3+}+ 3Fe_{(s)} \qquad Spennumunur = 2,11 V$$

Tafla 1. Staðalspenna nokkurra málma í vatnslausn og sjó.

Málmur	Hálfhvörf málma	Staðalspenna í vatni (V)	Staðalspenna í sjó (V)
litín	Li++ e- → Li(s)	-3,040	-
kalín	K+ + e- → K(s)	-2,936	-
kalsín	Ca2++ 2e- → Ca(s)	-2,868	-
natrín	Na++ e- → Na(s)	-2,714	-
magnesín	Mg2++ 2e- → Mg(s)	-2,360	-1,63 til -1,60
ál	Al3+ + 3e- → Al(s)	-1,677	-0,90 til -0,70 (ál-málmblendi)
títan	Ti2+ + 2e- → Ti(s)	-1,60	-
sink	Zn2+ + 2e- → Zn(s)	-0,762	-1,03 til -0,98
króm (Cr3+)	Cr3+ + 3e- → Cr(s)	-0,74	-
járn (Fe2+)	Fe2++ 2e- → Fe(s)	-0,44	-
messing (látún)	inniheldur kopar og sink	-	-0,40 til -0,30
kóbalt	Co2++ 2e- → Co(s)	-0.282	-
nikkel	Ni2+ + 2e- → Ni(s)	-0,236	-
ryðfrítt stál (400 „series“)	inniheldur aðallega járn en einnig sink	-	-0,35 til -0,20
tin	Sn2++ 2e- → Sn(s)	-0,141	-
blý	Pb2++ 2e- → Pb(s)	-0,126	-0,25 til -0,19
vetni	2H++2e- → H2(g)	0	0
kopar	Cu2++ 2e- → Cu(s)	0,339	-0,36 til -0,28
silfur	Ag++ e- → Ag(s)	0,799	-0,14 til -0,09
palladín	Pd2++ 2e- → Pd(s)	0,915	-
platína	Pt2++ 2e- → Pt(s)	1,18	0,18 til 0,25
gull	Au++ e- → Au(s)	1,69	-

Þrátt fyrir að vetni sé ekki málmur er það oft haft með í töflum yfir spennuröð málma því staðalspenna málmanna miðast við hálfhvarf vetnis, sem er þá skilgreint með staðalspennuna 0 V.

Með því að smella hér (eða opna vefsíðuna Electrochemical Potentials - RF Cafe) má sjá töflu sem sýnir spennumuninn á nokkrum málmum í vatni sem inniheldur 2% salt. Samkvæmt töflunni eru góðar líkur á að ál (e. aluminium) tærist sé það í snertingu við ryðfrítt stál (e. stainless steel, inniheldur að megninu til járn en einnig nokkur prósent kolefni og króm) því spennumunurinn á hálfhvörfunum er 0,84 V (=840 mV) og málmarnir eru í góðri raflausn. Á yfirborði áls er vanalega þunnt lag af áloxíði (Al₂O₃) sem ver það að einhverju leyti fyrir tæringu. Ryðfrítt stál er einnig vanalega með þunnt lag af krómoxíð-filmu sem ver það. Ein leið til að minnka líkurnar á tæringu eða jafnvel koma í veg fyrir hana er þess vegna að húða eða mála ryðfría stálið og álið.

Heimildir og mynd:

• Wikipedia. Galvanic corrosion. (Sótt 20.1.2023).
• Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins. Almennt um tæringu - fræðilegar forsendur. (Sótt 20.1.2023).
• Efnafræðiglósur GK. (Sótt 20.1.2023).
• Standard electrode potentials of metals at 25 °C (table). InfoTables.com. (Sótt 20.1.2023).
• Can Stainless Steel and Aluminum Be Used Together?. Marsh Fasteners. (Sótt 20.1.2023).
• Standard Reduction Potential. LibreTexts Chemistry. (Sótt 20.1.2023).
• Corrosion Control - Galvanic Tables. L-36.com. (Sótt 20.1.2023).
• Mynd: Stainless-steel-mild-steel cropped.jpg - Wikimedia Commons. Birt undir Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported leyfi. (Sótt 20.1.2023)

...