การทำให้เฉื่อยและการป้องกันการกัดกร่อน

การทำให้เฉื่อยคือการก่อตัวของฟิล์มป้องกันบางๆ ที่ช่วยชะลอการละลายของโลหะได้อย่างมาก และเป็นหนึ่งในกลยุทธ์ทางเคมีไฟฟ้าหลายอย่าง—ควบคู่ไปกับการเคลือบผิว สารยับยั้ง และการป้องกันแบบแคโทดิก—ที่ใช้ในการควบคุมการกัดกร่อน

Definition

การลดอัตราการกัดกร่อนของโลหะโดยการก่อตัวของฟิล์มบางๆ ที่ยึดเกาะบนพื้นผิว (การทำให้เฉื่อย) และชุดวิธีการทางเคมีไฟฟ้าที่กว้างขึ้นซึ่งใช้ในการปกป้องโลหะจากการกัดกร่อน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกลไกการป้องกันที่จำกัดการกัดกร่อน: ฟิล์มออกไซด์เฉื่อยที่เกิดขึ้นเองบนโลหะ เช่น สเตนเลส อะลูมิเนียม และไทเทเนียม สภาวะที่ทำให้ฟิล์มเหล่านี้คงตัวและสลายตัวจนนำไปสู่การกัดกร่อนแบบรูเข็ม และการป้องกันทางวิศวกรรมผ่านการเคลือบผิวแบบกั้น ขั้วแอโนดพลีชีพ การป้องกันแบบแคโทดิกด้วยกระแสไฟฟ้าภายนอก และสารยับยั้งการกัดกร่อน หัวข้อนี้เชื่อมโยงเคมีไฟฟ้าของฟิล์มเฉื่อยกับการออกแบบวัสดุที่ทนทาน

Core questions

• ฟิล์มเฉื่อยก่อตัวขึ้นได้อย่างไร และเหตุใดจึงยับยั้งการกัดกร่อนได้อย่างมาก?
• ภายใต้สภาวะใดที่สภาพเฉื่อยจะสลายตัว นำไปสู่การโจมตีเฉพาะจุด เช่น การกัดกร่อนแบบรูเข็ม?
• ระบบการป้องกันแบบแคโทดิกป้องกันการกัดกร่อนได้อย่างไรโดยการเปลี่ยนศักย์ไฟฟ้าของโลหะ?
• การเคลือบผิวแบบกั้นและสารยับยั้งเสริมการทำให้เฉื่อยในการปกป้องโลหะได้อย่างไร?

Key theories

การก่อตัวและการสลายตัวของฟิล์มเฉื่อย

เหนือศักย์ไฟฟ้าวิกฤต โลหะหลายชนิดจะสร้างฟิล์มออกไซด์บางๆ ที่ช่วยลดการละลายลงหลายเท่าตัว; ไอออนที่รุนแรง เช่น คลอไรด์ สามารถทำให้ฟิล์มนี้แตกออกเฉพาะที่ได้ ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการกัดกร่อนแบบรูเข็ม

การป้องกันแบบแคโทดิก

การเปลี่ยนศักย์ไฟฟ้าของโลหะให้เป็นลบ—โดยการเชื่อมต่อกับขั้วแอโนดพลีชีพหรือการใช้กระแสไฟฟ้าภายนอก—จะช่วยยับยั้งการละลายแบบแอโนดิกโดยทำให้เกิดการรีดักชันแทนที่จะเป็นการออกซิเดชันบนพื้นผิวที่ได้รับการป้องกัน

Clinical relevance

การทำให้เฉื่อยช่วยให้สเตนเลสและรากฟันเทียมไทเทเนียมมีความทนทานต่อการกัดกร่อน ในขณะที่การป้องกันแบบแคโทดิกช่วยปกป้องท่อส่งน้ำ ตัวเรือ และคอนกรีตเสริมเหล็ก วิธีการเหล่านี้ช่วยยืดอายุการใช้งานของโครงสร้างพื้นฐานและรับรองความเข้ากันได้ทางชีวภาพของอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่เป็นโลหะ

History

เชินไบน์ (Schönbein) และฟาราเดย์ (Faraday) ได้อธิบายถึงสภาพเฉื่อยของเหล็กในทศวรรษที่ 1830; เดวี (Davy) ได้แสดงให้เห็นถึงการป้องกันแบบแคโทดิกของทองแดงในเรือในปี 1824 และทฤษฎีสมัยใหม่ เช่น แบบจำลองจุดบกพร่อง (point-defect model) ได้ทำให้พฤติกรรมของฟิล์มเฉื่อยเป็นทางการในช่วงปลายศตวรรษที่ 20

Key figures

• Christian Friedrich Schönbein
• Michael Faraday
• Digby D. Macdonald
• Humphry Davy

Seminal works

• jones1996
• macdonald1992
• bard2001

Frequently asked questions

ทำไมสเตนเลสจึงไม่เป็นสนิมเหมือนเหล็กทั่วไป?

ปริมาณโครเมียมในสเตนเลสจะสร้างฟิล์มออกไซด์เฉื่อยที่บางและสามารถซ่อมแซมตัวเองได้ ซึ่งจะช่วยป้องกันการออกซิเดชันเพิ่มเติม; ในขณะที่เหล็กทั่วไปจะสร้างสนิมที่มีรูพรุนและไม่สามารถป้องกันได้ ซึ่งทำให้การกัดกร่อนดำเนินต่อไป

ขั้วแอโนดพลีชีพปกป้องโครงสร้างได้อย่างไร?

โลหะที่ว่องไวทางเคมีมากกว่า เช่น สังกะสีหรือแมกนีเซียม จะถูกเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับโครงสร้างและจะเกิดการกัดกร่อนก่อน เพื่อจ่ายอิเล็กตรอนที่ช่วยให้โลหะที่ได้รับการป้องกันยังคงเป็นแคโทดและป้องกันไม่ให้เกิดการละลาย