1.6 - Pengaratan

Kakisan Logam

• Kakisan ialah proses redoks apabila logam dioksidakan secara spontan apabila atomnya membebaskan elektron membentuk ion logam: $\mathrm{M}\to {\mathrm{M}}^{\mathrm{n}+}+\mathrm{n}{\mathrm{e}}^{-}$.
• Pengaratan ialah kakisan besi. Air dan oksigen kedua-duanya diperlukan; garam dan asid mempercepat proses dengan meningkatkan pengaliran elektrik.
• Aluminium, zink, plumbum, nikel dan kromium membentuk lapisan oksida padat yang melindungi logam. Karat berliang dan mudah mengelupas lalu mendedahkan besi baharu.

Eksperimen 1D — kakisan kuprum dan besi

• Tujuan: Mengkaji kakisan kuprum dan besi.
• Pernyataan masalah: Adakah kuprum dan besi mengalami kakisan?
• Hipotesis: Kakisan kuprum menghasilkan mendakan biru; kakisan besi menghasilkan mendakan perang.
• Pemboleh ubah: jenis logam; kehadiran dan warna mendakan; larutan garam dimalarkan.
• Bahan: Dawai kuprum $20\mathrm{cm}$, dawai besi $20\mathrm{cm}$ serta larutan garam/alkali di bawah.
• Radas: Tabung uji, rak tabung uji, kertas pasir, bikar, tungku kaki tiga, kasa dawai dan penunu Bunsen.
• Prosedur:
  1. Bersihkan dawai dengan kertas pasir, gulung dan masukkan dalam tabung uji berasingan.
  2. Campurkan $12\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ natrium klorida $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$, $6\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ kalium klorida $0.05\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ dan $2\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ natrium hidroksida $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$; panaskan campuran.
  3. Tutup kedua-dua dawai dengan campuran dan biarkan selama tiga hari.
• Keputusan: Kuprum menghasilkan mendakan biru; besi menghasilkan mendakan perang. Kedua-dua logam mengalami kakisan.
• Atom logam dioksidakan dan oksigen terlarut diturunkan kepada $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$. Ion kuprum membentuk kuprum(II) hidroksida biru; kakisan besi akhirnya menghasilkan ferum(III) oksida terhidrat perang.

Pengaratan sebagai Tindak Balas Redoks

• Kawasan berlainan pada permukaan besi basah bertindak sebagai elektrod kecil: tengah titisan air kurang oksigen dan menjadi anod; pinggir titisan lebih oksigen dan menjadi katod.

• Di kawasan anod, besi dioksidakan: $\mathrm{Fe}(\mathrm{p})\to \mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}(\mathrm{ak})+2{\mathrm{e}}^{-}$

• Elektron mengalir melalui besi ke kawasan katod, lalu oksigen diturunkan: ${\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{ce})+4{\mathrm{e}}^{-}\to 4O{\mathrm{H}}^{-}(\mathrm{ak})$

• $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ membentuk ferum(II) hidroksida yang seterusnya dioksidakan menjadi ferum(III) oksida terhidrat, $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3\cdot \mathrm{x}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, iaitu karat.

• Pembentukan ferum(II) hidroksida: $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}+2O{\mathrm{H}}^{-}\to \mathrm{Fe}(\mathrm{OH}{)}_2$. Dalam karat, $x$ mempunyai nilai integer yang pelbagai.

• Besi ialah agen penurunan; oksigen ialah agen pengoksidaan.

Kesan Sentuhan dengan Logam Lain

• Apabila besi bersentuhan dengan logam lebih elektropositif seperti Mg, Al atau Zn, logam itu membebaskan elektron dan dioksidakan menggantikan besi. Pengaratan besi menjadi perlahan atau berhenti.
• Apabila besi bersentuhan dengan logam kurang elektropositif seperti Sn, Pb atau Cu, besi menjadi anod, kehilangan elektron dengan lebih mudah dan berkarat lebih cepat.

Eksperimen 1E — kesan logam lain

• Masalah: Bagaimanakah logam berlainan yang bersentuhan dengan besi mempengaruhi pengaratan?
• Hipotesis: Logam lebih elektropositif melindungi besi; logam kurang elektropositif mempercepat pengaratan.
• Tujuan: Mengkaji kesan logam lain terhadap pengaratan.
• Pemboleh ubah: Dimanipulasikan = logam yang dililit pada besi; bergerak balas = pengaratan besi; dimalarkan = paku besi.
• Bahan: Agar-agar, fenolftalein, kalium heksasianoferat(III), paku besi, pita magnesium serta jalur stanum, zink dan kuprum.
• Radas: Tabung uji, rak dan kertas pasir.
• Prosedur:
  1. Bersihkan lima paku besi dan empat logam dengan kertas pasir. Lilit setiap satu paku dengan satu logam; biarkan paku kelima tanpa lilitan sebagai kawalan.
  2. Letakkan paku dalam tabung uji berasingan dan rendam sepenuhnya dalam agar-agar panas yang mengandungi kalium heksasianoferat(III) serta fenolftalein.
  3. Biarkan selama sehari dan periksa warna.
• Langkah berjaga-jaga: Larutan kalium heksasianoferat(III) beracun.
• Warna biru menunjukkan pembentukan $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$; warna merah jambu menunjukkan pembentukan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$. Kedudukan warna mengenal pasti kawasan pengoksidaan dan penurunan.

Pencegahan Pengaratan

• Perlindungan penghalang mengasingkan besi daripada air dan oksigen: cat, minyak atau gris, serta salutan plastik. Kerosakan salutan mendedahkan besi.

• Salutan logam lain:

  • penggalvanian dengan zink memberi penghalang dan perlindungan korban walaupun tercalar;
  • penyaduran stanum ialah penghalang, tetapi calar mendedahkan besi bersebelahan logam kurang elektropositif lalu mempercepat pengaratan.

• Penyaduran kromium melindungi barangan seperti bumper kereta, basikal dan barang hiasan.

• Perlindungan korban: sambungkan struktur besi atau keluli kepada logam lebih elektropositif seperti magnesium atau zink. Logam korban terkakis dan perlu diganti dari semasa ke semasa.

• Perlindungan korban digunakan pada tiang jambatan, badan kapal dan paip bawah tanah; magnesium melindungi paip besi dan bongkah zink melindungi badan kapal.

• Pengaloian: keluli nirkarat mengandungi besi yang dialoikan dengan karbon, kromium dan nikel. Lapisan oksida pelindungnya menahan kakisan; kegunaannya termasuk sudu, garpu dan alatan pembedahan.