6.6 Korrosjon og korrosjonsvern

Rust er en galvanisk celle

Den brune, flassende rusten på et gammelt jernrekkverk ser kanskje ut som et rent forfall. Men i virkeligheten er det elektrokjemi i sakte film. Korrosjon er nedbrytning av metaller gjennom elektrokjemiske reaksjoner med miljøet -- og rust på jern er det aller vanligste eksempelet.

Når jern ruster, fungerer overflaten som en bitteliten galvanisk celle. På anodeområdene oksideres jernet: $\text{Fe}(s) \rightarrow \text{Fe}^{2+}(aq) + 2e^-$. På katodeområdene reduseres oksygen fra lufta sammen med vann: $\text{O}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l) + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-(aq)$. De dannede Fe²⁺-ionene oksideres videre av oksygen til Fe³⁺ og ender til slutt som den hydratiserte rusten $\text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot x\text{H}_2\text{O}$. For at dette skal skje, må tre ting være til stede samtidig: metall (anoden), oksygen (som tar imot elektroner) og vann eller elektrolytt (som lar ioner transporteres). Mangler én av dem, stopper rustingen.

Hva som setter fart på rusten

Noen forhold gjør at jern ruster mye raskere. Elektrolytt er en stor faktor: salt som NaCl øker ledningsevnen i vannet kraftig, og derfor ruster biler langt fortere ved kysten og på saltede vinterveier enn i tørt innland. pH spiller også inn -- sur løsning øker korrosjonen, så surt regn akselererer rusting. Høyere temperatur gir raskere korrosjon, og mer oksygentilgang gir også raskere angrep, spesielt langs vannlinjen der luft og vann møtes.

En særlig viktig faktor er galvanisk korrosjon, som oppstår når to ulike metaller er i kontakt. Da dannes en galvanisk celle, og det minst edle metallet (det med lavest $E°$) blir anode og korroderer raskere, mens det edleste metallet beskyttes. Setter du for eksempel stål i kontakt med kobber, vil stålet (jern) korrodere fortere mens kobberet forblir uskadd. Dette er et tveegget sverd: det er problemet bak mye uventet korrosjon, men -- som vi straks skal se -- også løsningen på hvordan vi kan beskytte metaller.

Tre måter å beskytte metall på

Heldigvis kan vi bekjempe korrosjon på flere måter. Den første er barrierebeskyttelse -- rett og slett å hindre kontakt mellom metall og miljø. Maling og lakk legger et lag mellom jernet og lufta, men må fornyes. Galvanisering med sinkbelegg er smartere fordi sinken beskytter selv om belegget får en ripe. Forkromming gir hardt, slitesterkt belegg, og emaljering gir et glassaktig lag.

Den andre, og kanskje mest elegante, er katodisk beskyttelse, der vi gjør metallet vi vil redde til katode, slik at reduksjon -- ikke oksidasjon -- skjer der. En måte er offeranoden: vi kobler til et mer uedelt metall som ofrer seg. Sinkblokker på skip og rørledninger, eller magnesiumanoder i varmtvannsberedere, korroderer i stedet for jernet. På store konstruksjoner kan vi i stedet bruke påtrykt strøm fra en ekstern kilde som tvinger metallet til å bli katode. Den tredje metoden er anodisk beskyttelse, der vi danner en tett, beskyttende oksidfilm. Rustfritt stål virker slik: kromet danner en usynlig $\text{Cr}_2\text{O}_3$-film som beskytter stålet under. Anodisering av aluminium bygger på samme idé.

La oss se nærmere på offeranoden på et stålskip. Sink har $E°(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76$ V, lavere enn jernets $-0{,}44$ V, så sinken er mer uedel og oksideres i stedet for stålet: $\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^-$. Stålet blir katode, der oksygen reduseres, og forblir uskadd. Blokkene må inspiseres jevnlig og byttes når 50-75 % er forbrukt, typisk hvert 2.-5. år.

Oppsummering

Vi har sett at korrosjon er en elektrokjemisk prosess der jern ruster ved at det oppstår små galvaniske celler: $\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-$ på anoden og $\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-$ på katoden. Korrosjon krever metall, oksygen og elektrolytt, og settes i fart av salt, sur pH, varme og galvanisk kontakt mellom ulike metaller.

Vi kan beskytte metall på tre måter: barrierebeskyttelse (maling, lakk, galvanisering, emalje), katodisk beskyttelse (offeranoder av sink eller magnesium, eller påtrykt strøm) og anodisk beskyttelse (passiverende oksidfilm, som i rustfritt stål). Offeranoden er et fint eksempel på hvordan galvanisk korrosjon kan vendes til vår fordel -- sinken ofrer seg fordi den er mer uedel enn jernet. Slik knytter hele kapittelet seg tilbake til spenningsrekken og de galvaniske cellene vi har studert.