Tại sao kim loại lại rỉ sét còn nhựa thì không là một chất hóa học quen thuộc hàng ngày xuất hiện trên xe đạp, ô tô, dụng cụ làm vườn và đồ dùng nhà bếp. Từ các vảy màu nâu đỏ trên thép cho đến các bộ phận bằng nhựa vẫn sáng bóng ngay bên cạnh, sự khác biệt nằm ở sự ăn mòn hóa học, quá trình oxy hóa và độ ổn định đặc biệt của polyme.
Tại sao kim loại và nhựa không bị rỉ sét: Ý tưởng cốt lõi
Trong hóa học hàng ngày, rỉ sét, ăn mòn và oxy hóa có liên quan với nhau nhưng khác biệt và “tại sao kim loại rỉ sét và nhựa thì không” phụ thuộc vào việc phân biệt chúng một cách rõ ràng. Rỉ sét là oxit sắt màu nâu đỏ hình thành khi sắt hoặc thép phản ứng với oxy và nước theo thời gian.
Ăn mòn là một quá trình rộng hơn trong đó các vật liệu, đặc biệt là kim loại, bị hư hỏng do các phản ứng hóa học hoặc điện hóa với môi trường của chúng. Quá trình oxy hóa là loại phản ứng cụ thể trong đó một chất mất electron và nó thường gây ra sự ăn mòn và rỉ sét.
Cụm từ “tại sao kim loại rỉ sét còn nhựa thì không” cũng phản ánh rằng chỉ có sắt và hợp kim của nó mới thực sự rỉ sét, mặc dù nhiều vật liệu bị ăn mòn hoặc xuống cấp theo những cách khác. Nhôm, đồng và kẽm ăn mòn bằng cách hình thành các oxit và hợp chất của chính chúng, nhưng không bị rỉ sét.
Nhựa và các polyme khác tránh được rỉ sét hoàn toàn, tuy nhiên chúng vẫn bị lão hóa, nứt và phai màu dưới ánh sáng mặt trời, điều này được coi là sự xuống cấp hơn là ăn mòn kim loại thông thường.
Kim loại rỉ sét như thế nào: Hóa học ăn mòn
Hiểu lý do tại sao kim loại rỉ sét và nhựa không bắt đầu từ tính chất hóa học của sắt trong không khí ẩm. Khi sắt hoặc thép tiếp xúc với nước và oxy, các nguyên tử sắt trên bề mặt sẽ mất electron trong phản ứng oxy hóa.
Những electron đó di chuyển qua các màng ẩm mỏng đến các khu vực lân cận nơi có oxy và oxy thu được các electron trong phản ứng khử. Cùng nhau, chúng tạo thành một tế bào điện hóa nhỏ trên bề mặt kim loại.
Kết quả cuối cùng là các oxit sắt (III) ngậm nước, bị rỉ sét, giòn, bong tróc và gắn lỏng lẻo. Vì rỉ sét không bám chặt nên bong ra, lộ ra lớp sắt mới bên dưới.
Sắt tươi sau đó cũng bị oxy hóa, vì vậy quá trình này lặp lại miễn là có đủ nước và oxy. Muối làm tăng tốc độ rỉ sét bằng cách làm cho độ ẩm dẫn điện tốt hơn, đó là lý do tại sao sắt rỉ sét nhanh hơn khi ở gần biển hoặc trên những con đường được xử lý bằng muối làm tan băng.
Những ví dụ hàng ngày củng cố lý do tại sao kim loại rỉ sét còn nhựa thì không. Khung xe đạp bằng thép có thể bị rỉ sét khi lớp sơn bị sứt mẻ, trong khi bàn đạp bằng nhựa hoặc vỏ cáp vẫn còn nguyên.
Dụng cụ làm vườn bằng kim loại để ngoài trời có thể mất độ bền và có bề mặt thô ráp, màu nâu cam, trong khi tay cầm bằng nhựa thường bị phai màu hoặc nứt hơn là rỉ sét.
Tại sao một số kim loại bị rỉ sét và những kim loại khác dường như không bị rỉ sét
Một sắc thái quan trọng trong các cuộc thảo luận về lý do tại sao rỉ sét kim loại và nhựa thì không như vậy là kim loại sẽ hoạt động khác đi khi lớp oxit của chúng hình thành. Sắt tạo ra một oxit (rỉ sét) xốp, không bảo vệ được kim loại bên dưới. Lớp bị ăn mòn bong ra, do đó kim loại mới liên tục lộ ra và hư hỏng.
Ngược lại, các kim loại như nhôm và crom tạo thành các oxit mỏng, đậm đặc và liên kết chặt chẽ với bề mặt. Những màng oxit bảo vệ này đóng vai trò là rào cản đối với oxy và độ ẩm, làm chậm quá trình ăn mòn.
Thép không gỉ có chứa crom tạo ra lớp oxit tự phục hồi, đó là lý do tại sao bồn rửa và thiết bị không gỉ hiếm khi xuất hiện vết rỉ sét màu đỏ cổ điển thường thấy trên thép thông thường. Những kim loại này bị oxy hóa, nhưng oxit của chúng có chức năng như lá chắn.
Sự khác biệt này thể hiện ở những chi tiết nhỏ hàng ngày hỗ trợ ý tưởng rộng hơn về lý do tại sao kim loại lại rỉ sét còn nhựa thì không. Một lon nhôm để bên ngoài xỉn màu nhưng vẫn giữ được cấu trúc. Một chiếc đinh bằng thép nhẹ trong cùng điều kiện thường có biểu hiện rỉ sét rõ ràng và có thể yếu đi hoặc gãy. Cả hai đều oxy hóa, nhưng lớp oxit của chúng hoạt động khác nhau.
Tại sao kim loại và nhựa không bị gỉ: Vai trò của polyme
Cốt lõi tại sao kim loại lại rỉ sét và nhựa không nằm ở việc nhựa được làm từ gì. Nhựa thường là các chuỗi cacbon và hydro dài, đôi khi có các nguyên tố khác, được sắp xếp dưới dạng polyme.
Những chuỗi này không chứa sắt nên chúng không thể tạo ra oxit sắt, đó là chất đặc biệt của bệnh gỉ sắt. Rust được buộc vào sắt; không có sắt thì không có rỉ sét.
Cách liên kết polyme cũng làm cho chúng tương đối ổn định trong nhiều điều kiện hàng ngày. Các electron của chúng không được tự do chuyển động giống như trong kim loại, vì vậy các quá trình điện hóa gây ra rỉ sét trên sắt không diễn ra trên nhựa.
Điều này không làm cho nhựa không thể bị phá hủy, nhưng nó giải thích tại sao kim loại bị gỉ và nhựa không bị bong tróc theo kiểu màu nâu đỏ quen thuộc.
Vì nhựa không bị rỉ sét nên chúng thường được chọn cho các ứng dụng mà rỉ sét có thể gây ra vấn đề nghiêm trọng. Các phụ kiện đường ống nhựa, bàn ghế ngoài trời và nhiều tấm thân xe hoặc các chi tiết trang trí tận dụng đặc tính này.
Các nhà thiết kế thường dựa vào nguyên tắc rằng kim loại và nhựa không làm giảm việc bảo trì và tránh ăn mòn rõ ràng.
Nhựa xuống cấp thay vì rỉ sét như thế nào
Mặc dù kim loại rỉ sét còn nhựa thì không, nhựa vẫn bị phân hủy. Thay vì bị ăn mòn như kim loại, polyme thường bị phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt, oxy và hóa chất.
Bức xạ tia cực tím (UV) từ ánh sáng mặt trời có thể phá vỡ liên kết hóa học trong chuỗi polymer, dẫn đến các mảnh ngắn hơn, mất tính linh hoạt và bề mặt bị phấn hóa. Theo thời gian, điều này làm cho nhựa trở nên giòn và dễ bị nứt.
Nhiệt và oxy cũng góp phần làm thoái hóa polyme. Ở nhiệt độ cao hơn, dây chuyền nhựa có thể phản ứng chậm với oxy, gây ra sự đổi màu và mất độ bền.
Một số hóa chất, dung môi, dầu hoặc tác nhân oxy hóa mạnh có thể tấn công các loại nhựa cụ thể, gây phồng rộp hoặc nứt hơn là các sản phẩm phân lớp thường thấy trên sắt rỉ.
Những mẫu này rất dễ nhận thấy trên các đồ vật hàng ngày chứng tỏ tại sao kim loại lại rỉ sét và nhựa lại không bị rỉ sét theo những cách khác nhau. Ghế nhựa ngoài trời có thể không phát triển các vết rỉ sét, nhưng sau một vài mùa hè, chúng có thể bị phai màu và nứt nẻ. Bảng điều khiển ô tô có thể trở nên giòn hoặc mất màu mặc dù chúng không bao giờ có dấu hiệu rỉ sét.
Biết tại sao kim loại rỉ sét và nhựa không quan trọng đối với các lựa chọn trong thế giới thực
Tại sao kim loại lại rỉ sét và nhựa không chỉ là một chủ đề trong lớp học; nó định hình các lựa chọn về độ bền, chi phí và tác động đến môi trường.
Kim loại có thể bị ăn mòn đến mức hư hỏng, dẫn đến lan can rỉ sét, cầu yếu hoặc đường ống bị rò rỉ cần sửa chữa hoặc thay thế. Nhựa tránh rỉ sét nhưng vẫn tồn tại trong thời gian dài trong các bãi chôn lấp và môi trường tự nhiên, bởi vì độ ổn định giúp chúng không bị rỉ sét cũng làm chậm quá trình phân hủy của chúng.
Việc nhìn thấy một dụng cụ rỉ sét bên cạnh một tay cầm bằng nhựa bạc màu sẽ cho thấy sự đánh đổi đằng sau lý do tại sao kim loại lại rỉ sét còn nhựa thì không. Kim loại có biểu hiện ăn mòn rõ rệt khiến nó yếu đi, trong khi polyme vẫn giữ được hình dạng cơ bản ngay cả khi nó mất đi tính linh hoạt.
Việc lựa chọn giữa kim loại chắc chắn, có thể tái chế nhưng dễ bị rỉ sét và nhựa chống ăn mòn nhưng bền bỉ luôn đòi hỏi sự cân bằng này.
Bằng cách hiểu lý do tại sao kim loại bị rỉ sét và nhựa không bị oxy hóa, ăn mòn và độ ổn định của polyme, việc dự đoán các vật dụng hàng ngày sẽ già đi như thế nào và thiết kế hoặc lựa chọn vật liệu hoạt động tốt hơn theo thời gian sẽ trở nên dễ dàng hơn.
Câu hỏi thường gặp
1. Thép không gỉ có bị rỉ sét không?
Thép không gỉ có thể bị gỉ nếu lớp oxit crom bảo vệ của nó bị hư hỏng hoặc nếu nó tiếp xúc với các điều kiện rất khắc nghiệt (như clorua hoặc axit mạnh) trong thời gian dài. Tuy nhiên, nhìn chung nó có khả năng chống gỉ tốt hơn nhiều so với thép thông thường.
2. Kim loại đã sơn có còn rỉ sét bên dưới lớp sơn không?
Đúng. Nếu sơn bị sứt mẻ, nứt hoặc sơn kém, hơi ẩm và oxy có thể tiếp cận kim loại và rỉ sét có thể bắt đầu bên dưới lớp phủ. Đây là lý do tại sao kim loại sơn bị trầy xước hoặc phồng rộp thường biểu hiện sự ăn mòn tiềm ẩn.
3. Có cách nào để nhựa dẫn điện như kim loại không?
Một số loại nhựa có thể được làm dẫn điện bằng cách thêm cacbon, bột kim loại hoặc các polyme dẫn điện đặc biệt. Chúng vẫn không rỉ sét nhưng có thể mang dòng điện cho các ứng dụng như bộ phận chống tĩnh điện hoặc thiết bị điện tử dẻo.
4. Tại sao một số loại nhựa lại có mùi hoặc đổi màu khi đun nóng?
Nhiệt có thể gây ra những thay đổi hóa học ở quy mô nhỏ hoặc giải phóng các chất phụ gia bị giữ lại trong nhựa, dẫn đến sự đổi màu và mùi hôi. Đây là dấu hiệu sớm của sự thoái hóa do nhiệt và oxy hóa chứ không phải rỉ sét.
Nguồn ScienceTimes