สนิม (rust) เป็นโลหะส่วนที่มีการเปลี่ยนสภาพไปจากเดิม เนื่องจากได้รับปฏิกิริยาเคมีที่มีอากาศ น้ำ หรือความร้อนเป็นตัวการสำคัญทำให้โลหะมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเดิม เช่น สีที่เปลี่ยนไป มีความแข็งแรงลดลง และทำให้เกิดการผุกร่อน ตัวอย่างที่เราพบเห็นอยู่บ่อยๆ ได้แก่ เหล็ก
ปัจจัยในการเกิดสนิมในเหล็กกล้า
เนื่องจากเหล็กเป็นวัสดุนำไฟฟ้าอยู่แล้ว ยังมีสามปัจจัยที่เหลือคือ
- ขั้วบวก
- ขั้วลบ
- สารอีเลคโทรไลท์ ซึ่งสื่อนำประจุไฟฟ้า เช่น ออกซิเยน และ ความชื้น
โดยมีสูตรทางเคมีดังนี้
Fe + H2O + O2 = Fe2O3H2O
(เหล็ก+น้ำ+ออกซิเยนต์=สนิม)
อธิบายง่ายๆว่า สนิม คือผลลัพ ของกระบวนการทางเคมีและไฟฟ้าระหว่างเหล็กและสิ่งแวดล้อม เมื่อผิวเหล็ก ความชื้น และ ออกซิเยนต์ ได้มาบรรจบกัน
ปฏิกิริยาออกซิเดชันเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวส่วนหนึ่งของเหล็กทำหน้าที่เป็นแอโนด ดังสมการ
Fe(s) Fe2+(aq) + 2e–
ออกซิเจนถูกรีดิวซ์ที่ผิวอีกส่วนหนึ่งของเหล็กซึ่งทำหน้าที่เป็นแคโทด เมื่อมีน้ำอยู่ด้วย ดังสมการ
2O2 (g) + 4H2O(l) + 8e– 8OH–(aq)
และมีปฏิกิริยาต่อเนื่องต่อไปคือ
4Fe2+(aq) + 8OH–(aq) 4Fe(OH)2 (aq)
4Fe(OH)2 (aq) + O2 (g) 2Fe2O3.2H2O(s) + H2O(l)
Fe2O3.2H2O คือสนิมเหล็ก
1. สนิมทั่วไป
a. Flash rust (เกิดบนผิวเหล็กเปลือย)
b. Brush rust (เกิดบนผิวเหล็กที่มีการทาสีแล้ว)
2. สนิม Galvanic
เมื่อโลหะสองชนิดสัมผัสกัน โลหะที่ไวต่อการเกิดสนิมมากกว่า ซึ่งจะมีประจุเป็นลบ (anode) จะขึ้นสนิมก่อนโลหะที่มีประจุเป็นบวก (cathode)
3. สนิมหลุม
เมื่อเกิดสนิมปริมาณมากรวมอยู่ในพื้นที่แคบ
4. สนิมตามรอยแยก
เมื่อเกิดสนิมขึ้นในช่องแคบระหว่าง ชิ้นส่วนเล็กๆ เช่นระหว่าง เกลียวกับหัวหมุด
วิธีการป้องกันเหล็กไม่ให้เกิดสนิมมีอยู่หลายวิธี เช่น การเคลือบผิวเหล็ก เพื่อป้องกันมิให้เนื้อเหล็กสัมผัสกับน้ำและอากาศโดยตรง อาจทำได้หลายวิธี เช่น การทาสี การชุบด้วยโลหะ อาทิ ดีบุก สังกะสี วิธีนี้มักใช้กับชิ้นงานขนาดเล็กหรือกลาง อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของวิธีนี้คือ ผิวเคลือบชนิดนี้ สามารถหลุดออกได้ง่าย ทั้งทางกายภาพและเคมีซึ่งจะทำให้เนื้อเหล็กมีโอกาสสัมผัสกับบรรยากาศและเกิดสนิมขึ้น ยิ่งกว่านั้นผิวเคลือบบางชนิด เช่น ดีบุก ยังสามารถเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการเกิดสนิมให้เร็วขึ้นอีกด้วย
วิธีต่อมาคือการทำเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel) โดยการเติมธาตุอื่นๆ ที่สามารถทำให้เกิดชั้นฟิล์มบางๆ ขึ้นบนผิวเหล็ก เช่น โครเมียม นิกเกิล ธาตุเหล่านี้จะสร้างฟิล์มบางๆ ที่ติดแน่นบนผิวเหล็ก ช่วยป้องกันไม่ให้เนื้อเหล็กสัมผัสกับบรรยากาศโดยตรง ผิวเคลือบชนิดนี้มีความคงทนทั้งทางกายภาพและเคมี เหล็กกล้าไร้สนิมมีหลายเกรด แต่ละเกรดก็จะมีส่วนผสมที่ต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับความต้องการในการใช้งานแต่ละประเภท
ส่วนวิธีสุดท้ายคือ การใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อให้เหล็กมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าบริเวณใกล้เคียง ซึ่งจะทำให้เหล็กไม่เกิดการสูญเสียอิเลกตรอนและกลายเป็นสนิม วิธีนี้สามารถป้องกันการเกิดสนิมได้ในทุกสภาพแวดล้อม แต่มีค่าใช้จ่ายสูง และต้องอาศัยแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าซึ่งไม่สะดวกกับการโยกย้ายไปมา จึงเหมาะสมสำหรับโครงสร้างใหญ่ๆ ที่ต้องใช้งานในสภาพแวดล้อมที่เสี่ยงต่อการเกิดสนิมอย่างรุนแรง เช่น ท่อที่ฝังอยู่ใต้ดิน ท่อส่งน้ำมันใต้ทะเล เป็นต้น
แม้ปัจจุบันจะมีสารเคลือบสนิมแต่ก็ยังคงต้องหมั่นดูแลบ้านและเครื่องมือต่างๆที่เป็นเหล็กปราศจากสนิม ให้สามารถใช้งานได้ดีต่อไป
ขอบคุณข้อมูลจาก https://scimath.org/