Пасивизирање на метали

Сите производи направени од метали, освен благородните, под „поволни услови“ реагираат со кислород и вода, што резултира со корозија. Со пасивизарање, хемиската активност на металите се намалува, а тие стануваат помалку подложни на корозија. Можеме да кажеме дека пасивизирањето  е слична реакција како 'рѓосувањето и претставува  обложување на металите со тенок слој од оксид, фосфат, сулфат или хлорид,кој го заштитува металот од понатамошна оксидација!

Пасивизирањето, во физичката хемија и инженерството, се однесува на обложување на материјал, така што тој станува „пасивен“, односно помалку реактивен или  помалку подложен на корозија. Пасивизацијата (пасивација,пасивирање)вклучува создавање на надворешен слој на заштитниот материјал кој се нанесува како микрооблога, создаден со хемиска реакција со основниот материјал или е  добиен со спонтана оксидација во воздухот.

Пасивацијата се врши хемиски или електрохемиски. Во вториот случај, се создаваат услови кога јоните на заштитениот метал, под влијание на струјата, преминуваат во раствор кој содржи јони способни да формираат многу слабо растворливи соединенија.Кога металите „комуницираат“ со одредени компоненти на растворите  во одреден опсег на потенцијали, на површината на металот се формираат адсорпциски или фазни слоеви (филмови). Овие слоеви формираат густа, речиси непропустлива бариера, поради што корозијата е значително забавена или целосно запрена.

Во средината на 1800-тите, Christian Friedrich Schönbein открил дека кога парче железо се става во разредена азотна киселина, тоа ќе се раствори и произведува водород, но ако железото се стави во концентрирана азотна киселина и потоа се врати во разредена азотна киселина, малку или нема да има никаква реакција.

Шенбејн првата состојба ја нарекол активна состојба, а втората пасивна состојба. Ако пасивното железо го допре активното железо, тоа повторно станува активно. Или парче железо, потопено во концентрирана азотна киселина за кратко време, станува нерастворливо во сулфурна киселина и не истиснува метално сребро од раствор од сребрена сол, така што железото станало „поблагородно“ од среброто.

Кога се изложени на воздух, многу метали природно формираат тврд, релативно инертен површински слој, обично оксид (наречен „матичен оксиден слој“) или нитрид, кој служи како слој за пасивација. Во случај на сребро, темното оцрнување е пасивационен слој на сребрен сулфид формиран од реакција со сулфуроводород од околината.

2Ag + H₂S → Ag₂S + H₂

Спротивно на тоа, металите како што е железото лесно се оксидираат за да формираат груба порозна обвивка од 'рѓа која лабаво се залепува и лесно се вади, овозможувајќи понатамошна оксидација:

4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

Пасивациониот слој на оксид значително ја забавува понатамошната оксидација и корозија во воздухот на собна температура за алуминиум. берилиум, хром, цинк, титаниум и силициум (металоид-семиметал). Инертниот површински слој формиран со реакција со воздух има дебелина од околу 1,5 nm за силициум, 1-10 nm за берилиум и 1 nm  за титаниум, растејќи до 25 nm по неколку години. Слично на тоа, за алуминиум, тој расте до околу 5 nm по неколку години.Преминот од активна во пасивна состојба може да се постигне, покрај соодветните оксидирачки агенси, со анодна поларизација, односно металот да биде анода во електролитичката ќелија.

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

Има голем интерес за одредување на механизмите кои го регулираат зголемувањето на дебелината на оксидниот слој со текот на времето. Некои од важните фактори се волуменот на оксидот во однос на волуменот на основниот метал, механизмот на дифузија на кислород преку металниот оксид до основниот метал и релативниот хемиски потенцијал на оксидот. Границите помеѓу микро зрната, ако оксидниот слој е кристален, формираат важен пат за кислородот да стигне до неоксидираниот метал долу. Поради оваа причина, оксидните облоги - на кои им недостасуваат граници на зрната - може да ја забават оксидацијата.Условите неопходни, но не и доволни за пасивација се евидентирани во дијаграмите на Pourbaix. Некои инхибитори на корозија помагаат во формирањето на пасивационен слој на површината на металите на кои се нанесуваат. Некои соединенија, растворени во раствори (хромати, молибдати) формираат нереактивни и ниско растворливи филмови на металните површини.

Pourbaix дијаграм за железо

Во електрохемијата и поопшто во хемијата на растворите, Pourbaix дијаграм, исто така познат како дијаграм на потенцијал/рН, дијаграм EH-pH или дијаграм pE/pH, е график на можни термодинамички стабилни фази (т.е. при хемиска рамнотежа) на воден електрохемиски систем.

Алуминиумот природно формира тенок површински слој од алуминиум оксид при контакт со кислород во атмосферата преку процес наречен оксидација, кој создава физичка бариера за корозија или понатамошна оксидација во многу средини. Некои алуминиумски легури, сепак, не го формираат добро оксидниот слој и затоа не се заштитени од корозија. Постојат методи за подобрување на формирањето на оксидниот слој за одредени легури. На пример, пред да се складира водород пероксид во алуминиумски контејнер, садот може да се пасивизира со испирање со разреден раствор на азотна киселина и пероксид наизменично со дејонизирана вода. Мешавината на азотна киселина и пероксид  врши оксидација и ги раствора сите нечистотии на внатрешната површина на контејнерот, а дејонизираната вода ја исплакнува киселината и оксидираните нечистотии.

Al  не е само заштитен со елоксирањето, туку и разубавен.Сети се на лажиците од бабите какви беа!

Општо земено, постојат два главни начини за пасивирање на алуминиумските легури (не сметајќи ги позлатата, бојадисувањето и другите премази): премачкување со конверзија на хром и елоксирање. Алкализирањето, кое металуршки врзува тенки слоеви од чист алуминиум или легура на различна основна алуминиумска легура, не е строго пасивација на основната легура. Сепак, обложениот алуминиумски слој е дизајниран да спонтано го развива оксидниот слој и на тој начин да ја заштити основната легура.

Елоксирањето е електролитски процес кој формира подебел оксиден слој. Анодниот слој се состои од хидриран алуминиум оксид и се смета за отпорен на корозија и абразија. Оваа завршница е поцврста од другите процеси и исто така обезбедува електрична изолација, што другите два процеса можеби нема.

Премазот за конверзија на хром го претвора површинскиот алуминиум во алуминиум хроматен слој во дебелина од 250–1.000 nm. Облогите за конверзија на алуминиум хромат се аморфни по структура со состав сличен на гел, хидриран со вода. Конверзијата на хромат е вообичаен начин за пасивирање не само на алуминиумот, туку и на цинкот, кадмиумот, бакарот, среброто, магнезиумот и легурите на калај.

Железни материјали

Железните материјали, вклучително и челикот, може да бидат донекаде заштитени со поттикнување на оксидација („рѓа“) и потоа претворање на оксидoт во металофосфат со употреба на фосфорна киселина и додавање дополнителна заштита со површинско обложување. Бидејќи необложената површина е растворлива во вода, претпочитан метод е да се формираат соединенија на манган или цинк со процес познат како паркеризирање или конверзија на фосфат.

Нерѓосувачки челик

Не'рѓосувачките челици се отпорни на корозија, но не се целосно непропустливи на 'рѓосување. Пред пасивацијата, предметот мора да се исчисти од какви било загадувачи и потоа се става во кисела пасивирачка бања. Додека азотна киселина вообичаено се користи како киселина за пасивација за не'рѓосувачки челик, лимонската киселина се здобива со популарност бидејќи е многу помалку опасна за ракување, помалку токсична и биоразградлива, што го прави отстранувањето помал предизвик. Температурите на пасивирање може да се движат од амбиентална до 60 °C, додека минималните времиња на пасивација обично се 20 до 30 минути. По пасивацијата, деловите се неутрализираат со бања со воден натриум хидроксид, потоа се исплакнуваат со чиста вода и се сушат.  Процесот на пасивација го отстранува егзогеното железо, создава/обновува пасивен оксиден слој кој спречува понатамошна оксидација (рѓа) и ги чисти деловите од нечистотија, бигор или други соединенија генерирани со заварување (на пр. оксиди).

Титаниум

Површината на титаниум и легурите богати со титаниум оксидираат веднаш по изложувањето на воздух за да формираат тенок пасивационен слој од титаниум оксид, главно титаниум диоксид.

Ti + O₂ → TiO₂

Овој слој го прави отпорен на понатамошна корозија, настрана од постепеното растење на оксидниот слој, згуснување до ~ 25 nm по неколку години во воздух. Овој заштитен слој го прави погоден за употреба дури и во корозивни средини како што е морската вода. Титаниумот може да се анодизира за да се добие подебел слој за пасивација.

Никел

Никелот може да се користи за ракување со елементарен флуор, поради формирањето на пасивационен слој од никел флуорид. Овој факт е корисен во апликациите за третман на вода и третман на отпадни води.

Ni + F₂ → NiF₂

Силициум

Во областа на микроелектрониката и фотоволтаичните соларни ќелии, површинската пасивација обично се спроведува со термичка оксидација на околу 1000 °C за да се формира обвивка од силициум диоксид.

Si + O₂ → SiO₂

Во контекст на производството на полупроводнички уреди, како што се силициумските транзистори и соларни ќелии, површинската пасивација не се однесува само на намалување на хемиската реактивност на површината, туку и на елиминирање на висечки врски и други дефекти кои формираат електронски состојби на површината, кои ги нарушуваат перформансите на уредите. Површинската пасивација на силициумот обично се состои од термичка оксидација со висока температура.

Познавањето на процесите на пасивацијата помага  не само да да се зголеми животниот век и интегритетот на производите, туку е важно и за познавањето на техниките на чување и транспорт на хемикалии(киселини на пример)!

Истражи:дали оловото може да се пасивизира и каде има примена оваа реакција.