Karat

Warna dan tekstur permukaan poros karat

Karat atau tahi besi terdiri daripada besi oksida iaitu bahan merah keperangan terbentuk oleh tindak balas besi/ferum yang didedahkan dengan oksigen dengan kehadiran air atau kelembapan udara. Lain-lain bentuk karat wujud, seperti hasil tindak balas antara besi dan klorida dalam persekitaran yang kekurangan oksigen - rebar yang digunakan dalam tiang konkrit bawah air ialah contoh yang menghasilkan karat hijau. Beberapa bentuk karat dibezakan melalui penglihatan dan melalui spektroskopi, dan terbentuk di bawah keadaan yang berlainan. Karat terdiri daripada ferum(III) oksida, Fe₂O₃·nH₂O terhidrat dan ferum(III) oksida-hidroksida, FeO(OH)·Fe(OH)₃.

Pada masa yang tertentu, oksigen dan air akan menyebabkan sebarang besi bertukar sepenuhnya menjadi karat dan hancur. Permukaan karat adalah tidak stabil dan rapuh, dan tidak memberikan perlindungan pada besi asas, tidak seperti pembentukan patina pada permukaan tembaga. Berkarat ialah istilah yang biasa bagi karat besi dan aloi, seperti besi keluli. Banyak logam lain mengalami pengaratan yang sama, tetapi oksida yang terhasil biasanya tidak dipanggil karat.

Tindak balas kimia

Karat tebal pada sambungan rantai berhampiran Jambatan Golden Gate di San Francisco; ia berterusan terdedah kepada lembapan dan percikan air laut masin, menyebabkan permukaan logam terurai, merekah, dan mengelupas.

Pengoksidaan bagi logam besi

Apabila besi tuang terdedah kepada air, oksigen, atau pengoksida kuat yang lain, atau asid, ia berkarat. Jika garam hadir, contohnya dalam air laut atau percikan garam, besi cenderung untuk berkarat dengan lebih cepat, hasil daripada tindak balas elektrokimia. Besi ialah logam yang agak tidak terjejas oleh air tulen atau oleh oksigen kering. Sebagaimana logam lain, seperti aluminium, lapisan oksida membentuk lapisan pasif yang ketat, melindungi besi pukal daripada pengoksidaan lanjut. Penukaran lapisan oksida besi pasif kepada karat terhasil daripada tindakan gabungan dua agen, biasanya oksigen dan air.

Lain-lain larutan pengurai ialah sulfur dioksida dalam air dan karbon dioksida di dalam air. Di bawah keadaan yang menghakis ini, sejenis hidroksida besi terbentuk. Tidak seperti oksida besi, hidroksida tidak melekat pada logam pukal. Ketika ia terbentuk dan mengelupas dari permukaan, permukaan besi baru terdedah, dan proses hakisan berterusan sehingga sama ada semua besi dimakan atau semua oksigen, air, karbon dioksida, atau sulfur dioksida di dalam sistem dikeluarkan atau digunakan..

Tindak balas berkait

Pengaratan besi ialah satu proses elektrokimia yang bermula dengan pemindahan elektron daripada besi kepada oksigen . Besi ialah agen penurunan (mendermakan elektron) manakala oksigen ialah agen pengoksidaan (menerima elektron). Kadar hakisan dipengaruhi oleh air dan dipercepat oleh elektrolit, seperti yang ditunjukkan oleh kesan garam jalan raya pada hakisan kereta. Tindak balas utama ialah penurunan oksigen:

O₂ + 4e^- + 2H₂O → 4OH^-

Kerana ia membentuk ion hidroksida, proses ini amat dipengaruhi oleh kehadiran asid. Malah, kakisan kebanyakan logam oleh oksigen dipercepat pada pH rendah. Pengoksidaan besi yang membekalkan elektron bagi tindak balas di atas boleh dihuraikan seperti berikut:

Fe → Fe²⁺ + 2e^-

Tindak balas redoks berikut juga berlaku dengan kehadiran air dan adalah penting bagi pembentukan karat:

4Fe²⁺ + O₂ → 4Fe³⁺ + 2O²⁻

Di samping itu, tindak balas asid-bes berperingkat berikut mempengaruhi proses pembentukan karat:

Fe²⁺ + 2H₂O ⇌ Fe(OH)₂ + 2H⁺

Fe³⁺ + 3H₂O ⇌ Fe(OH)₃ + 3H⁺

sama juga ekualibra penyahlembapan berikut:

Fe(OH)₂ ⇌ FeO + H₂O

Fe(OH)₃ ⇌ FeO(OH) + H₂O

2FeO(OH) ⇌ Fe₂O₃ + H₂O

Daripada persamaan di atas, dapat dilihat bahawa produk hakisan ditentukan oleh kehadiran air dan oksigen. Dengan kehadiran oksigen terlarut yang terbatas, bahan yang mengandungi besi (II) diutamakan, termasuk besi (II) oksida-FeO dan batu magnet hitam atau magnetit (Fe₃O₄). Kepekatan oksigen tinggi cenderung kepada bahan ferik dengan formula nominal Fe(OH)_3-xO_x/2. Sifat karat berubah dengan masa, mencerminkan kadar perlahan tindak balas pepejal.

Tambahan pula, proses yang rumit ini dipengaruhi oleh kehadiran ion lain, seperti Ca²⁺, kedua-duanya bertindak sebagai elektrolit, dan dengan itu mempercepatkan pembentukan karat, atau bergabung dengan hidroksida dan oksida besi untuk mencetuskan pelbagai jenis Ca-Fe-O-OH.

Permulaan pengaratan juga dapat dikesan di makmal dengan menggunakan larutan penunjuk Ferroxyl. Larutan ini mengesan kedua-dua ion Fe²⁺ dan hidroksil. Pembentukan ion Fe²⁺ dan ion hidroksil ditunjukkan oleh tompok biru dan merah jambu masing-masing.

Perlindungan

Oleh kerana penggunaannya yang meluas dan kepentingan produk besi dan keluli, pencegahan atau pemerlahanan karat ialah satu asas aktiviti ekonomi utama bagi beberapa teknologi khusus. Satu gambaran ringkas mengenai beberapa kaedah dibentangkan di sini, bagi liputan terperinci, lihat artikel rujukan silang.

Karat adalah telap air dan udara, dengan itu logam besi dalaman di bawah lapisan karat terus terhakis. Oleh itu, pencegahan karat memerlukan lapisan yang menghalang pembentukan karat.

Aloi tahan karat

Lihat juga: keluli tahan karat dan keluli luluhawa

Keluli tahan karat membentuk lapisan pasif kromium (III) oksida. Tingkah laku pasif yang sama berlaku dengan magnesium, titanium, zink, zink oksida, aluminium, polyaniline, dan lain-lain polimer konduktif electroaktif.

Aloi "keluli luluhawa" khas seperti "Cor-Ten" berkarat pada kadar yang lebih perlahan berbanding biasa, kerana karat melekat pada permukaan logam pada lapisan perlindungan. Reka bentuk menggunakan bahan ini mesti termasuk langkah-langkah yang mengelakkan pendedahan kes terburuk, kerana bahan masih terus berkarat perlahan-lahan walaupun dalam keadaan yang hampir ideal.

Galvanisasi

Rencana utama: galvanisasi

Karat dalaman dalam paip air besi galvanis lama boleh menyebabkan air perang dan hitam.

Galvanisasi terdiri daripada sepuhan pada objek untuk dilindungi dengan lapisan logam zink sama ada melalui galvanisasi celup panas atau penyaduran. Zink secara tradisional digunakan kerana ia adalah murah, melekat dengan baik pada keluli, dan menyediakan katod perlindungan bagi permukaan keluli dalam kes kerosakan lapisan zink. Dalam persekitaran yang lebih menghakis (seperti air garam), penyaduran kadmium merupakan pilihan utama. Galvanisasi sering gagal pada sambungan, lubang, dan sendi di mana terdapat ruang pada lapisan. Dalam kes ini, salutan masih boleh memberikan tahap perlindungan katod separa untuk besi, dengan bertindak sebagai anod galvani dan mengarat sendiri dan bukan logam asas yang dilindunginya. Lapisan perlindungan zink digunakan melalui tindakan ini, dan dengan itu galvanisasi memberikan perlindungan hanya untuk tempoh masa yang terhad.

Lapisan yang lebih moden menambah aluminium pada lapisan sebagai 'zink alume'; aluminium akan berhijrah untuk menutup calar dan dengan itu memberi perlindungan untuk tempoh yang lebih lama. Pendekatan-pendekatan ini bergantung kepada oksida aluminium dan zink melindungi semula permukaan yang tercalar, dan bukannya pengoksidaan sebagaimana anod korban seperti dalam lapisan tergalvani tradisional. Dalam beberapa kes, seperti persekitaran yang sangat agresif atau reka bentuk hayat yang panjang, kedua-dua zink dan saduran boleh digunakan untuk memberi perlindungan kakisan dipertingkatkan.

Perlindungan katod

Rencana utama: Perlindungan katod

Perlindungan katod adalah teknik yang digunakan untuk menghalang kakisan pada struktur ditanam atau tenggelam dengan membekalkan caj elektrik yang menahan reaksi elektro-kimia. Jika digunakan dengan betul, kakisan boleh dihentikan sepenuhnya. Dalam bentuk yang paling mudah, ia dicapai dengan melekatkan anod korban, dan dengan itu menjadikan besi atau keluli sebagai katod dalam sel yang terbentuk. Anod korban mesti dibuat dari sesuatu dengan keupayaan elektrod lebih negatif daripada besi atau keluli, biasanya zink, aluminium, atau magnesium. Anod korban akhirnya akan habis mengakis, menghentikan tindakan pelindung melainkan jika ia digantikan dengan cara yang tepat pada masanya.

Perlindungan katod juga boleh disediakan dengan menggunakan alat elektrik khusus sewajarnya bagi memberikan cas elektrik yang bersesuaian.

Selaput dan cat

Cat terkopek, mendedahkan tompokan permukaan berkarat pada kepingan logam.

Pembentukan karat boleh dikawal dengan lapisan, seperti cat, lakuer, atau varnis yang mengasingkan besi dari alam sekitar. Struktur yang besar dengan bahagian kotak tertutup, seperti kapal dan kereta moden, sering mempunyai produk berasaskan lilin (teknikal "minyak berkocak") disuntik ke dalam bahagian-bahagian ini. Rawatan tersebut biasanya juga mengandungi perencat karat. Menutup keluli dengan konkrit boleh memberikan sedikit perlindungan kepada keluli kerana persekitaran alkali pH pada permukaan keluli-konkrit. Walau bagaimanapun keluli berkarat dalam konkrit masih boleh menjadi masalah, kerana karat mengembang boleh meretak atau perlahan-lahan "meletup" konkrit dari dalam.

Sebagai contoh yang berkait, batang besi telah digunakan untuk mengukuhkan pemulihan bangunan batu yang Parthenon di Athens, Greece, tetapi menyebabkan kerosakan meluas akibat karat, bengkak, dan menghancurkan marmar komponen bangunan .

Apabila hanya perlindungan sementara diperlukan untuk penyimpanan atau pengangkutan, lapisan nipis minyak, gris, atau campuran khas seperti Cosmoline boleh digunakan pada permukaan besi. Rawatan sedemikian digunakan meluas apabila "penyimpanan" armada kapal keluli, kereta, atau peralatan lain untuk simpanan jangka panjang.

Campuran pelincir khas anti-lekat boleh didapati, dan digunakan bagi benang logam dan permukaan mesin ketepatan lain bagi melindungi mereka daripada karat. Sebatian ini biasanya mengandungi minyak bercampur dengan tembaga, zink, atau serbuk aluminium, dan bahan-bahan proprietari yang lain.

Pembiruan ("Bluing")

Rencana utama: Pembiruan (keluli)

Pembiruan merupakan teknik yang boleh memberikan ketahanan terhad dari karat bagi peralatan keluli kecil, seperti senjata api; bagi ia berjaya, minyak pengganti air digosok pada keluli biru.

Perencat

Rencana utama: perencat karat

Perencat karat, seperti fasa-gas atau perencat meruap, boleh digunakan bagi menghalang karat dalam sistem tertutup. Ia tidak berkesan sekiranya kitaran udara menyebarkannya, dan membawa masuk oksigen dan kelembapan yang baru.

Kawalan kelembapan

Karat boleh dielakkan dengan mengawal kelembapan dalam atmosfera. Sebagai contoh adalah kegunaan paket gel silika bagi mengawal kelembapan bagi peralatan yang dihantar melalui laut.

Kesan Ekonomi

Keruntuhan jambatan Silver, sebagaimana dilihat dari sebelah Ohio.

Karat dikaitkan dengan kelusuhan peralatan dan struktur berasas besi. Oleh kerana karat mempunyai jumlah isipadu yang lebih tinggi berbanding besi asal, pembentukannya juga boleh menyebabkan kegagalan dengan memaksa bahagian bersebelahan berpisah - satu fenomena yang kadang-kadang dikenali sebagai "pembungkusan karat". Ia adalah punca keruntuhan jambatan sungai Mianus pada tahun 1983, apabila bearing berkarat dalaman menolak satu sudut bongkah jalan raya dari sokongan. Karat juga merupakan faktor penting dalam bencana Jambatan Perak 1967 di West Virginia, apabila keluli jambatan runtuh dalam masa kurang daripada satu minit, membunuh 46 pemandu dan penumpang di atas jambatan di masa.

Jambatan Kinzua selepas ia runtuh.

Jambatan Kinzua di Pennsylvania runtuh akibat tornado pada tahun 2003, sebahagiannya akibat pasak dasar tengahnya yang memegang struktur pada tanah telah berkarat, meninggalkan jambatan itu dipegang oleh graviti semata.

[[File:Qew bruecke nf beton kaputt 23 von 46.jpg|thumb|Rebar berkarat telah kebmang dan memecah konkrit pada permukaan sokongan konkrit diperkukuh. Konkrit diperkukuh juga lemah pada kerosakan karat. Tekanan dalaman disebabkan oleh pengaratan besi dan keluli yang diselitupi konkrit mampu menyebabkan konkrit serpih, menyebabkan beberapa masalah struktur teruk. Ia juga merupakan salah satu mod kegagalan biasa bagi jambatan dan bangunan konkrit diperkukuh.

Galeri

• 
  Rusted struts of the 70-year-old Nandu River Iron Bridge
• 
  Concentric rust patterns breaking through a painted surface
• 
  A leaking water pump caused severe corrosion of this engine block
• 
  Badly rusted abandoned railroad coaches in São Paulo, Brazil
• 
  Rusted pyrite cubes embedded in a stony matrix
• 
  Rusted (and dirt-encrusted) bolt, showing surface pitting and gradual shape deformation
• 
  Outdoors "Rust Wedge" display at the Exploratorium shows enormous expansive force of rusting iron
• 
  Rusted ship wreck of Maheno in Fraser Island, Australia.

Pautan luar

• Corrosion Cost A site dedicated to the study of economic impact of Corrosion
• corrosion case studies Analysis of corrosion
• Corrosion Doctors Rusting article
• Metal Corrosion Rust Diarkibkan 2009-08-15 di Wayback Machine What is Rust