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..[2]

Tindak balas berkait

Pengaratan besi ialah satu proses elektrokimia yang bermula dengan pemindahan elektron daripada besi kepada oksigen .[3] 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 + H2OFe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O2FeO(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-xOx/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.