La chimie de surface révèle des secrets corrosifs


surface-revele--secrets-.jpg" alt="Oberflächenchemie lüftet korrosive Geheimnisse" title="Poliertes Eisen, das Elektrolytlösungen ausgesetzt ist, zersetzt sich und bildet Eisenkarbonat- und Kalziumkarbonatfilme, wenn es Sauerstoff und einer heterogenen Mischung von Blutplättchen ausgesetzt wird. Bildnachweis: Mikhail Trought, Perrine-Gruppe. Nachdruck mit Genehmigung des Journal de chimie physique A.. Copyright 2021 American Chemical Society. « Largeur = » 800 « hauteur = » 530 « />

Le fer poli exposé à des solutions électrolytiques se décompose et forme des films de carbonate de fer et de carbonate de calcium lorsqu’il est exposé à l’oxygène et à un mélange hétérogène de plaquettes. Crédit photo : Mikhail Trought, Groupe Perrine. Réimprimé avec la permission de The Journal de chimie physique A. Copyright 2021 Société chimique américaine.

Il est facile de dire à l’œil nu que laisser un vieux clou sous la pluie rouillera. Ce qui nécessite des yeux perçants et un nez sensible en microscopie et en spectroscopie, c’est de regarder le fer se corroder et former de nouveaux minéraux, en particulier dans l’eau avec une pincée de sodium et de calcium.

Grâce à une nouvelle technique mise au point par des chimistes de la Michigan Technological University, les premières étapes de ce processus peuvent être examinées de plus près grâce à l’analyse de surface. L’équipe, dirigée par la professeure adjointe de chimie Kathryn Perrine, a récemment publié ses derniers travaux dans La de chimie physique A.

La principale découverte du groupe est que le cation en solution – des ions sodium ou calcium chargés positivement – affecte le type de films de carbonate qui se forment dans l’air, qui se compose d’oxygène atmosphérique et de dioxyde de carbone. L’exposition progressive à l’oxygène et au dioxyde de carbone crée des films de carbonate spécifiques au cation. Les hydroxydes de fer de formes et de morphologies diverses, sans exposition progressive à l’air, ne sont pas spécifiques du cation.

Une meilleure compréhension de ce processus et de la rapidité avec laquelle les minéraux se forment offrent des possibilités de surveiller la capture du carbone, les sous-produits de la qualité de l’eau et d’améliorer la gestion des infrastructures pour les anciens ponts et canalisations.

Les méthodes deviennent interdisciplinaires

Bien que la rouille et les minéraux ferreux associés soient une partie bien connue de la vie à la surface de la terre, les environnements dans lesquels ils se forment sont assez complexes et diversifiés. La rouille se compose généralement d’oxydes de fer et d’hydroxydes de fer, mais la corrosion peut également conduire à la formation de carbonate de fer et d’autres minéraux. Pour l’une ou l’autre forme, il est difficile de comprendre les meilleures conditions pour la prévenir ou la cultiver. Perrine cite des problèmes environnementaux majeurs tels que la crise de l’eau de Flint comme exemple de la façon dont quelque chose d’aussi simple que la rouille peut si facilement se transformer en réactions hors ligne plus compliquées et indésirables.







Les interactions entre le fer, l’eau, l’oxygène et les ions deviennent rapidement complexes. L’étude de l’interface air-solution-solides est délicate, c’est pourquoi la chimiste Kathryn Perrine a dirigé une équipe pour développer une méthode plus précise en trois étapes pour la formation des minéraux de fer tels que la rouille. Crédit d’image: Republié avec la permission de The Journal de chimie physique A. Copyright 2021 Société chimique américaine.

« Nous voulons mesurer et découvrir des réactions chimiques dans des environnements réels », a déclaré Perrine, ajoutant que son équipe se concentre spécifiquement sur la chimie de surface, les couches minces et les films dans lesquels l’eau, le métal et l’air interagissent les uns avec les autres. « Nous avons besoin de beaucoup de [surface] Sensibilité dans nos outils d’analyse pour obtenir les bonnes informations afin que nous puissions vraiment dire quel est le mécanisme de surface et comment [iron] transformé. « 

L’étude de la science des surfaces des matériaux est intrinsèquement interdisciplinaire; De la science des matériaux à la géochimie, du génie civil à la chimie, Perrine voit son travail comme un pont qui aide d’autres disciplines à mieux éclairer leurs processus, modèles, interventions et innovations. Cela demande un haut niveau de précision et de sensibilité dans la recherche de votre groupe.

Bien qu’il existe d’autres méthodes de surveillance de la corrosion de surface et de la croissance du film, le laboratoire de Perrine utilise une approche de chimie de surface qui pourrait être adaptée pour analyser d’autres processus de réduction et d’oxydation dans des environnements complexes. Dans un certain nombre de publications, ils ont passé en revue leur processus en trois étapes : évaluer les changements dans la composition des électrolytes et utiliser l’oxygène et le dioxyde de carbone de l’air comme réactifs pour observer la formation en temps des divers minéraux observés au niveau de la couche air-liquide-solide. étaient l’interface.

Des mesures précises sont la lentille moléculaire de la chimie visuelle

Les techniques analytiques utilisées par l’équipe sont des techniques sensibles à la surface : spectroscopie infrarouge polarisée de réflexion-absorption (PM-IRRAS), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflexion totale atténuée (ATR-FTIR), spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et microscopie à force atomique. (AFM).

« La spectroscopie nous dit la chimie ; la microscopie nous indique les changements physiques », a déclaré Perrine. « C’est vraiment difficile de [image] ces expériences de corrosion [in real-time with AFM] car la surface change constamment et la solution change au cours de la corrosion. « 

Les images révèlent une séquence de piqûres, de mastication et de dégradation de la surface connue sous le nom de corrosion qui crée des sites de nucléation pour la croissance minérale. L’essentiel est d’observer les étapes initiales en fonction du temps.

« Nous pouvons observer la corrosion et la croissance du film en fonction du temps. Le chlorure de calcium [solution] a tendance à corroder la surface plus rapidement parce que nous avons plus d’ions chlorure, mais aussi un taux de formation de carbonate plus rapide », a déclaré Perrine, ajoutant que vous pouvez voir une solution de chlorure de sodium corroder la surface du fer dans une vidéo que son laboratoire a enregistrée progressivement et continue de rouiller au fur et à mesure que la solution sèche.

Elle ajoute que le fer étant omniprésent dans les systèmes environnementaux, ralentir et surveiller de près la formation minérale nécessite d’ajuster les variables de sa conversion en différentes solutions et de son exposition à l’air.

L’approche de catalyse de surface de l’équipe aide les chercheurs à mieux comprendre les sciences fondamentales de l’environnement et d’autres types de processus de surface. L’espoir est que leur méthode pourrait aider à découvrir les mécanismes qui contribuent à la pollution de l’eau, trouver des moyens de réduire le dioxyde de carbone, empêcher les ponts de s’effondrer et inspirer des conceptions plus intelligentes et des carburants plus propres, ainsi qu’un aperçu plus approfondi des processus géochimiques de la terre.


La recherche avec la tomographie par sonde atomique montre des fissures dans les cristaux de fer qui peuvent « guérir »


Plus d’information:
Chathura de Alwis et al., Effet des cations sur l’oxydation et la corrosion atmosphérique des interfaces du fer avec les minéraux, La revue de chimie physique A (2021). DOI : 10.1021 / acs.jpca.1c06451

Fourni par l’Université technologique du Michigan

Citation: Surface Chemistry Reveals Corrosive Secrets (2021, 13 octobre), consulté le 13 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-surface-chemistry-reveals-corrosive-secrets.html

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