สนิมหรือคราบสนิม เกิดจากอะไร?

          สนิมหรือคราบสนิม (Rust) เกิดจากการเปลี่ยนสภาพไปจากเดิมของโลหะ เนื่องจากได้รับปฎิกิริยาที่เกิดขึ้นในที่ที่มี อากาศ น้ำ ความร้อน และกรด ทำให้โลหะนั้นมีสภาพและคุณสมบัติที่แตกต่างไปจากเดิม เช่น สีแดง และความทนทานความแข็งแรงที่ลดลง โดยจะเกิดขึ้นที่พื้นผิวของโลหะและสามารถหลุดออกได้ง่าย สนิมเกิดขึ้นโดยกระบวนการผุกร่อนของโลหะ ตัวอย่างที่เราเห็นบ่อยๆ ได้แก่ เหล็ก เป็นต้น การผุกร่อน (Corrosion) หรือสนิม เป็นเรื่องที่คู่กับโลหะ ซึ่งเป็นกระบวนการธรรมชาติโดยทั่วไปของการเสื่อมสภาพของโลหะซึ่งสังเกตุได้ในชีวิตประจำวัน คือโลหะสัมผัสกับอากาศและความชื้น

หัวใจสำคัญของการกัดกร่อนของโลหะ

          ปัจจัยหลักที่จะทำให้เกิดการกัดกร่อนของโลหะ ได้แก่ น้ำหรือความชื้นและออกซิเจนในอากาศ โดยกระบวนการเกิดสนิมสามารถอธิบายได้ด้วยสมการไฟฟ้าเคมี โดยแบ่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในแต่ละขั้วไฟฟ้าดังนี้

ขั้วแอโนด (anode)

เมื่อน้ำหรือความชื้นสัมผัสกับเหล็ก เหล็กจะเกิดการจ่ายอิเล็กตรอน ดังสมการ

Fe(s) → Fe2+(aq) + 2e

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าในขั้วแอโนดนี้ เหล็กจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) จ่ายอิเล็กตรอนออกไป ทำให้ เหล็กในสถานะที่เป็นของแข็งเปลี่ยนสภาพผุพังไปเป็นไอออนหรือเป็นสารประกอบออกไซด์

ขั้วแคโทด (cathode)

เกิดการรับอิเล็กตรอนของน้ำและอากาศจนเกิดเป็นไฮดรอกไซด์ไอออนขึ้น ดังสมการ

2O2(g) + 4H2O(l) + 8e – → 8OH- (aq)

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าในขั้วแคโทดนี้ เป็นการเกิดปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction) โดยน้ำและออกซิเจนในอากาศรับอิเล็กตรอน ให้ผลิตภัณฑ์เป็นไฮดรอกไซด์ไอออน หลังจากนั้นผลิตภัณฑ์จากขั้วแอโนดและขั้วแคโทด ได้แก่ ไฮดรอกไซด์และเหล็กไอออน จะรวมกันเกิดเป็นสนิม เหล็ก สรุปได้ว่าสนิมจะเกิดขึ้นเมื่อเหล็กหรือโลหะสัมผัสกับอากาศร่วมกับความชื้น ดังสมการ

4Fe2+(aq) + 8OH- (aq) → 4Fe(OH)2(s)

4Fe(OH)2(s) + O2(g) → 2Fe2O3⸱2H2O(s) (สนิมเหล็ก) + H2O(l)

เครื่องมือและหลักการที่ใช้วิเคราะห์

          การที่ชิ้นงานหรือวัสดุต่างๆเปลี่ยนสภาพหรือเสื่อมสภาพลงจากปัจจัยแวดล้อม ทั้งภาวะแวดล้อมและการใช้งาน ส่วนหนึ่งเกิดจากปัจจัยหลักที่สามารถพบเจอได้ คือ การกัดกร่อนที่สร้างความเสียหายทั้งรูปลักษณ์และโครงสร้างทางกายภาพที่กร่อนสลาย โดยเครื่องมือวิเคราะห์พื้นผิว X-ray Photoelectron Spectroscopy หรือ XPS เป็นการวิเคราะห์และศึกษาคุณสมบัติบริเวณพื้นผิวของวัสดุที่ความลึกระดับ 3 ถึง 10 นาโนเมตร โดยอาศัยหลักการจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค (Photoelectric effect) โดยการฉายรังสีเอกซ์ลงบนพื้นผิวของวัสดุหรือตัวอย่าง หากค่าพลังงานของรังสีเอกซ์มากกว่าค่าพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy: BE) ของอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นองค์ประกอบของตัวอย่าง อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นให้หลุดออกจากอะตอมและพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นเรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron) เทคนิคนี้สามารถระบุได้ทั้งชนิดและปริมาณของธาตุ รวมถึงระบุสถานะทางเคมีของธาตุที่เป็นองค์ประกอบบริเวณพื้นผิวของวัสดุได้ซึ่งเป็นการทดสอบเพื่อพิสูจน์หาสารปนเปื้อนบนพื้นผิววัสดุหรือประเมินความสามารถในการต้านการกัดกร่อนของการทำผิวเคลือบบนวัสดุต่างๆ เช่น การเคลือบด้วยสี หรือการเคลือบด้วยกรรมวิธีทางเคมี–ไฟฟ้า ที่ใช้งานแพร่หลาย เช่น ซิงค์นิกเกิล โครเมียม เป็นต้น โดยผลการทดสอบหาคราบสนิมบนพื้นผิวของวัสดุด้วยเทคนิค XPS ที่วิเคราะห์ได้จะเป็นสเปกตรัมแบบ survey scan และ region scan พร้อมทั้งบอกปริมาณของธาตุที่ตรวจพบ ดังภาพที่ 1 และ 2 ตามลำดับ โดยสเปกตรัมของ XPS นั้นจะวัดปริมาณของความเข้ม (peak intensity) และตำแหน่ง (peak position) ซึ่งความเข้มจะบอกถึงปริมาณของวัสดุที่อยู่บนพื้นผิว ในขณะที่ตำแหน่งจะบ่งบอกถึงองค์ประกอบของธาตุและสถานะทางเคมีซึ่งจากผลการวิเคราะห์พบว่าปรากฎพีคของสนิมเหล็กอยู่ในรูปของ Fe2O3 คิดเป็นเปอร์เซ็นต์ของจำนวนอะตอมเท่ากับ 26.50% จากเหล็ก (Fe 2p) ที่มีอยู่บริเวณพื้นผิวตัวอย่าง

ภาพที่ 1 XPS สเปกตรัมแบบ Survey scan ของตัวอย่างที่มีการปนเปื้อนสนิมบนพื้นผิว

ภาพที่ 2 XPS สเปกตรัมแบบ Region scan ของธาตุเหล็ก (Fe 2p)