La ruggine è costituita da ossidi di ferro idrati Fe(OH)3, FeO(OH) e da Fe2O3·H2O che si formano sulle superfici di materiali di ferro esposti all’aria a seguito della corrosione.
La ruggine si forma di preferenza se il metallo è esposto all’aria umida o se è a contatto con l’acqua in un processo elettrochimico per reazione con acqua, ossigeno e un elettrolita. Un tasso di umidità nell’aria maggiore del 50% è sufficiente per fornire l’acqua necessaria alla corrosione del ferro
Reazioni
Il processo di formazione della ruggine inizia con l’ossidazione del ferro che avviene secondo la semireazione:
Fe(s) → Fe2+(aq) + 2 e–
La semireazione di riduzione avviene tra ioni H+ provenienti dalla dissociazione dell’acqua e l’ossigeno in essa disciolto:
4 H+(aq) + O2(aq) + 4 e– → 2 H2O(l)
La reazione complessiva è pertanto:
2 Fe(s) + 4 H+(aq) + O2(aq) → 2 Fe2+(aq) + 2 H2O(l)
In presenza di un’acqua acida ovvero se il pH è basso la reazione che avviene porta alla formazione di idrogeno gassoso:
Fe(s) + 2 H+(aq) → Fe2+(aq) + H2(g)
In entrambi i casi poiché vengono consumati nel processo ioni H+ il pH dell’acqua tende ad aumentare e conseguentemente la concentrazione degli ioni OH–. Questi ultimi reagiscono con Fe2+ per dare l’idrossido di ferro (II) poco solubile di colore verde:
Fe2+(aq) + 2 OH–(aq) → Fe(OH)2(s)
Lo ione Fe2+ reagisce anche con gli ioni H+ e ossigeno per dare ioni Fe3+ :
4 Fe2+(aq) + 4 H+(aq) + O2(aq) → 4 Fe3+(aq) + 2 H2O(l)
Gli ioni Fe3+ reagiscono con gli ioni OH– per dare idrossido di ferro (III):
Fe3+(aq) + 3 OH–(aq) → Fe(OH)3(s)
L’idrossido di ferro (III) si presenta poroso e si trasforma in nella forma cristallina Fe2O3·H2O ossido di ferro (III) idrato di colore rosso-marrone. Poiché tali processi avvengono con gli ioni H+ e con gli ioni OH– si verifica che il pH gioca un ruolo di fondamentale importanza. In carenza di ossigeno il composto che si forma è la magnetite che può essere scritta come Fe3O4 che è costituita in realtà da una miscela di FeO e Fe2O3.
Se sono presenti altri ioni come lo ione calcio Ca2+ e lo ione carbonato CO32- si formano una serie di sali poco solubili che, unendosi a l’idrossido di ferro (III) formano un rivestimento che non aderisce alla superficie metallica e tende a sfaldarsi sgretolandosi e esponendo il ferro sottostante a una successiva corrosione.