Mechanizmy korozji elektrolitycznej i metody zapobiegania
Korozja metali jest to stopniowe niszczenie tworzyw metalowych i niemetalowych pod wpływem chemicznego i elektrochemicznego oddziaływania środowiska w wyniku, którego zmieniają się stan i właściwości niszczonego tworzywa. W przypadku metali możemy rozróżnić korozję chemiczną i elektrochemiczną. Korozja chemiczna metali następuje w wyniku działania suchych gazów lub cieczy nie przewodzących prądu elektrycznego. Przykładem korozji chemicznej może być działanie tlenu na metale w podwyższonej temperaturze w rezultacie, którego na powierzchni metalu powstaje warstwa tlenku. Utlenianie metalu do jego tlenków nie zawsze jest procesem szkodliwym. Jeżeli warstwa tlenku jest dostatecznie zwarta i mocno związana z powierzchnią metalu, chroni ona metal przed dalszym utlenianiem. Glin jak wynika z jego położenia w szeregu napięciowym metali jest metalem nieszlachetnym. Jednak ten metal i jego stopy odznaczają się w środowisku obojętnym dużą odpornością na korozję, wynikającą z utworzenia się pasywnej, trudno rozpuszczalnej warstwy tlenku. Podobne tlenkowe warstewki ochronne tworzy cynk, chrom i nikiel. Do korozji chemicznej zalicza się także czernienie przedmiotów srebrnych na powietrzu. Głównym składnikiem ciemnego nalotu jest siarczek srebra powstający w reakcji srebra ze związkami siarki zawartymi w powietrzu. Korozja elektrochemiczna jest najbardziej powszechnym rodzajem korozji. Należy do niej powszechnie spotykane zjawisko korozji atmosferycznej, która spowodowana jest działaniem na metale wilgotnego powietrza i zawartych w nim zanieczyszczeń. Korozja metali najczęściej objawia się poprzez powierzchniowe ubytki metalu (plamy i wżery), bądź przez obniżenie wytrzymałości metali. Najczęściej szybkość korozji określa się przez ubytek masy próbki metalu pod wpływem działania czynnika korodującego na jednostkę powierzchni i czasu.
Niżej przedstawione doświadczenia przybliży mechanizm korozji elektrolitycznej.
Przebieg doświadczenia:
W celu przeprowadzenia doświadczenia należy przygotować trzy blaszki żelazne (wcześniej oczyszczone), które a kolei poddajemy zważeniu. Następnie umieszczamy je w zlewkach w których znajduje się roztwór składający się z ok. roztworu . Każda z blaszek zostaje umieszczona odpowiednio:
1. w zlewce 1 umieściłem tylko blaszkę żelazną
2. w zlewce 2 umieściłem blaszkę żelazną połączoną z blaszką cynkową
3. w zlewce 3 umieściłem blaszkę żelazną połączoną z blaszką miedzianą
Wszystkie 3 blaszki żelazne należy trzymać w elektrolicie przez 20 minut. Podczas tego czasu można było zaobserwować efekt zachowania się poszczególnych blaszek. Odpowiednio:
1. w zlewce 1 uwidoczniły się rdzawe plamy korozji. Roztwór przybrał rdzawą barwę.
2. w zlewce 2 nie zachodzi korozja blaszki żelaznej
3. w zlewce 3 jest korozja widoczna najbardziej. Już po krótkiej chwili pojawiły się rdzawe plamy.
Następnie blaszki należy wypłukać i osuszyć. Następnie 3 blaszki żelazne zostają zwarzone na wadze analitycznej.
Otrzymane wyniki przedstawia tabela:
Fe 38,2618 38,2589 0,0029
59,5063 59,4595 0,0468
43,8297 43,828 0,0017
masa blaszki Fe przed zanurzeniem w elektrolicie
masa blaszki Fe po wynurzeniu z elektrolitu
różnica mas
Spostrzeżenia:
Z przeprowadzonego doświadczenia można wywnioskować, że najbardziej korodowała blaszka Fe w połączeniu z blaszką Cu, gdyż różnica w masach przed i po zanurzeniu jest największa. Największy jest także stosunek m/s. Słabiej korodowała blaszka Fe (sama). Natomiast blaszka Fe połączona z blaszką Zn korodowała bardzo słabo. Pojedyncza płytka Fe zanurzona w elektrolicie ulega korozji i tworzy półogniwa Fe®Fe2++2e-. Elektrony z obszaru katodowego pobierane są przez jony wodorowe 2H+ + e- ®H2. Natomiast kationy Fe2+ tworzą z jonami OH- związek Fe(OH)2, który może się utlenić do Fe(OH)3 – powstaje rdza. W połączeniu Fe-Zn ; Zn jest metalem bardziej elektroujemnym niż Fe i Zn spełnia rolę anody. W przypadku tym nie obserwujemy znacznej korozji gdyż bardziej aktywny Zn ulega anodowemu rozpuszczeniu.
Natomiast w połączeniu Fe-Cu; Cu jest metalem elektroujemnym. Płytka żelazna spełnia rolę anody co powoduje jej ubytki w masie.
Wnioski
Szybkość korozji żelaza zwiększa się przy zetknięciu z metalami elektro dodatnimi. Im bardziej elektro dodatni metal tym szybkość korozji się zwiększa.
Zapobieganie korozji.
Ze względu na duże straty jakie ponosi przemysł wskutek korozji, opracowano wiele metod zapobiegania, a przynajmniej zmniejszania tego zjawiska. Do najważniejszych metod należą:
-elektrochemiczna ochrona katodowa i protektorowa
-metaliczne i niemetaliczne powłoki ochronne
-dyfuzyjne ulepszanie powierzchni metali (wytwarzanie powierzchni stopowych)
-stosowanie inihibitorów
Ochrona katodowa polega na podłączeniu do elementu konstrukcji narażonej na korozję ujemnego bieguna źródła prądu stałego o niewielkim napięciu (1-2V). Anodą może być złom żelazny lub nierozpuszczalna elektroda grafitowa.
Ochrona protektorowa polega na połączeniu metalu chronionego np. żelaza z blokiem metalu mniej szlachetnego (cynk, magnez). Jeśli oba metale znajdują się w tym samym elektrolicie (np. w ziemi lub wodzie morskiej) powstaje krótkotrwałe ogniwo w którym bardziej aktywny cynk lub magnez spełniają rolę anody a żelazo katody.
Metalowe powłoki ochronne z metalu mniej szlachetnego od żelaza oprócz izolacji od tlenu i wilgoci zapewniają jednocześnie ochronę protektorową. W przypadku uszkodzenia powłoki cynkowej naniesionej na znajdujący się pod nią stal, ta ostatnia będzie katodą i jej podatność na korozję będzie ograniczona. natomiast metalowa powłoka jest bardziej szlachetna niż pokryty nią metal, to jej skuteczność trwa tak długo, jak długo ta powłoka jest szczelna.
Zadaniem powłok niemetalicznych jest izolowanie powierzchni metalu od tlenu i wilgoci. Używane w tym celu są farby i lakiery. Stosowane jest również utlenianie. Najnowszą metodą ochrony jest wytworzenie tzw. Powierzchni stopowych. Proces przypomina elektrolityczne powlekanie metali, ale zamiast wody używa się jako rozpuszczalnika stopionych fluorków metali alkalicznych i metali nie alkalicznych z dodatkiem 1% fluorku metalu tworzącego powierzchnię stopową.
Innym sposobem antykorozyjnym jest stosowanie tzw. Inihibitorów czyli substancji silnie absorbujących się na powierzchnię metalów i blokujących w ten sposób dostęp jonów wodorowych.