10. Dependenţa vitezei de coroziune de pH-ul mediului coroziv

Scopul lucrăriiSe urmăreşte variaţia vitezei de coroziune a fierului în funcţie de pH-ul mediului

coroziv.

Principiul lucrǎriiCoroziunea este un proces ireversibil de distrugere a metalelor sub actiunea diversilor

factori corozivi (aer, acizi, baze, gaze). Daca mediul este rau conducator de electricitate (gaze), se produce corodarea chimica, iar daca este bun conducator (electroliti) are loc corodarea electrochimica a metalelor.

Coroziunea se explica prin reactia dintre metal si agentul coroziv din mediu, reactie electrochimica (de oxido-reducere), la care participa atat ioni cat si electroni. Ea are loc la interfata M/mediu coroziv si este spontana si ireversibila.

Viteza de coroziune constituie un mod de apreciere cantitativă a coroziunii. Viteza de coroziune se exprimă în STAS prin indicele gravimetric de coroziune, kg care este dat de

relaţia:

tS

mkv gcor ⋅

∆== [g/m2·h] (1)

unde Δm - reprezintă cantitatea în grame de metal ce trece în soluţia corozivă în urma procesului de dizolvare anodică, t - durata de expunere a probei în mediul coroziv şi S reprezintă suprafaţa metalică expusă mediului coroziv.

Pentru a evalua clasa de rezistenţă a materialelor metalice se foloseşte indicele de penetraţie exprimat în [mm/an].

d

kI g

p 1000

36524 ⋅⋅= [mm/an] (2)

unde: d este densitatea materialului metalic, dFe=8,7 [g/cm3], iar 1000 reprezintă factorul de transformare. Clasele de apreciere a stabilităţii la coroziune utilizate în proiectare sunt:

1. Perfect stabil: 1·10-3 [mm/an]2. Foarte stabil: 1·10-3÷ 1·10-2 [mm/an]3. Stabil: 1·10-2÷1·10-1 [mm/an]4. Relativ stabil: 1·10-1 ÷1 [mm/an]5. Puţin stabil: 1÷10 [mm/an]6. Instabil: 10 [mm/an]

Procesul global al coroziunii cu depolarizare de hidrogen se obţine prin însumarea algebrică a reacţiilor de ionizare a metalului (oxidare) şi a reacţiei de depolarizare (reducere) a ionilor sau moleculelor din mediul coroziv.

Reacţiile chimice în coroziunea cu depolarizare de hidrogen sunt:În medii acide: Reacţie de ionizare a metulului (oxidare), M→M+z +ze-

Fe→ Fe+2 + 2e-

şi Reacţie de depolarizare (reducere), zH++ze- →z/2 H2 2H+ + 2e-→ H2

Reacţie globală: M+ zH+ → M+z + z/2 H2, Fe + 2H+→ Fe+2 + H2

În medii neutre şi alcaline:

Reacţie de oxidare, M→M+z +ze- Fe→ Fe+2 + 2e-

Reacţie de depolarizare (reducere), zH2O+ze- →zOH- + z/2 H2 2H2O+2e- →2OH- + H2

Reacţie globală: M + zH2O→ M+z + zOH- + z/2 H2,

Fe + 2H2O →Fe+2 + 2OH- + H2

Coroziune cu depolarizare de oxigen:În medii acide:Reacţie de oxidare, M→M+z +ze-

Fe→ Fe+2 + 2e-

Reacţie de depolarizare, zH++z/4 O2 +ze- → z/2H2O 2H++1/2 O2 +2e- → H2O

Reacţie globală: M+ zH++z/4 O2 → M+z +z/2H2O,Fe+ 2H++1/2 O2 → Fe+2 +2H2O

În medii neutre şi alcaline: Reacţie de oxidare, M→M+z +ze-

Fe→ Fe+2 + 2e-

Reacţie de depolarizare (reducere), z/2 H2O +z/4O2+ze-→ zOH- H2O +1/2O2+2e-→ 2OH-

Reacţie globală: M+z/2 H2O +z/4O2 →M(OH)z,Fe+ H2O +1/2O2 →Fe(OH)2

Deoarece legea lui Faraday se aplică şi pentru coroziunea electrochimică la fel ca pentru orice reacţie electrochimică, cantitatea m de metal ce trece în soluţie în urma procesului de ionizare a metalului se determină cu ajutorul relaţiei (3):

m = k · q = (A / z·F)· I ·t (3)unde: k - este echivalentul electrochimic; tiq ⋅= reprezintă cantitatea de electricitate ce trece între zonele anodice şi catodice ale metalului supus coroziunii în timpul t; I- intensitatea curentului de dizolvare anodică exprimată în Amperi; F - constanta lui Faraday, F= 96500 ]/[ molsA ⋅ = 26,8 [A·h / mol]; z - numărul de electroni ce se eliberează în procesul anodic; A - masa atomică a metalului supus coroziunii, [g/mol].

Vcor = kg = 3600 · (A/z·F)· (I/S) (4)Din relaţia (4) rezultă că determinarea vitezei de coroziune se reduce la determinarea

densităţii curentului de dizolvare anodică (I/S),

unde: S reprezintă suprafaţa metalului supus coroziunii, exprimată în [m2], iar t = 3600 [sec].

pH= -log [H+] variază între 0 ÷ 7 pentru medii acide, între 7 ÷ 14 pentru medii alcaline, iar valoarea de 7 reprezintă mediul neutru.

Aparatură şi soluţii: 4 electrozi din fier şi 4 electrozi din cupru, soluţii cu pH-uri diferite, miliampermetru, instrument de măsurare a timpului.

Fig. 1 Schema instalaţiei pentru determinarea intensităţii curentului de dizolvare anodică

1. Electrod de fier (Anod (-)); 2. Electrod de Cu (Catod (+));

3. Vas ce conţine mediul coroziv;

Mod de lucru.• Electrozii de Fe (1) şi Cu (2) se curăţă cu hârtie metalografică si se spală cu apă.• Se introduce cate o placa de Fe si una de Cu în fiecare vas ce conţine fie soluţie acidă sau bazică, indicata de cadrul didactic, conform figurii 1. • Se aduce comutatorul de domeniu al aparatului de masura pe un domeniu mare (50 mA) si se pune in functiune cu intrerupatorul pe pozitie „P”.• Dupa 10 min de la imersarea placutelor in vase, se citeste intensitatea curentului corespunzatoare fiecarui sistem alcatuit, aducand comutatorul de domeniu in acea pozitie in care acul indicator intra in scala. Se va tine seama ca pe intreaga scala este repartizat numarul de mA si µA indicat de comutatorul de domeniu.• Dupa inca 20 min se fac alte masuratori de intensitate, aducand comutatorul de domeniu in acea pozitie in care acul indicator intra in scala.• Dupa efectuarea masuratorilor, se scot din solutii electrozii de Fe si Cu si se măsoară suprafaţa de fier imersată în soluţiile indicate de cadrul didactic.

Rezultate şi calcule:Se intocmeste un tabel, pentru introducerea datelor, conform modelului:

pHI

[A]S

[m2]I/S [A/m2] Kg, [g/m2·h] Kg, [mg/dm2·zi] IP [mm/an]

10 min 30 min 10 min 30 min 10 min 30 min 10 min 30 min

Se calculeaza indicele gravimetric cu relatia 4, unde AFe = 56 [g/mol] si z = 2, atat in [g/m2·h] cat si in [mg/dm2·zi].

Se calculeaza indicele de penetratie (IP) cu relatia 2.

Interpretare rezultate: Se apreciază în ce pH al soluţiei rezistenţa la coroziune este mai bună si sa se scrie reacţiile electrochimice, de corodare a fierului in mediile pe care le-aţi studiat.

Exercitii:1. Să se scrie reacţiile care intervin în procesul de coroziune al următoarelor metale: Zn

(bivalent), Al (trivalent), Sn (tetravalent).2. Să se calculeze viteza de coroziune a unei conducte de fier în sol, dacă intensitatea

curentului de dizolvare anodică este 1,5 mA, iar suprafaţa conductei este 314 dm2.

3. Ce greutate va pierde un rezervor de fier de suprafaţă 15 cm2 supus coroziunii electrochimice, dacă timp de 1 an intensitatea curentului de dizolvare anodică a fost 0,75 mA?

4.Să se determine viteza de coroziune a unei piese din oţel (S = 200 mm2), care staţionează într-o soluţie acidă, timp de 10 ore pierzând astfel din greutate 0,002 g. Precizaţi procesele electrochimice care au loc şi unde (electrozii).