7. Laboratóriumi gyakorlat KORRÓZIÓS ÁRAM MÉRÉS FÉM KORRÓZIÓSBSSÉGÉNK MGHATÁROZÁSA KORRÓZIÓS ÁRAM MÉRÉS ALAPJÁN Ha egy fémet oldatba merítünk a fém és az oldat fázishatárán olyan folyamatok indulnak meg, amelyek egy dinamikus egyensúlyi állapot elérése irányába hatnak. z azt elenti, hogy mind az oxidációs, mind pedig a redukciós elektród-részfolyamat egymás mellett leátszódik, és egyszer elektród esetén a M M + + e - és M + + e - M részfolyamatok az egyensúly elérése esetén azonos sebességgel mennek végbe. A két ellentétes irányú reakció az anódos és a katódos részáramsrséggel ellemezhet és egyensúlyban a két áramsrség (csereáramsrség) egyenl. Az egyensúly beállásakor kialakuló nyugalmi potenciál az egyensúlyi potenciál ( e ). A 1. ábra az anódos és a katódos részáramsrség függését mutata az elektródpotenciál függvényében egyszer elektród esetében. a a k k e η a p 1. ábra: Az anódos és a katódos áramsrség potenciálfüggése Ilyen körülmények között azonban a fém korrózióa még nem következik be. A tartós korróziós folyamat kialakulásához ugyanis a katódos és az anódos áramsrség értékének különböznek kell lenni, az elektródot a nyugalmi potenciáltól eltér potenciálon kell tartani, ami egy másik elektróddal való összekapcsolás, vagy egy küls áramkörbe történ bekapcsolás útán valósítható
meg. zt a elenséget nevezzük polarizációnak. A polarizációs potenciál ( p ) és a nyugalmi potenciál ( ny ) különbsége a polarizációs feszültség ( ): = p - ny. Ha a nyugalmi potenciál az elektród egyensúlyi potenciála, azaz egyszer elektródról van szó, akkor a polarizációs feszültség a túlfeszültség (η): = η = p - e. Az elektródok polarizálhatóságának és a túlfeszültség fellépésének mind a korróziós folyamatokban, mind pedig az elektrolízissel történ fémleválasztásnál fontos szerepe van. A polarizációnak az egyik oka az, hogy az elektróddal közvetlenül érintkez oldatrétegbe az anyagutánpótlás a távolabbi rétegekbl csak meghatározott sebességgel folyik, ezért koncentrációgradiens lép fel a fázishatár közelében (diffúziós túlfeszültség). Másik ok az, hogy a fém oldat fázishatáron a töltéssel rendelkez részecskék átmenetének nagy az aktiválási energiáa (reakció, vagy átlépési túlfeszültség). A kristályosodási túlfeszültség pedig akkor lép fel, ha a fázishatáron áthaladt fémionoknak a kristályrácsba való beépülése (vagy az onnét történ kiszakadása) kinetikailag gátolt folyamat. Küls áram is az anódos és a katódos részreakció eltér sebességét (sebességkülönbségét) eredményezi, amit az a-k áramsrséggörbe anódos (anódos polarizáció), ill. katódos (katódos polarizáció) áramsrségével ( a, k ) ellemzünk. léggé nagy pozitív vagy negatív polarizációs potenciál, ill. túlfeszültség esetén mindkét görbe exponenciális elleg, amelyet az ún. Tafel-egyenlet ír le: η = a - blg. Az a és b Tafel-konstansok a fém anyagi minségétl, a felületek állapotától és az elektrolit minségétl és koncentrációától függnek. A fém anódos oldódása (korrózióa) tartósan tehát akkor következhet be, ha a fém, vagy legalább egy része anódosan polarizálódik. z fordul el pl. a mikro galvánelemek képzdése során, amikoris a fém szövetszerkezetének inhomogenitása, vagy mechanikai feszültségek stb. miatt a fém egyes részei anódosabbá, ill. kevésbé anódossá /katódossá/ válnak. Más esetekben a fém elektrolit elenlétében nálánál kevésbé pozitív saátságú (nemesebb) fémmel kerülhet fémes kapcsolatba, makro galvánelem képzdik és ez biztosíta a fém anódos polarizációát. A gyakorlatban a f cél a korrózió sebességének a csökkentése. A korróziós folyamatok sebességcsökkentésének több lehetséges móda ismeretes. gyik pl. a fémek felületének passzív állapotba vitele. Passzivitásról akkor beszélünk, amikor a fémnek a vele érintkez közeg komponenseihez ugyan nagy az affinitása, ennek ellenére mégis nagyon kicsi a reakció sebessége. 2
A fémek különböz úton hozhatók passzív állapotba. gyrészt megfelel oxidálószerekkel (a leveg oxigéne, oxisavak) történ kezeléssel, másrészt kell mérték anódos polarizációval, valamint különféle inhibitorok alkalmazásával is. A fémeket - elssorban a vasat - gyakran olyan fémekkel ötvözik, amelyek önmagukban is könnyen passziválódnak. A korrózióálló acélok, pl. Cr és Ni ötvözetek passziválódása azért következik be, mert a Cr és a Ni a felületi rétegben feldúsul és a passziválódás szempontából az ötvözet felületi rétege ezeknek a saátságaihoz válik hasonlóvá (tömör, ól tapadó réteget képeznek). Hasonlóan értelmezhetk a kromáttartalmú inhibitorok hatása is. A korróziós inhibitorok a fém oldódásának, vagy a depolarizátor redukcióának a sebességét csökkentik (anódos és katódos inhibitorok). Az ún. adszorpciós inhibitorok olyan szerves vegyületek, amelyeknek a molekuláiban heteroatomként oxigén, kén, nitrogén található. zek a korrózió sebességére gyakorolt hatásukat úgy fetik ki, hogy a fémfelület aktívabb helyeit adszorpcióuk révén beboríták, lefedik és emiatt megnövekszik a kevésbé aktív helyeken az anódos áramsrség, ennek következtében pedig n a túlfeszültség, csökken a fémoldódás. Az inhibitorok másik csoportát az ún. passzivátorok alkoták. zek szervetlen vegyületek: kromátok, volfrámátok, foszfátok stb., amelyek a fém passzív állapotának a kialakulását segítik el, ill. tarták fenn. Az elektrokémiai korrózió sebességének a meghatározása a Faradaytörvény alapán a korróziós áram mérésére is visszavezethet. Ha a korrózió sebességét - egyenletes korróziót feltételezve - a korrózió során oldódó fém tömegének a felületegységre vonatkoztatott idegység alatti változásával definiáluk, akkor Faraday-törvény értelmében: m = kat, a korrózió sebessége pedig: v korr = d m = k, g/m 2.d, Adt ahol m a korrodált termék tömege, g, k az elektrokémiai állandó, g/a.d, a korróziós áramsrség, A/m 2, A a felület, m 2, t az id, d; A mérés célára korróziós galváncellát állítunk össze, amelyben ún. háromelektródás módszerrel mérük a fém korróziós potenciálát és a korróziós áramot adott korróziós oldatban. A mérési feladat: 1. Határozza meg a korróziót okozó adott oldatban a fém nyugalmi potenciálát! 3
2. Határozza meg az oldatban a fém korróziós potenciálát polarizált állapotban inhibitor elenléte nélkül és elenlétében is! 3. Mére meg a korróziós áramot polarizált állapotban inhibitor elenléte nélkül és elenlétében is! 4. Számítsa ki az inhibitor védhatását! A gyakorlat kivitelezése: A korróziós vizsgálat célára a 2. ábrán látható galváncellát állítuk össze Pt- és a vizsgálandó fémelektródból, amelyek a korróziót okozó oldatba merülnek. Az elektródpotenciál méréséhez telített kalomel referencia-elektródot használunk. korr MF Kalomel elektród Pt Me 2. ábra: A korróziós cella felépítése A vizsgált elektród felületének kiszámításához megmérük a méreteit, mad felület tisztítása célából rövid idre híg HCl-oldatba merítük, utána desztillált vízzel leöblítük és a korróziót okozó oldatba helyezzük. Néhány perc várakozási id után megmérük a vizsgált elektród és a kalomelelektród között állandósult elektromotoros ert. zt követen a Pt- és a vizsgált elektródot az elektród polarizálása célából rövidre záruk és ismét megmérük az elektromotoros er, valamint a korróziós áramersség állandósult értékét. Az elektródot kiemelük az oldatból, a felületét híg HCl-oldatban megtisztítuk és a fenti méréseket különböz mennyiség inhibitor elenlétében megismételük. A számítás menete: A telített kalomelelektród elektródpotenciálának hmérsékletfüggését az alábbi egyenlet ada meg (t o C-ban): Hg/Hg2 Cl 2 = 0,2438-6,5.10-4 (t-25), V. 4
A vizsgált elektród elektródpotenciálai a galvánelemek mért MF = Hg/Hg2 Cl 2 - M + /M elektromotoros ereébl számíthatók. Az inhibitor védhatásának a mértékét az η = korr korr,inh 100, %, korr összefüggéssel számítuk ki, ahol korr a megfelel számított áramsrség. 5
7. Laboratóriumi gyakorlat Név:... Tcs:... Dátum:... FÉM KORRÓZIÓSBSSÉGÉNK MGHATÁROZÁSA KORRÓZIÓS ÁRAM MÉRÉS ALPJÁN 1. KISÉRLTI ADATOK Észlelési- és eredménylap A vizsgált fémelektród:... Hmérséklet: t =... o C Felülete:... cm 2 lektrokém. áll.: k =... g/a.d A korróziós közeg:... Inhibitor: A kalomelelektród elektródpotenciála, kal =... V 2. NYUGALMI ÁLLAPOTBAN MÉRT ÉS SZÁMÍTOTT ADATOK Inhibítorkoncentráció, % 0 lektromotoros er, MF, mv lektródpotenciál, M+/M, V 3. POLARIZÁLT ÁLLAPOTBAN MÉRT ÉS SZÁMÍTOTT ADATOK Inhibítorkoncentráció, % 0 lektromotoros er, MF, mv M+/M, V Korróziós áramersség I korr ma Korróziós áramsrség korr, A/m 2 lektródpotenciál, Korróziósebesség, v korr, g/m 2.d Az inhibítor védhatásának a mértéke: η = korr korr korr,inh 100 = 6