Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności metali-ćwiczenia

Ćwiczenie 1: Wyznaczanie warunków odporności, korozji i pasywności
metali
Wymagane wiadomości
Podstawy korozji elektrochemicznej, wykresy E-pH.
Wprowadzenie
Główną przyczyną zniszczeń materiałów metalicznych jest korozja elektrochemiczna.
Zachodzi ona w roztworach elektrolitycznych (wykazujących przewodnictwo jonowe) i jest
związana z elektrochemicznymi reakcjami utleniania metalu. Szybkie niszczenie metalu
występuje, gdy metal utlenia się do jonu, na przykład żelazo do jonu Fe2+:
Fe → Fe2+ + 2e
(1)
Powstający jon przechodzi do roztworu korozyjnego. W takich warunkach reakcja (1) może
biec bardzo szybko i metal ulega korozji.
W wyniku działania roztworu korozyjnego metal może utleniać się do tlenku lub
wodorotlenku, na przykład żelazo do tlenku Fe2O3:
2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 6H+ + 6e
(2)
Jeśli powstający tlenek jest trudnorozpuszczalny w roztworze korozyjnym i tworzy szczelną,
dobrze przyczepną warstwę na powierzchni metalu to dalsze utlenianie metalu jest
utrudnione. Powstająca warstwa rozdziela substraty reakcji (2): metal i wodą, która jest
źródłem tlenu do tworzenia tlenku metalu. W takich warunkach reakcja (2) zachodzi ze
znikomą szybkością. Powstająca warstwa, zwana warstwą pasywną, jest bardzo cienka
(zwykle kilka nm). Taki stan metalu oznacza jego pasywność w środowisku korozyjnym.
W pewnych warunkach utlenianie metalu w środowisku korozyjnym nie jest możliwe. To
oznacza brak zniszczeń korozyjnych, a więc odporność metalu.
O zachowaniu korozyjnym metalu w środowisku korozyjnym (odporności, korozji lub
pasywności) decyduje rodzaj elektrochemicznych reakcji utleniania, którym metal ulega.
Rodzaj reakcji korozyjnych metalu zależy przede wszystkim od potencjału metalu w danym
roztworze korozyjnym i pH tego roztworu. Do określenia zachowania korozyjnego metali są
wykorzystywane wykresy E-pH, które w układzie współrzędnych: potencjał metalu E i pH
roztworu korozyjnego określają obszary występowania różnych form metalu: metalicznej,
jonowych i tlenkowych / wodorotlenkowych.
Na rys. 1 przedstawiono wykres E-pH dla Fe. Przy niskich potencjałach w całym zakresie
pH (w dolnej części wykresu) żelazo jest trwałe w formie metalicznej (jako atom Fe). To
oznacza brak reakcji utleniania tego metalu. To jest obszar odporności żelaza. W tych
warunkach żelazo nie ulega korozji elektrochemicznej. Przy wyższych potencjałach w
roztworach kwaśnych (o niskim pH) trwałymi formami żelaza są jego jony Fe2+ i Fe3+. W
tych warunkach żelazo będzie ulegać reakcjom korozyjnym, takim jak reakcja (1). To jest
obszar korozji żelaza. W prawej, górnej części wykresu (wysokie potencjały, roztwory
obojętne i zasadowe) jest szeroki obszar trwałości tlenków żelaza. W tych warunkach żelazo
będzie się utleniać do tlenków, na przykład wg reakcji (2). Powstające produkty korozji
(tlenki) mogą utworzyć warstwę pasywną na powierzchni metalu. To jest obszar pasywności
żelaza, a więc znikomej szybkości jego korozji.
Wykresy E-pH tworzone są przy pewnych założeniach i uproszczeniach. ... zobacz całą notatkę