Część teoretyczna
Korozją nazywa się proces niszczenia materiałów głównie metalowych, a takŜe stopów
metalicznych pod wpływem czynników chemicznych i elektrochemicznych przebiegający
podczas zetknięcia metali z otaczającym je środowiskiem gazowym lub ciekłym. W
zaleŜności od mechanizmu procesu wyróŜnia się dwa zasadnicze typy korozji: korozję
chemiczną i elektrochemiczną.
Korozja chemiczna zachodzi w wyniku reakcji chemicznej metalu z suchymi gazami lub
ciekłymi nieelektrolitami obecnymi w środowisku agresywnym. Nie towarzyszy jej przepływ
prądu elektrycznego. Korozja chemiczna polega przede wszystkim na reakcjach utleniania
metali do tlenków i nie zawsze jest procesem szkodliwym. JeŜeli powstająca na powierzchni
metalu warstwa tlenkowa jest zwarta, szczelna i ściśle pokrywa powierzchnię metalu stanowi
ona dobrą jego ochronę przed dalszą korozją. Zjawiska to nosi nazwę pasywacji i jest
przyczyną odporności na korozję np. glinu lub cynku, a więc metali stosunkowo aktywnych.
Pasywną ochronną warstewkę tlenkową moŜna wytworzyć takŜe na powierzchni innych
metali w tym teŜ i stali i wtedy proces taki nosi nazwę oksydacji. Produkty korozji mogą
tworzyć na powierzchni metalu takŜe warstewki porowate, których łatwe rozpuszczanie się w
otaczającym czynniku agresywnym moŜe doprowadzić do całkowitego zniszczenia materiału.
Typowym przykładem korozji chemicznej jest zendrowanie Ŝelaza. śelazo ogrzewane w
powietrzu ulega bezpośredniej reakcji z tlenem i pokrywa się tzw. zendrą czyli róŜnymi
tlenkami Ŝelaza wśród których przewaŜa Fe3O4. Korozja chemiczna atakuje całą powierzchnię
metalu stykającą się z czynnikiem agresywnym. Nie stanowi na ogół duŜego zagroŜenia dla
konstrukcji i przedmiotów metalowych w niezbyt wysokich temperaturach bo nawet dość
duŜy ale równomierny ubytek metalu nie zmniejsza w znaczny sposób jego właściwości
wytrzymałościowych.
Korozja elektrochemiczna jest procesem niszczenia metalu związanym z przepływem
prądu elektrycznego przez granicę faz metal-roztwór elektrolitu. Przepływ prądu jest
najczęściej wynikiem działania w korodującym układzie róŜnego typu ogniw galwanicznych.
Przyczyną powstawania ogniw moŜe być np. połączenie dwóch róŜnych metali stykających się
równocześnie z elektrolitem, nierównomierny dostęp tlenu do powierzchni metalu, róŜnica
temperatur elektrolitu, róŜnica stęŜeń elektrolitu. Ogniwa mogą tworzyć się równieŜ w wyniku
niejednorodności strukturalnej metali - róŜnych składników fazowych istniejących w stopach,
wtrąceń niemetalicznych, lokalnych zaburzeń sieci. Właściwym procesem korozyjnym
wywołanym przez działanie wymienionych ogniw jest proces anodowy utlenienia
(przebiegający na anodzie - elektrodzie ujemnej) związany z przejściem atomów metalu
anody do roztworu w postaci jonów dodatnich czyli po prostu rozpuszczaniem się anody - jej
korodowaniem. Lokalna korozja elektrochemiczna prowadzi do ataków miejscowych np. w
postaci wŜerów i szczelin podczas gdy ogólna korozja elektrochemiczna powoduje
zaatakowanie
powierzchni
metalu.
Najczęściej
spotykanym
objawem
korozji
elektrochemicznej jest rdzewienie Ŝelaza. Występuje ono pod wpływem działania czynników
atmosferycznych głównie tlenu i wilgoci w postaci pary wodnej (w atmosferze suchego
powietrza do 70% wilgotności względnej Ŝelazo nie ulega korozji) oraz pod wpływem
roztworów elektrolitów. W wyniku korozji tworzy się rdza - brunatnoczerwonawa warstewka
będąca mieszaniną wodorotlenku Ŝelaza(II) i Ŝelaza(III). Jest to warstewka nieszczelna,
niezbyt dobrze przylegająca do powierzchni metalu.
Ilościowo proces korozji moŜna oceniać poprzez wielkość ubytku korozyjnego i na
podstawie szybkości korozji. Ubytek korozyjny określany jest jako stosunek ubytku masy do
wielkości skorodowanej powierzchni np. g/m2. Szybkość korozji moŜe być wyraŜona np. jako
ubytek masy metalu na jednostkę powierzchni i czas, lub jako ubytek grubości przekroju
metalu na jednostkę czasu. Oba te sposoby wyraŜania szybkości korozji metali odnoszą się do
korozji równomiernej.
Ilościowo proces korozji moŜna oceniać poprzez wielkość ubytku korozyjnego i na
podstawie szybkości korozji. Ubytek korozyjny określany jest jako stosunek ubytku masy do
wielkości skorodowanej powierzchni np. g/m2. Szybkość korozji moŜe być wyraŜona np.
ubytek masy metalu na jednostkę powierzchni i czas, lub jako ubytek grubości przekroju
metali na jednostkę czasu. Oba te sposoby wyraŜania szybkości korozji metali odnoszą się do
korozji równomiernej.
Niszczenie przedmiotów w wyniku korozji powoduje ogromne straty, dlatego teŜ ochrona
przed korozją jest problemem o duŜym znaczeniu gospodarczym. Istnieje wiele metod
zapobiegania korozji metali lub przynajmniej zmniejszania jej działania. NajwaŜniejszą
i najszerzej stosowaną jest nakładanie odpowiednich powłok ochronnych metalicznych
i niemetalicznych ( nieorganicznych i organicznych). Powłoki te moŜna podzielić na bierne
i czynne. Pierwsze z nich chronią przedmiot przed korozją izolując go od wpływów
otoczenia. Zalicza się do nich pokrycia lakiernicze, farbami, emaliami czy stosowane coraz
szerzej powłoki z tworzyw sztucznych. Powłoki bierne dobrze spełniają swoją rolę, jeŜeli są
całkowicie szczelne - nawet niewielkie ich uszkodzenie prowadzi do szybkiej korozji. Do
powłok biernych zalicza się takŜe powłoki metaliczne wytwarzane z metali szlachetniejszych
(o wyŜszym potencjale normalnym) od metalu chronionego (powłoki katodowe). Nanosi się je
najczęściej w procesach elektrolizy. W przypadku stali najczęściej nanosi się pokrycia z cyny,
chromy i niklu. Metale te ulegają korozji znacznie wolniej od stali, dopóki więc powłoka jest
szczelna działają one skutecznie. Niewielkie jednak uszkodzenie powłoki powoduje nie tylko
brak ochrony przed korozją ale nawet jej znaczne przyśpieszenie.
Powłoki czynne chronią przedmiot przed korozją nawet jeśli nie są szczelne. Wykonuje się
je z metali o niŜszym potencjale elektrodowym leŜących w szeregu napięciowym przed
metalem chronionym (powłoki anodowe). Jeśli utworzy się ogniwo korozyjne to elektrodą
ujemną - anodą, będzie w nim metal stanowiący powłokę i on właśnie będzie ulegał
utlenieniu. W przypadku powłok cynkowych czy kadmowych produkty utlenienia tworzą przy
tym warstwę na powierzchni metalu dodatkowo hamując jego korozję.
DuŜe obiekty metalowe jak rurociągi, podziemne zbiorniki, kadłuby statków zabezpiecza
się przed korozją stosując tzw. ochronę protektorową. Polega ona na połączeniu elektrod
wykonanych z metali aktywnych (magnez, cynk, glin) z powierzchnią chronioną. Tworzy się
w ten sposób ogniwo galwaniczne, w którym protektor stanowi biegun ujemny. Protektor
ulega więc korozji, zabezpieczając chronione powierzchnie metalowe.
Ochrona przed korozją moŜe równieŜ polegać na zmniejszaniu w znacznym stopniu jej
szybkości przez dodatek do roztworu (środowiska) korodującego inhibitorów korozji. Mogą
to być roztwory substancji nieorganicznych powodujące wzrost polaryzacji anodowej np.
chromiany lub fosforany oraz niektóre substancje organiczne np. skrobia lub tiomocznik łatwo
adsorbujące się na powierzchni metali i tworzące w ten sposób szczelną, dobrze przylegającą
warstewkę ochronną. Skuteczność działania inhibitorów moŜna określić współczynnikiem
hamowania korozji H:
V
H =
Vi
gdzie: V - szybkość korozji metalu w środowisku bez inhibitora
Vi - szybkość korozji metalu w obecności inhibitora
2
lub jako stopień ochrony przed korozją Z wyraŜając go w procentach:
V − V
Z
i
=
⋅100%
V
Usuwanie składników korozyjnych ze środowiska moŜna dokonywać przez:
− eliminację tlenu z wody przez nasycenie jej azotem
− zobojętnienie substancji kwaśnych w wodzie przez dodanie wapna
− usuwanie z wody soli za pomocą wymieniaczy jonowych
− obniŜenie wilgotności powietrza poprzez podwyŜszenie temperatury
− usuwanie cząstek stałych z powietrza lub wody przez filtrację
Część doświadczalna
Sprzęt i odczynniki
Płytki Ŝelazne: ~10 cm2 - trzy sztuki, ~5 cm2 - dwie sztuki, płytka cynkowa, płytka
miedziana, papier ścierny, zlewka o pojemności 500 cm3, zlewka o pojemności 250 cm3, lejek
szklany, biureta.
Roztwory: kwas siarkowy(VI) - 1 mol/dm3, kwas siarkowy(VI) 1 mol/dm3 + 0,1 g
tiomocznika/dm3; roztwór trawiący (3% chlorek sodu + 0,1% nadtlenek wodoru).
Korozja Ŝelaza i jego ochrona protektorowa
Trzy płytki Ŝelazne o jednakowej powierzchni (około 1 dm2) dokładnie oczyścić papierem
ściernym, wytrzeć suchą szmatką i zwaŜyć na wadze z dokładnością 0,001 g.
Jedną z płytek zewrzeć z płytką cynkową, a drugą z miedzianą (za pomocą spinaczy),
trzecią pozostawić wolną. Wszystkie płytki umieścić w zlewce o pojemności 500 cm3,
opierając je o ścianki w taki sposób, aby się wzajemnie nie dotykały, a następnie napełnić
zlewkę roztworem trawiącym. Po około 45 minutach płytki wyjąć z roztworu, odłączyć od
blach cynkowej i miedzianej i dokładnie wypłukać wodą wodociągową, usuwając ścierką
resztki rdzy. Po wysuszeniu płytek w suszarce, zwaŜyć je ponownie, obliczyć ubytki masy.
Wyjaśnić:
a. z czego wynika stwierdzona doświadczalnie kolejność wzrostu korozji poszczególnych
płytek Ŝelaznych?
b. w którym przypadku występuje ochrona protektorowa Ŝelaza?
Wpływ inhibitorów na szybkość korozji
Zlewkę o pojemności 250 cm3 wypełnić w 3/4 objętości roztworem H2SO4 o stęŜeniu
1 mol/dm3. Na dnie zlewki umieścić oczyszczoną blaszkę Ŝelazną o powierzchni około 5 cm2,
umocowaną w wycięciu korka. Blaszkę nakryć kielichem lejka szklanego, a na jego nóŜkę
nasunąć biuretę. Koniec biurety od strony kranu połączyć węŜem gumowym z pompką wodną
i regulując przepływ powietrza kranem biurety wypełnić ją kwasem. Po ustaleniu menisku
cieczy na poziomie zera, rozpocząć pomiar. Przyrost objętości wydzielonego wodoru naleŜy
odczytywać co pięć minut w ciągu 0,5 godziny.
Dla zbadania wpływu inhibitora na szybkość korozji Ŝelaza naleŜy powtórzyć powyŜsze
ćwiczenie przy uŜyciu jako roztworu trawiącego roztworu kwasu siarkowego z dodatkiem
tiomocznika.
Wyniki pomiarów dla obu układów przedstawić na jednym wykresie jako zaleŜność
objętości wydzielonego wodoru od czasu.
3
Traktując objętość wydzielonego w jednakowym czasie wodoru jako funkcję szybkości korozji
w obydwu przypadkach, wyliczyć:
a.
współczynnik inhibitorowego hamowania korozji
b.
stopień ochrony przed korozją
Pytania kontrolne
1. Co to jest korozja i jakie wyróŜnia się jej typy ?
2. Scharakteryzować korozję chemiczną.
3. Na czym polega korozja elektrochemiczna.
4. Jakie wielkości określają ilościowo proces korozyjny.
5. Metody zapobiegania korozji.
6. Ochrona protektorowa.
7. Inhibitory korozji i wielkości określające skuteczność ich działania.
8. Usuwanie składników korozyjnych ze środowiska agresywnego.
4