Wydział: Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej	Data wykonania ćwiczenia:
Kierunek: Metalurgia	Nr ćwiczenia: 19
Tytuł ćwiczenia: Inhibitory korozji metali.
	Data oddania sprawozdania:
	Data oddania sprawozdania do poprawy:

1.Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest określenie wpływu tiomocznika (NH2)2CS na kinetykę roztwarzania stali w kwasie siarkowym H2S04:

1. Ustalenie wpływu stężenia inhibitora (brak; 0,01 g/litr; 0,1 g/litr, 1 g/litr) na szybkość korozji stali w roztworze kwasu siarkowego (lub kwasu solnego) o stężeniu 10% (15% lub 20%).

2. Określenie skuteczności działania inhibitora w zależności od jego stężenia.

2.Wstęp teoretyczny :

Większość procesów korozyjnych zachodzi w wyniku kontaktu metalu ze środowiskiem wodnym (elektrolitem). W tych warunkach na powierzchni metalu tworzą się lokalne mikroogniwa w których biegną równolegle reakcje: utleniania metalu (reakcja anodowa) oraz redukcji jonów lub cząsteczek znajdujących się w roztworze (reakcja katodowa).

W wyniku tych procesów następuje przepływ ładunków elektrycznych przez granicę faz. Szybkość korozji metalu można przedstawić zatem jako natężenie prądu I [A] płynącego przez elektrodę (metal). Szybkość reakcji utleniania określa się jako prąd anodowy, natomiast szybkość reakcji redukcji jako prąd katodowy. W celu porównania szybkości procesów elektrodowych zachodzących na różnych powierzchniach stosuje się wielkość zwaną gęstością prądu I [A/m2] czyli wartość natężenia prądu na jednostkę powierzchni elektrody.

Procesy anodowe i katodowe prowadzą do zmiany masy substratów w jednostce czasu. Zależność pomiędzy szybkością reakcji elektrodowej a masę reagenta określa prawo Faraday’a:

∆m=k*I*t

Żelazo w kontakcie z elektrolitami ulega roztwarzaniu. Jeżeli jony Fe2- tworzą z anionami obecnymi w roztworze dobrze rozpuszczalne sole proces korozji biegnie bez zahamowań. W tych przypadkach obniżenie agresywności elektrolitu względem metalu uzyskuje się przez stosowanie tzw. Inhibitorów. Są to substancje, które dodane w małych ilościach do środowiska korozyjnego skutecznie zmniejszają szybkość korozji materiału.

W zależności od mechanizmu działania wyróżnia się trzy grupy inhibitorów: katodowe, anodowe oraz katodowo-anodowe. Inhibitory wprowadzone do elektrolitu w określonych ilościach wpływają na kinetykę procesów elektrodowych. Znajduje to odzwierciedlenie w przebiegu krzywych polaryzacyjnych czyli zależności szybkości reakcji elektrodowej od potencjału ustalającego się na granicy faz.

Inhibitory anodowe hamują przebieg procesu anodowego. Są to zwykle aniony, które w obszarach anodowych tworzą z jonami roztwarzającego się metalu nierozpuszczalne związki. Inhibitory tej grupy działając jako utleniacze, same redukują się, przez co ich stężenie w roztworze zmniejsza się.W praktyce stosuje się wyższe stężenia inhibitorów od teoretycznie niezbędnego.

Inhibitory katodowe zmniejszają szybkość procesu katodowego. W obszarach katodowych wytrącają się jako wodorotlenki, siarczany lub węglany tworząc warstewkę ochronną (kamień katodowy). Są zawsze bezpieczne, gdyż przy dowolnych stężeniach zmniejszają szybkość korozji. Zależy zauważyć, że są one mniej efektowne niż inhibitory anodowe.

Inhibitory anodowo-katodowe (mieszane) hamują równocześnie procesy katodowy i anodowy. Większość inhibitorów organicznych działa na zasadzie adsorpcji w centrach aktywnych na powierzchni metalu. Maksymalny efekt ochronny wywołuje zwykle pokrycie powierzchni metalu jednocząsteczkową warstwą inhibitora. Niekiedy, w miarę wzrostu stężenia inhibitora stopień ochrony zwiększa się do wartości maksymalnej, po czym ulega obniżeniu ( zbyt duże stężenie tiomocznika w kwasie siarkowym prowadzi do przyspieszenia korozji stali). Skuteczność działania inhibitorów zależy w dużym stopniu od pH środowiska. Większość inhibitorów działa specyficznie, tzn. chroni tylko jeden metal lub grupę metali. Wyjątek stanowią chromiany. Proces trawienia ma na celu usunięcie warstewek tlenkowych lub zgorzelin powstających na metalach podczas obróbki termicznej.

3.Obliczenia:

ETAPY WYLICZANIA DANYCH DO TABELI

*Obliczanie wysokości słupa cieczy w biurecie h [cm]

10 [cm³] odpowiada 11,52 [cm]

0,868 [cm³] odpowiada 1 [cm]

Wys. słupa cieczy:

hb [cm]+ hm [cm]=34,5 [cm]+11,9 [cm]=46,4 [cm]

*Obliczanie objętości gazu w biurecie V_H2 [cm³]

„początkowa objętość cieczy w biurecie”-„kolejna objętość cieczy w biurecie”=V_H2

(46,4 -46,3) x 0,868 [cm³] =0,0868 [cm³]

*Obliczanie ciśnienia wodoru P_H2 [Pa]

P_H2=P-p_H2O-hdg

P- ciśnienie barometryczne [Pa]

P_H2O- ciśnienie pary wodnej nad roztworem kwasu siarkowego [Pa]

h- wysokość słupa cieczy w biurecie [m]

d- gęstość roztworu kwasu [g/cm³]

g- przyśpieszenie ziemskie (9,8 m/s²)

P_H2= 100098,1576 [Pa]-2239[Pa]- 0,464 [m]*1070 [kg/m³]*9,8[m/s²] = 92990,8 [ Pa ]

*Obliczenie ilości moli wydzielonego wodoru n_H2 [mol]

P_H2*V_H2=n_H2*R*T

R=8,31 [J/mol*K]

t= 20 [C]

T=20 + 273 [K] = 293 [K]

*Obliczanie masy przekorodowanego żelaza Δm [g]

Ilość moli roztworzonego żelaza jest równa ilości moli wydzielonego wodoru

n_H2=n_Fe

M_Fe=55,8 [g/mol]

Δm=n_Fe*M_Fe

Δm=0,000073 [mol]*55,8[g/mol]= 0,0041 [g]

*Obliczanie masy przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm²]

A(pole powierzchni próbki)- 4,63[cm]*4,12[cm]=19,076 [cm²]

1.Tabelka dla przypadku bez inhibitora:

Stężenie H₂SO₄ : 10% Stężenie tiomocznika: 0 g/dm³ Ciśnienie barometryczne: 750,8 mmHg

Temperatura: 293K Gęstość roztworu: 1,07 g/dm³ Masa próbki przed pomiarem: 15,111 g

Masa próbki po pomiarze: 15,0505 g Ubytek masy: 0,0605g

Powierzchnia próbki: 19,076 cm²

Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [kPa]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	0 0,0868 1,9097 3,125 4,6875 6,4236 8,4201 10,4167 12,6736 14,6701	46,4 46,3 44,2 42,8 41,0 39,0 36,7 34,4 31,8 29,5	92,994 93,004 93,224 93,371 93,560 94,770 94,011 94,251 94,524 94,77	0 8,8×10^-7 1,96×10^-5 3,21×10^-6 4,83×10^-5 6,63×10^-5 8,71×10^-5 1,08×10^-4 1,32×10^-4 1,53×10^-4	0 4,96×10^-5 1,09×10^-3 1,79×10^-3 2,69×10^-3 3,7×10^-3 6,0×10^-3 7,36×10^-3 8,54×10^-3 0,0319	0 2,60×10^-6 5,73×10^-5 9,40×10^-5 1,41×10^-4 1,94×10^-4 2,55×10^-4 3,16×10^-4 3,86×10^-4 4,48×10^-4

Wykres szybkości korozji:

2. Tabelka dla przypadku z małą ilością inhibitora:

Stężenie H₂SO₄ : 10% Stężenie tiomocznika: 10^-3 g/dm³ Ciśnienie barometryczne: 750,8 mmHg

Temperatura: 293K Gęstość roztworu: 1,07 g/dm³ Masa próbki przed pomiarem: 15,9 g

Masa próbki po pomiarze: 15,8114 g Ubytek masy: 0,0886g

Powierzchnia próbki: 21,892 cm²

Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [kPa]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	0 1,5179 3,5714 6,4286 9,1071 12,2321 14,8214 17,9464 20,5357 22,9464	51,8 50,1 47,8 44,6 41,6 38,1 35,2 31,7 28,8 26,1	92,427 92,606 92,847 93,182 93,497 93,864 94,168 94,535 94,839 95,122	0 1,55×10^-5 3,65×10^-5 6,6×10^-5 9,37×10^-5 1,26×10^-4 1,54×10^-4 1,87×10^-4 2,14×10^-4 2,4×10^-4	0 8,64×10^-4 2,04×10^-3 3,68×10^-3 5,23×10^-3 7,05×10^-3 8,57×10^-3 1,04×10^-2 1,19×10^-2 1,34×10^-2	0 3,94×10^-5 9,31×10^-5 1,68×10^-4 2,39×10^-4 3,22×10^-4 3,92×10^-4 4,76×10^-4 5,47×10^-4 6,13×10^-4

Wykres szybkości korozji:

3. Tabelka dla przypadku ze średnią ilością inhibitora:

Stężenie H₂SO₄ : 10% Stężenie tiomocznika: 10^-2 g/dm³ Ciśnienie barometryczne: 750,8 mmHg

Temperatura: 293K Gęstość roztworu: 1,07 g/dm³ Masa próbki przed pomiarem: 15,40 g

Masa próbki po pomiarze: 15,3409 g Ubytek masy: 0,0591g

Powierzchnia próbki: 22,367 cm²

Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [kPa]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	0 0,462 1,201 2,218 3,049 4,159 4,806 5,823 6,747 7,579	50,35 49,85 49,05 47,95 47,05 45,85 45,15 44,05 43,05 42,15	92,579 92,631 92,716 92,831 92,925 93,051 93,125 93,240 93,345 93,439	0 4,71×10^-6 1,23×10^-5 2,27×10^-5 3,12×10^-5 4,26×10^-5 4,93×10^-5 5,98×10^-5 6,93×10^-5 7,80×10^-5	0 2,63×10^-4 6,84×10^-4 1,26×10^-3 1,74×10^-3 2,38×10^-3 2,75×10^-3 3,34×10^-3 3,87×10^-3 4,35×10^-3	0 1,18×10^-5 3,06×10^-5 5,66×10^-5 7,78×10^-5 1,06×10^-4 1,23×10^-4 1,49×10^-4 1,73×10^-4 1,94×10^-4

Wykres szybkości korozji:

4. Tabelka dla przypadku z dużą ilością inhibitora:

Stężenie H₂SO₄ : 10% Stężenie tiomocznika: 10^-1 g/dm³ Ciśnienie barometryczne: 750,8 mmHg

Temperatura: 293K Gęstość roztworu: 1,07 g/dm³ Masa próbki przed pomiarem: 15,43 g

Masa próbki po pomiarze: 15,4242 g Ubytek masy: 0,058g

Powierzchnia próbki: 21,2121cm²

Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [kPa]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45	0 0 0 0 0,0909 0,5454 1,4545 2,7272 3,5455 4,5455	46,85 46,85 46,85 46,85 46,75 46,25 45,25 43,85 42,95 41,85	92,946 92,946 92,946 92,946 92,957 93,009 93,114 93,261 93,355 93,471	0 0 0 0 9,30×10^-7 5,59×10^-6 1,49×10^-5 2,80×10^-5 3,64×10^-5 4,68×10^-5	0 0 0 0 5,19×10^-5 3,12×10^-4 8,32×10^-4 1,56×10^-3 2,03×10^-3 2,61×10^-3	0 0 0 0 2,45×10^-6 1,47×10^-5 3,92×10^-5 7,37×10^-5 9,59×10^-5 1,23×10^-4

Wykres szybkości procesu korozji:

*Wyznaczenie szybkości korozji dzięki graficznej interpretacji wykresów

PRÓBKA 1

Regresja liniowa: y = a∙x + b

tg=Vkor[g*cm^-2/s^-1] = a = [g*cm^-2/s^-1]

PRÓBKA 2

Regresja liniowa: y = a∙x + b

tg=Vkor[g*cm^-2/s^-1] = a = [g*cm^-2/s^-1]

PRÓBKA 3

Regresja liniowa: y = a∙x + b

tg=Vkor[g*cm^-2/s^-1] = a = [g*cm^-2/s^-1]

PRÓBKA 4

Regresja liniowa: y = a∙x + b

tg=Vkor[g*cm-2/s-1] = a = [g*cm^-2/s^-1]

*Obliczenie gęstości prądu korozyjnego i_kor [A/cm²] metodą pośrednią:

I = V_kor

I_I =

I_II =

I_III =

I_IV =

i_kor =

i_{kor I}=

i_{kor II}=

i_{kor III}=

i_{kor IV}=

*Obliczanie gęstości prądu korozyjnego na podstawie ubytku masy metodą wagową

1. 15,111 [g] - 15,0505 [g] =0,0605 [g]

2. 15,9 [g] - 15,8114 [g] = 0,0886 [g]

3. 15,4 [g] - 15,3409 [g] = 0,0591 [g]

4. 15,43 [g] - 15,4242 [g] = 0,0058 [g]

i_kor =

Δ m = k ∙ I ∙t   I =

k =M _Fe/z∙ F

k = 55,8/2 ∙ 96500 = 0,000289

M _Fe= 55,8 [g/mol]

F – stała Faraday’a = 96500 [C]

z - elektronowość elementarnej reakcji = 2

I_I’ =

I_II’=

I_III’=

I_IV’=

i’_kor =

i’_{kor I}=

i’_{kor II}=

i’_{kor III}=

i’_{kor IV}=

*Porównanie wartości wyznaczone wartością wagową, a metodą pośrednią.

Metoda wagowa
Metoda pośrednia

*Obliczanie skuteczności działania inhibitora

V_kor,0- szybkość korozji bez inhibitora

V_kor,inh- szybkość korozji o stężeniu inhibitora c_inh

4.Wnioski:

Pomiary przy małym stężeniu inhibitora są niepoprawne, co zauważyć można po skuteczności inhibitora. Może to być związane z nieszczelnym kurkiem od biurety, co spowodowało dodatkowe (niepożądane) reakcje.

Patrząc na wszystkie obliczenia oraz wykresy można stwierdzić iż wpływ inhibitora (w naszym przypadku tiomocznika) na szybkość korozji ma znaczenie- korozja przebiega w takim przypadku wolniej. Co więcej, duże znaczenie ma stężenie inhibitora na szybkość reakcji korozji- im stężenie tiomocznika było większe, tym jego skuteczność była większa.

Po wyznaczeniu różnicy miedzy masą początkową i po doświadczeniu niestety pojawiły się różnice z tymi wynikami które otrzymaliśmy metodą obliczeniową. Może to być wynikiem wielu czynników jak na przykład niedokładne wykonanie ćwiczenia, wadliwy sprzęt w laboratorium (kurki biuret nie były szczelne jak również zaciski co szczególnie widać w drugiej z małą ilością inhibitora). Z tych pomiarów możemy wnioskować , że badana przez nas reakcja nie była jedyną zachodzącą w tym doświadczeniu.