Metale Nieżelazne 10.01.2005

Metalurgia

Grupa III

Zespół nr 6

Ćwiczenie nr 19

INHIBITORY KOROZJI METALI

Piotr Pawlikowski

I Wstęp

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

Procesy anodowe i katodowe prowadzą do zmiany masy substratów w jednostce czasu. Zalezność pomiędzy szybkością reakcji elektrodowej a waśa reagenta okresla 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 zachamowań. W tych przypadkach obniżenie agresywności elektrolitu względem metalu uzyskuje się przez stosowanie txw. 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. Inhibitpry wprowadzone do elektrolitu w okreslonych ilościach wpływaja na kinetykę procesów elektrodowych. Znajduje to odzwierciedlenie w przebiegu krzywych polaryzacyjnych czyli zalezności szybkości reakcji elektrosowej 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 werstewkę ochronną (kamień katodowy). Są zawsze bezpieczne, gdyż przy dowolnych stężeniach zmniejszają szybkośc korozji. Zależy zauważyć, że są one mniej efektowne niż inhibitory anodowe.

Inhibitory anodowo-katodowe (mieszane) hamują równocześnie procesy katodowy i anodowy. Wiekszość 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). Skutecznośc działania inhibitorów zależy w duzym stopniu od pH środowiska. Wiekszość 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.

II 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.

III Wykonanie ćwiczenia

1. Przygotowano 4 próbki, oczyszczono je papierem ściernym, dokładnie wypłukano w strumieniu wody, przemyto alkoholem, wysuszono i zważono;Tab.1:

Nr blaszki:	Waga [g]	Powierzchnia [cm2]
1 2 3 4	15,023 17,164 15,303 15,997	25,96 25,45 24,25 23,93

Tab.1

2. Próbki umieszczono w aparaturze pomiarowej. Do zlewki nalano odmierzoną ilość roztworu kwasu (bez lub z określoną ilościa inhibitora) i pociągnięto roztwór do górnej podziałki skali biurety gazowej.

3. Od momentu zamknięcia kurka biurety odczytywano co 5 min. Poziom cieczy w biurecie. Czas trwania pomiaru: 45 min. Wyniki pomiarów zanotowano w Tab.2.

a) Tabelka dla przypadku bez inhibitora:

Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [mm Hg]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
5 10 15 20 25 30 35 40 45	0 0,5 0,7 1,1 1,3 1,5 1,9 2,2 2,4	74,0 73,4 73,2 72,7 72,5 72,2 71,8 71,4 71,2	667,0 667,5 667,7 668,1 668,3 668,5 668,9 669,2 669,4	0,000000 0,000018 0,000026 0,000040 0,000048 0,000055 0,000070 0,000081 0,000088	0,0000 0,0010 0,0014 0,0022 0,0027 0,0031 0,0039 0,0045 0,0049	0,000000 0,000027 0,000037 0,000058 0,000069 0,000080 0,000101 0,000117 0,000128

Tab.2

Rys.1

b) Tabelka dla przypadku z małą ilością inhibitora:

Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [mm Hg]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
5 10 15 20 25 30 35 40 45	0 1,2 3,5 5,6 7,5 9,6 11,2 12,8 14,2	70,9 69,5 66,9 64,5 62,3 59,9 58,1 56,3 54,7	669,6 670,8 673,0 675,0 676,8 678,8 680,4 681,9 683,2	0,000000 0,000044 0,000129 0,000207 0,000278 0,000357 0,000417 0,000478 0,000531	0,0000 0,0025 0,0072 0,0116 0,0155 0,0199 0,0233 0,0267 0,0297	0,000000 0,000064 0,000187 0,000301 0,000404 0,000519 0,000606 0,000695 0,000772

Tab.3

Rys.2

c) Tabelka dla przypadku ze średnią ilością inhibitora:

Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [mm Hg]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
5 10 15 20 25 30 35 40 45	0 5 12 14,8 16 17,3 18,3 19,2 20,1	50,1 44,3 36,1 32,8 31,4 29,9 28,7 27,6 26,6	687,1 692,0 698,8 701,6 702,8 704,0 705,0 705,9 706,8	0,000000 0,000189 0,000459 0,000568 0,000615 0,000667 0,000706 0,000742 0,000777	0,0000 0,0106 0,0256 0,0317 0,0344 0,0372 0,0394 0,0414 0,0434	0,0000000 0,0002783 0,0006745 0,0008352 0,0009044 0,0009796 0,0010377 0,0010901 0,0011426

Tab.4

Rys.3

d) Tabelka dla przypadku z dużą ilością inhibitora:

Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [mm Hg]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
5 10 15 20 25 30 35 40 45	0 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,4 0,5 0,5	73,5 73,3 73,3 73,1 73,1 73,1 73,0 72,9 72,9	667,4 667,6 667,6 667,7 667,7 667,7 667,8 667,9 667,9	0,000000 0,000007 0,000007 0,000011 0,000011 0,000011 0,000015 0,000019 0,000019	0,0000 0,0004 0,0004 0,0006 0,0006 0,0006 0,0008 0,0010 0,0010	0,000000 0,000011 0,000011 0,000016 0,000016 0,000016 0,000021 0,000027 0,000027

Tab.5

Rys.4

4. Po zakończeniu pomiaru, próbkę natychmiast wyjęto z kwasu, przemyto w strumieniu wody ścierając szczoteczką ciemny nalot. Po opłukaniu w alkoholu wysuszono i zważono na wadze analitycznej.

Nr blaszki	Waga przed korozją	Waga po korozji
1 2 3 4	15,023 17,164 15,303 15,997	14,989 17,103 15,277 15,310

5. Żądanie stężenie inhibitora uzyskano wprowadzając do roztworu kwasu odpowiednią ilość 1% roztworu tiomocznika odmierzoną za pomocą pipety.

6. Odczytano temperaturę i ciśnienie barometryczne. Zmierzono wysokość słupa cieczy zajmującego w biurecie objętość 1 cm3 oraz tzw. „cześć martwą”. Zmierzono wymiary próbek.

Temperatura w laboratorium: 18,5 °C

Ciśnienie w laboratorium: 744,5 mmHg

IV Wnioski

Dzieki otrzymaniu wykresów korozji można stwierdzić, że zwiększanie tiomocznika wpływa równoznacznie na zmniejszenie szybkości korozji. Szczególnie widoczny jest efekt spowolnienia korozji przy zastosowaniu tiomocznika w czwartym przypadku kiedy było go najwięcej. Wyniki utraty masy jednak niedokońca pokrywają się z rzyczywistą zmianą masy płytek, odmierzoną na wadze analitycznej. Związane jest to z niedokładnym pomiarem znacznie odbiegającym od perfekcyjnego. Znaczny bład jest także widoczny przy pomiarze ze średnią ilościa inhibitora. Błędy te mogą być dowodem na to, że w czasie reakcji korozji zachodzic może także inna reakcja wpływająca tak znacząco na przebieg całego doświadczenia.

Korozja bez inhibitora

0,000000

0,000020

0,000040

0,000060

0,000080

0,000100

0,000120

0,000140

0

10

20

30

40

50

Czas [min]

K [g/cm2]

---