Wydział Metali Nieżelaznych Kraków dn. 16.12.2002r.

Inżynieria Materiałowa

Rok II; grupa I

SPRAWOZDANIE Z ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH Z CHEMII FIZYCZNEJ

Temat: KINETYKA KWASOWEGO ROZTWARZANIA METALI
- INHIBITORY

Zespół nr 6: Markowicz Jacek

Wstęp:

Stal węglowa w zetknięciu z rozcieńczonymi kwasami roztwarza się. Proces ten opisuje równanie , będące sumą elementarnych reakcji elektrodowych:

reakcja anodowa: Fe Fe²⁺ + 2e

reakcja katodowa: 2H⁺ + 2e H₂

reakcja sumaryczna: Fe + 2H⁺ Fe²⁺ + H₂

Proces korozji może przebiegać bez zahamowań , jeżeli jony żelazawe tworzą
z obecnymi w roztworze anionami dobrze rozpuszczalne sole. Dzieje się tak w przypadku reakcji z kwasami: solnym, azotowym, siarkowym itp. Wytrącenie się na powierzchni metalu trudno rozpuszczalnych produktów korozji powoduje zwolnienie a nawet zatrzymanie procesu (np. kwas fosforowy, węglowy). W przypadku oddziaływania stężonymi kwasami utleniającymi stal , np. stężonym kwasem azotowym w wyniku reakcji na powierzchni metalu powstaje cienka warstewka tlenkowa uniemożliwiająca dalszą korozje (pasywacja metalu).

Inhibitory są to związki organiczne , które po dodaniu (nawet w niewielkich ilościach) do rozcieńczonych roztworów kwasów, mogą powodować zmniejszenie szybkości reakcji. Mechanizm działania inhibitorów tłumaczy się ich adsorbcją na powierzchni metalu, co zmniejsza ilość miejsc w których może zajść korozja , tym samym zmniejsza się więc polaryzacja. Inhibitorami kwasowego trawienia metali są zazwyczaj związki o polarnej budowie cząsteczki , łatwo adsorbowane na powierzchni metalu. Należy podkreślić że ten sam inhibitor może w różnym stopniu hamować reakcję, zależnie od rodzaju kwasu . Wiąże się to z aktywnym działaniem anionów w procesach adsorbcyjnych metalu.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest ustalenie wpływu stężenia tiomocznika na szybkość korozji stali w 10% kwasie siarkowym. Stężenia tiomocznika to: 0,001 g/l ; 0,01 g/l ; 0,1 g/l .

Opracowanie wyników:

Temperatura w laboratorium: 19,2 °C

Ciśnienie w laboratorium: 744 mmHg

Dla każdej biurety 10cm = 8,6 ml, czyli: 1ml = 11,6mm

p H₂O / H ₂S0₄ = 16,8 mmHg

d H₂S0₄ = 1,07 [g/cm3]

Powierzchnie płytek:

I - 1807 mm²

II - 1896 mm²

III - 1879 mm²

IV - 1823 mm²

Ubytek masy płytek:

I - 0,0746g

II - 0,0358g

III - 0,0394g

IV - 0,01g

1. Korozja bez udziału inhibitora:

Czas		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]
zegarek	Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]
12:00	5	1,892	47,8	724,85	8,4464E-05	0,00237	0,0001309
12:05	10	3,698	45,7	722,6	0,00016509	0,00462	0,0002558
12:10	15	6,45	42,5	719,18	0,00028795	0,00806	0,0004462
12:15	20	8,772	39,8	716,29	0,00039161	0,01097	0,0006068
12:20	25	10,75	37,5	713,83	0,00047991	0,01344	0,0007436
12:25	30	12,47	35,5	711,69	0,0005567	0,01559	0,0008626
12:30	35	13,932	33,8	709,87	0,00062196	0,01742	0,0009638
12:35	40	15,308	32,2	708,15	0,00068339	0,01914	0,0010589
12:40	45	16,684	30,6	706,44	0,00074482	0,02086	0,0011541
12:45	50	17,888	29,2	704,94	0,00079857	0,02236	0,0012374
12:50	55	19,178	27,7	703,34	0,00085616	0,02397	0,0013266
12:55	60	19,952	26,8	702,38	0,00089071	0,02494	0,0013802
13:00	65	20,64	26	701,52	0,00092143	0,0258	0,0014278
13:05	70	22,274	24,1	699,49	0,00099438	0,02784	0,0015408
13:10	75	23,392	22,8	698,1	0,00104429	0,02924	0,0016182
13:15	80	24,338	21,7	696,92	0,00108652	0,03042	0,0016836
13:20	85	25,37	20,5	695,64	0,00113259	0,03171	0,001755
13:25	90	26,316	19,4	694,46	0,00117482	0,0329	0,0018204

Wyliczanie gęstości prądu korozyjnego i:

i_kor =

tg α -szybkość korozji;

M - masa atomowa Fe;

n - ilość moli wydzielonego wodoru;

F - stała Faradaya.

i_kor = 6,07⋅ 10^-7 [A/cm²]

Skuteczność rekcji (skuteczność działania inhibitora):

Skuteczność rekcji jest procentowym różnicy stosunkiem szybkości korozji bez inhibitora i szybkością danej korozji do szybkości danej korozji.

2. Korozja z małą ilością inhibitora:

Czas		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]
Zegarek	Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]
12:28	5	0,68	49,2	726,344	3,07143E-05	0,00086	4,5359E-05
12:33	10	1,37	48,4	725,488	6,14286E-05	0,00172	9,0717E-05
12:38	15	2,23	47,4	724,418	9,98214E-05	0,0028	0,00014742
12:43	20	3,18	46,3	723,241	0,000142054	0,00398	0,00020978
12:48	25	4,21	45,1	721,957	0,000188125	0,00527	0,00027782
12:53	30	5,16	44	720,78	0,000230357	0,00645	0,00034019
12:58	35	5,84	43,2	719,924	0,000261071	0,00731	0,00038555
13:03	40	6,45	42,5	719,175	0,000287946	0,00806	0,00042524
13:08	45	6,96	41,9	718,533	0,000310982	0,00871	0,00045926
13:13	50	7,31	41,5	718,105	0,000326339	0,00914	0,00048194
13:18	55	7,56	41,2	717,784	0,000337857	0,00946	0,00049895
13:23	60	7,82	40,9	717,463	0,000349375	0,00978	0,00051595
13:28	65	8,08	40,6	717,142	0,000360893	0,01011	0,00053296
13:33	70	8,34	40,3	716,821	0,000372411	0,01043	0,00054997
13:38	75	8,42	40,2	716,714	0,00037625	0,01054	0,00055564
13:43	80	8,60	40	716,5	0,000383929	0,01075	0,00056698
13:48	85	8,77	39,8	716,286	0,000391607	0,01097	0,00057832
13:53	90	8,85	39,7	716,179	0,000395446	0,01107	0,00058399

i_kor = 6,8⋅10^-8 Skuteczność reakcji wynosi 66,6%

3.Korozja ze średnią ilością inhibitora:

Czas		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]
zegarek	Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]
13:25	5	0,34	49,6	726,772	1,5179E-05	0,00042	2,2618E-05
13:40	10	0,85	49	726,13	3,7946E-05	0,00106	5,6546E-05
13:45	15	1,445	48,3	725,381	6,4509E-05	0,00181	9,6128E-05
13:50	20	2,21	47,4	724,418	9,8661E-05	0,00276	0,00014702
13:55	25	2,805	46,7	723,669	0,00012522	0,00351	0,0001866
14:00	30	3,485	45,9	722,813	0,00015558	0,00436	0,00023184
14:05	35	4,25	45	721,85	0,00018973	0,00531	0,00028273
14:10	40	4,76	44,4	721,208	0,0002125	0,00595	0,00031666
14:15	45	5,27	43,8	720,566	0,00023527	0,00659	0,00035059
14:20	50	5,78	43,2	719,924	0,00025804	0,00723	0,00038451
14:25	55	6,205	42,7	719,389	0,00027701	0,00776	0,00041279
14:30	60	6,545	42,3	718,961	0,00029219	0,00818	0,0004354
14:35	65	6,8	42	718,64	0,00030357	0,0085	0,00045237
14:40	70	7,055	41,7	718,319	0,00031496	0,00882	0,00046933
14:45	75	7,31	41,4	717,998	0,00032634	0,00914	0,0004863
14:50	80	7,48	41,2	717,784	0,00033393	0,00935	0,00049761
14:55	85	7,65	41	717,57	0,00034152	0,00956	0,00050891
15:00	90	7,735	40,9	717,463	0,00034531	0,00967	0,00051457

i_kor = 5,95⋅10^-8 Skuteczność reakcji wynosi 66,6%

4.Tabelka dla przypadku z dużą ilością inhibitora:

Czas		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]
zegarek	Czas od rozpoczęcia pomiaru t [min]
13:49	5	0,783	49,1	726,237	3,4955E-05	0,0009787	5,369E-05
13:54	10	0,783	49,1	726,237	3,4955E-05	0,0009787	5,369E-05
13:59	15	0,87	49	726,13	3,8839E-05	0,0010875	5,965E-05
14:04	20	0,87	49	726,13	3,8839E-05	0,0010875	5,965E-05
14:09	25	0,957	48,9	726,023	4,2723E-05	0,0011963	6,562E-05
14:14	30	0,957	48,9	726,023	4,2723E-05	0,0011963	6,562E-05
14:19	35	0,957	48,9	726,023	4,2723E-05	0,0011963	6,562E-05
14:24	40	0,957	48,9	726,023	4,2723E-05	0,0011963	6,562E-05
14:29	45	1,044	48,8	725,916	4,6607E-05	0,001305	7,159E-05
14:34	50	1,044	48,8	725,916	4,6607E-05	0,001305	7,159E-05
14:39	55	1,044	48,8	725,916	4,6607E-05	0,001305	7,159E-05
14:44	60	1,044	48,8	725,916	4,6607E-05	0,001305	7,159E-05
14:49	65	1,044	48,8	725,916	4,6607E-05	0,001305	7,159E-05
14:54	70	1,044	48,8	725,916	4,6607E-05	0,001305	7,159E-05
14:59	75	1,131	48,7	725,809	5,0491E-05	0,0014138	7,755E-05
15:04	80	1,131	48,7	725,809	5,0491E-05	0,0014138	7,755E-05
15:09	85	1,131	48,7	725,809	5,0491E-05	0,0014138	7,755E-05
15:14	90	1,131	48,7	725,809	5,0491E-05	0,0014138	7,755E-05

i_kor = 4,35⋅10^-10 Skuteczność reakcji wynosi 98,3%

Wnioski:

Przeprowadzone ćwiczenie pozwala stwierdzić że dodatek tiomocznika - inhibitora kwasowego trawienia żelaza, znacznie spowalnia korozję. Widzimy że szybkość korozji jest odwrotnie proporcjonalna do stężenia inhibitora. Niedokładny drugi pomiar najprawdopodobniej spowodowany jest pozostałością inhibitora w naczyniach jeszcze po poprzednim wykonywanym ćwiczeniu. Dla stężenia 0 g/l szybkość wynosiła 3⋅10^-7 [g/cm²], dla 0,001 1⋅10^-7 [g/cm²] , podobnie przy 0,01 [g/cm²], a przy 0,1 tylko 0,0000004 [g/cm²]. Skuteczności inhibitora wynosiła wówczas aż 98,3%.

---