Fe 2+

Report
EN ISO 8044:1999
Korozja metali i stopów –
Podstawowa terminologia i definicje
Korozja to fizykochemiczne oddziaływanie między
środowiskiem i metalem, w którego wyniku
powstają zmiany we właściwościach metalu, które
mogą prowadzić do znaczącego pogorszenia funkcji
metalu, środowiska lub układu technicznego,
którego są częściami.
Środowisko
Oddziaływania
Metal
Środowisko zawiera czynniki korozyjne:
- substancje chemiczne: kwasy, zasady, jony chlorkowe,
związki utleniające, kompleksujące,
- podwyższona temperatura,
- narażenia mechaniczne: naprężenia, drgania, tarcie,
- prądy błądzące,
- przepływ roztworu
- mikroorganizmy (bakterie)
- …
Środowisko
Oddziaływania
Metal
Środowiska:
- naturalne: atmosfera, gleba, wody, tkanki
- związane z działalnością człowieka, np: przemysł chemiczny,
hutniczy, kosmonautyka, motoryzacja, spożywczy,
oczyszczalnie ścieków, itp.
Środowisko
Oddziaływania
Metal
Metal:
- metale,
- stopy metali,
- kompozyty z
elementami
metalowymi
Środowisko
Oddziaływania
Metal
Oddziaływania:
- elektrochemiczne – korozja elektrochemiczna
- chemiczne – korozja chemiczna
- mikrobiologiczne – korozja mikrobiologiczna
- fizyczne – wraz z poprzednimi
zwykle współdziałanie rożnych oddziaływań
Środowisko
Oddziaływania
Metal
Układ korozyjny
Zniszczenia korozyjne: pogorszenie funkcji (utrata
użyteczności) metalu, środowiska lub układu technicznego,
którego są częściami
Pogorszenie funkcji metalu
Pogorszenie funkcji?
Środowisko
Oddziaływania
Metal
Układ korozyjny
Korozja większości metali jest procesem samorzutnym,
nieuniknionym
Obieg (wielu) metali w przyrodzie
Trwała forma żelaza: tlenek żelaza
Środowisko
Oddziaływania
Metal
Oddziaływania chemiczne – korozja chemiczna:
- w środowiskach nieprzewodzących: gazy, związki organiczne,
stopiona siarka,
- reakcja chemiczna metalu z utleniaczem:
utlenianie: 2Fe + 3O2 → 2Fe2O3
siarkowanie:
Fe + S → FeS
- duże zniszczenia powyżej 200 - 400°C - korozja
wysokotemperaturowa
- turbiny gazowe, silniki, piece, spaliny, przemysł hutniczy
Środowisko
Oddziaływania
Metal
Oddziaływania elektrochemiczne – korozja elektrochemiczna:
- w środowiskach przewodzących: roztwory elektrolitów i
stopione elektrolity
- reakcje elektrochemiczne
- największe zniszczenia korozyjne metali
- tak zachodzi korozja metali w środowiskach naturalnych:
atmosfera, gleba, wody, ciało człowieka
i związanych z działalnością gospodarczą: przemysł
chemiczny, hutniczy, spożywczy, energetyka, …
Mechanizm korozji elektrochemicznej
Roztwór
elektrolityczny
`
Fe2+
Fe → Fe2+ + 2e
e
e
Metal
Reakcja anodowa
(utleniania metalu)
powoduje
polaryzację układu
(metal zyskuje
ładunek ujemny, a
roztwór – dodatni),
hamującą jej
dalszy bieg
Mechanizm korozji elektrochemicznej
Roztwór elektrolityczny
H+
Fe2+
e
e
Metal
H+
Mechanizm korozji elektrochemicznej
Roztwór elektrolityczny
Fe2+
H+
e
e
Metal
H+
Mechanizm korozji elektrochemicznej
Roztwór elektrolityczny
Fe2+
2H+ + 2e → H2
H2
Metal
Reakcja katodowa
(redukcja jonów
wodorowych)
powoduje
depolaryzację
(znika różnica
ładunków)
umożliwiając
dalszy bieg reakcji
anodowej (korozji)
Korozja z depolaryzacją wodorową)
Fe → Fe2+ + 2e
reakcja anodowa
2H+ + 2e → H2
reakcja katodowa
Korozji z depolaryzacją wodorową ulegają
zwłaszcza metale aktywne w roztworach kwaśnych,
np. Zn w roztworze HCl
Potencjał korozyjny
Metal
Roztwór korozyjny
e
e
reakcja anodowa: Fe → Fe2+ + 2e
reakcja katodowa:
2H+ + 2e → H2
Przy potencjale korozyjnym obie reakcje zachodzą
z równą szybkością (prąd sumaryczny równy zeru).
Mechanizm korozji elektrochemicznej
Roztwór elektrolityczny
O2
Fe2+
e
e
Metal
Inna reakcja
depolaryzacji
(zabierająca
elektrony z metalu)
Mechanizm korozji elektrochemicznej
Roztwór elektrolityczny
Fe2+
O2
e
e
Metal
Mechanizm korozji elektrochemicznej
Roztwór elektrolityczny
Fe2+
½O2 + H2O + 2e → 2OH-
OH-
Metal
OH-
Reakcja katodowa
(redukcja tlenu)
powoduje
depolaryzację
umożliwiając
dalszy bieg reakcji
anodowej (korozji)
Korozja z depolaryzacją tlenową)
Fe → Fe2+ + 2e
reakcja anodowa
½O2 + H2O + 2e → 2OH- reakcja katodowa
Korozja z depolaryzacją tlenową zachodzi w
środowiskach natlenionych (napowietrzonych):
atmosfera, gleba.
Reakcja anodowa: roztwarzania metalu
Roztwór elektrolityczny
Fe2+
Fe → Fe2+ + 2e
e
e
Metal
Reakcja anodowa: inna możliwość
Roztwór elektrolityczny
2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 6H+ + 6e
e
Fe2O3
e
Metal
e
e
e
Fe2O3
e
Reakcja anodowa: inna możliwość
Roztwór elektrolityczny
H2O
Fe2O3
Fe
Fe2O3
H2O
Fe2O3
Fe
Fe2O3
Dalsza
reakcja
anodowa
utrudniona,
bo tlenek na
powierzchni
utrudnia
dostęp wody
warstwa
pasywna
Reakcja anodowa: pasywacja
Roztwór elektrolityczny
Fe2O3
Fe2O3
Fe2O3
Taki stan
metalu to
pasywność =
nieznaczna
szybkość
reakcji
anodowej
Fe2O3
warstwa
pasywna
Pasywność metali
Gdy warstwa tlenkowa / wodorotlenkowa jest:
• trudnorozpuszczalna,
• szczelna,
• przyczepna do podłoża
Takie warstwy są bardzo cienkie i hamują korozję.
Pasywność wykazują m.in. stopy Fe (SONK), Cr, Ni,
Ti, Al zwłaszcza w roztworach utleniających.
Pasywacja jest utrudniona, gdy:
• roztwór zawiera jony chlorkowe,
• metal zawiera wydzielenia niemetaliczne (siarczki).
Pasywność metali
Gdy warstwa tlenkowa / wodorotlenkowa jest:
• trudnorozpuszczalna,
• szczelna,
• przyczepna do podłoża
Takie warstwy są bardzo cienkie i hamują korozję.
Porowate, słabo przyczepne warstwy tlenkowe są
grube i w małym stopniu hamują korozję metalu, a
mogą je nawet przyspieszać (to nie są warstwy
pasywne!)
Reakcje anodowe:
utlenianie metalu do jonu:
Fe → Fe2+ + 2e
szybka reakcja
utlenianie metalu do tlenku:
2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 6H+ + 6e
nieznaczna szybkość reakcji, jeśli powstaje
warstwa pasywna
Analiza układów korozyjnych
metal – roztwór korozyjny:
• W jakich warunkach wystąpi korozja?
• W jakich warunkach występuje pasywność metalu?
Przebieg reakcji korozji elektrochemicznej zależy od
potencjału metalu w roztworze korozyjnych (E) i
składu tego roztworu (m.in. pH).
Wykresy E - pH
Wykres E – pH dla Fe
2
Fe3+
E, VSEW
1
Fe2O3
Fe2+
0
Fe3O4
-1
Fe
-2
0
2
4
6
8
pH
10
12
14
Warunki odporności, korozji i teoretycznej
pasywności dla Fe
2
E, VSEW
1
korozja
pasywność
0
-1
odporność
-2
0
2
4
6
8
pH
10
12
14
Warunki odporności, korozji i teoretycznej
pasywności dla Fe
2
Fe3+
E, VSEW
1
Fe2O3
Fe2+
0
Fe3O4
-1
Fe
-2
0
2
4
6
8
pH
10
12
14
Obszary na wykresach E-pH:
• odporności metalu (trwały atom metalu: Fe)
• korozji (trwałe jony metalu)
• korozji wodorowej / tlenowej (rodzaj reakcji
katodowej)
• teoretycznej pasywności (trwałe tlenki /
wodorotlenki metalu)
Wstępna analiza, bo liczne założenia i uproszczenia
Konieczność weryfikacji eksperymentalnej
Wykres E-pH dla Na
1,5
OH-/O2
1
0,5
0
H2/H+
E, V SEW
-0,5
-1
Na+
-1,5
-2
-2,5
-3
Na
-3,5
0
2
4
6
8
10
12
14
pH
Korozja z depolaryzacją wodorową i tlenową,
produkt: Na+
Wykres E-pH dla Cu
1,5
O2/OH
-
1
CuO2
CuO
2+
Cu
2-
E, V/SEW
0,5
H+/H2
0
Cu2O
-0,5
Cu
-1
-1,5
0
2
4
6
8
10
12
14
pH
Korozja: produkty: Cu2+ (pH: 0 - 7), CuO22- (pH: 13 - 14)
możliwa pasywność w roztworach słabozasadowych: Cu2O, CuO
Wykres E-pH dla Au
HAuO32-
2
E, V/SEW
1,5
+
Au
Au3+
Au(OH)3
H2AuO3
-
-
1
O2/OH
0,5
Au
0
H+/H2
-0,5
-1
0
2
4
6
pH
8
10
12
Odporność:
niemożliwa korozja w roztworach wodnych
14
Wykres E-pH dla Ta
2
OH-/O2
E, V SHE
1
Ta2O5
0
H2/H+
-1
Ta
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
pH
Możliwa odporność na korozję w wyniku pasywacji: Ta2O5
Wykres E-pH dla Mg
1,5
-
OH /O2
1
0,5
0
+
E, V SEW
H2/H
-0,5
-1
Mg2+
Mg(OH)2
-1,5
-2
-2,5
Mg
-3
0
2
4
6
8
10
12
14
pH
Korozja w roztworach kwaśnych i obojętnych: Mg2+,
możliwa pasywność w roztworach zasadowych: Mg(OH)2
Wykres E-pH dla Zn
2
1
OH-/O2
E, V SEW
Zn2+
Zn(OH)2
0
+
H2/H
HZnO2-
-1
Zn
-2
0
7
14
pH
Korozja w roztworach kwaśnych i obojętnych: Zn2+
oraz silnie zasadowych: HZnO2możliwa pasywność w roztworach słabo zasadowych: Zn(OH)2
Wykres E-pH dla W
1,5
OH-/O2
1
E, V SEW
0,5
WO3
H2/H+
WO42-
0
WO2
-0,5
W
-1
-1,5
0
2
4
6
8
10
12
pH
Pasywność w roztworach kwaśnych: WO2, WO3,
korozja w obojętnych i zasadowych: WO42-
14

similar documents