Transcript Fe 2+
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