ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Χημική Τεχνολογία. Εργαστηριακό Μέρος

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Χημική Τεχνολογία Εργαστηριακό Μέρος Ενότητα 9: Διάβρωση των Μετάλλων Ευάγγελος Φουντουκίδης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί Ενότητας Στην 9η Εργαστηριακή Άσκηση κατά την εκτέλεση του πειραματικού μέρους λαμβάνεται δοκίμιο Ζn, λειαίνεται, ξεπλένεται με απιονισμένο νερό, ξηραίνεται με θερμό αέρα και ζυγίζεται, οπότε προσδιορίζεται η αρχική του μάζα m o. Τη χρονική στιγμή t = 0 sec εμβαπτίζεται το δοκίμιο στο διάλυμα του H 2 SO 4 και αφήνεται για χρόνο 30 sec. Στη συνέχεια το δοκίμιο του Ζn εξάγεται από το διάλυμα και βυθίζεται αμέσως στο ποτήρι με το απιονισμένο νερό για να σταματήσει η αντίδραση, πλένεται, ξηραίνεται με θερμό αέρα και ζυγίζεται, οπότε προσδιορίζεται η μάζα του m i. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται δέκα φορές. 4

5 Περιεχόμενα Ενότητας Πειραματική Διάταξη Πειραματική Διαδικασία Επεξεργασία Μετρήσεων Γραμμικό Μοντέλο Προσαρμογή Παραβολικού Μοντέλου Παράρτημα Η Έννοια της Διάβρωσης Διάβρωση των Μετάλλων Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση Ηλεκτροχημικό Στοιχείο Η Ταχύτητα της Διάβρωσης Αντιδιαβρωτική Προστασία 5

6 Πειραματική Διάταξη Απαιτούμενα όργανα και αντιδραστήρια: Έλασμα Ζη. Ποτήρι ζέσεως 250 ml με διάλυμα H 2 SO 4 1 Μ. Ποτήρι ζέσεως 500 ml με απιονισμένο νερό. Γυαλόχαρτο, λαβίδα, υδροβολέας, πιστόλι θερμού αέρα. Αναλυτικός ζυγός.

7 Πειραματική Διαδικασία Λαμβάνεται δοκίμιο Ζn, λειαίνεται, ξεπλένεται με απιονισμένο νερό, ξηραίνεται με θερμό αέρα και ζυγίζεται, οπότε προσδιορίζεται η αρχική του μάζα m o. Τη χρονική στιγμή t = 0 sec εμβαπτίζεται το δοκίμιο στο διάλυμα του H 2 SO 4 και αφήνεται για χρόνο 30 sec. Στη συνέχεια το δοκίμιο του Ζn εξάγεται από το διάλυμα και βυθίζεται αμέσως στο ποτήρι με το απιονισμένο νερό για να σταματήσει η αντίδραση, πλένεται, ξηραίνεται με θερμό αέρα και ζυγίζεται, οπότε προσδιορίζεται η μάζα του m i. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται δέκα φορές.

8 Επεξεργασία Μετρήσεων - 1 Με βάση τις ληφθείσες πειραματικές μετρήσεις γίνονται τα ακόλουθα: Προσαρμογή γραμμικού μοντέλου: y = k 1 t Το γενικό γραμμικό μοντέλο έχει την μορφή: y = a 1 +b 1 x Κατασκευάζεται πίνακας των μετρήσεων. Ο πίνακας αυτός φέρει τις ακόλουθες στήλες: Αύξων αριθμός μέτρησης, i. Συνολικός χρόνος, t i σε min, παραμονής του δοκιμίου Ζn στο διάλυμα του H 2 SO 4. Είναι η μεταβλητή x για την προσαρμογή στο γραμμικό μοντέλο.

9 Επεξεργασία Μετρήσεων - 2 Μάζα m i σε gr του δοκιμίου Ζn, μετά τον συνολικό χρόνο t i παραμονής στο διάλυμα H 2 SO 4. Απώλεια μάζας του δοκιμίου λόγω διάβρωσης από την έναρξη του πειράματος, y i =m o -m i. Είναι η μεταβλητή y για την προσαρμογή στο γραμμικό μοντέλο. Στη συνέχεια εφαρμόζεται η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων μεταξύ των μεταβλητών χ και y και προσδιορίζονται τα a1 και b1 καθώς και ο συντελεστής συσχέτισης r1. To b1 είναι η εμπειρική σταθερά k1 της διάβρωσης.

10 Επεξεργασία Μετρήσεων - 3 Με εφαρμογή του θεωρητικού μοντέλου υπολογίζεται η θεωρητική απώλεια μάζας ŷi. Βρίσκεται η απόκλιση μεταξύ θεωρητικής και πειραματικής τιμής ŷi - yi. Οι αποκλίσεις υψώνονται στο τετράγωνο και βρίσκεται το άθροισμα των τετραγώνων των αποκλίσεων μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών Σ(ŷi-yi)2.

11 Γραμμικό Μοντέλο x y i t i (min) m i (gr) y i =m 0 - m i ŷ i =a 1 +b 1.t i ŷ i - y i (ŷ i - y i ) m 0 0 ŷ ,5 m 1 m 0 -m 1 ŷ m 2 m 0 -m 2 ŷ m 10 m 0 -m 10 ŷ 10.. Σ(ŷ i -y i ) 2 Καταγράφονται σε διάγραμμα τα πειραματικά σημεία (t i, y i ) και κατασκευάζεται η προσδιορισθείσα με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων ευθεία.

12 Προσαρμογή Παραβολικού Μοντέλου y 2 = k 2 t - 1 Για να εφαρμοσθεί η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων το παραβολικό μοντέλο πρέπει να γραμμικοποιηθεί. Θέτουμε όπου y 2 = ψ και το αντίστοιχο γραμμικό μοντέλο έχει την μορφή: ψ = a 2 + b 2 x Κατασκευάζεται πίνακας των μετρήσεων με τις ακόλουθες στήλες: Αύξων αριθμός μέτρησης, i. Συνολικός χρόνος, t i σε min, παραμονής του δοκιμίου Ζn στο διάλυμα του H 2 SO 4. Είναι η μεταβλητή x για την προσαρμογή στο παραβολικό μοντέλο.

13 Προσαρμογή Παραβολικού Μοντέλου y 2 = k 2 t - 2 Μάζα m i σε g του δοκιμίου Ζn, μετά το συνολικό χρόνο t i παραμονής στο διάλυμα H 2 SO 4. Απώλεια μάζας του δοκιμίου λόγω διάβρωσης από την έναρξη του πειράματος, y i =m o -m i. Η απώλεια μάζας υψώνεται στο τετράγωνο, y i2. Είναι η μεταβλητή ψ για την προσαρμογή στο γραμμικό μοντέλο. Στη συνέχεια εφαρμόζεται η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων μεταξύ των μεταβλητών χ και ψ και προσδιορίζονται τα a 2 και b 2 καθώς και ο συντελεστής συσχέτισης r 2. To b 2 είναι η εμπειρική σταθερά k 2 της διάβρωσης.

14 Προσαρμογή Παραβολικού Μοντέλου y 2 = k 2 t - 3 Με εφαρμογή του θεωρητικού μοντέλου υπολογίζεται η θεωρητική απώλεια μάζας ŷi =(a2+ b2 ti)1/2. Εάν το a2 < 0, μπορεί για τους αρχικούς χρόνους ti, a2+ b2 ti < 0 και τότε επειδή η ρίζα αρνητικού αριθμού δεν είναι πραγματικός αριθμός, παραλείπω τα πρώτα. Βρίσκεται η απόκλιση μεταξύ θεωρητικής και πειραματικής τιμής ŷi - yi. Οι αποκλίσεις υψώνονται στο τετράγωνο και βρίσκεται το άθροισμα των τετραγώνων των αποκλίσεων μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών Σ(ŷi-yi)2.

15 Παραβολικό Μοντέλο x ψ i t i (min) m i (g) y i =m 0 -m i y i 2 ŷ i =(a 2 +b 2.t i ) 1/2 ŷ i -y i (ŷ i -y i ) m ŷ ,5 m 1 m 0 -m 1 (m 0 -m 1 ) 2 ŷ m 2 m 0 -m 2 (m 0 -m 2 ) 2 ŷ m 10 m 0 -m 10 (m 0 -m 10 ) 2 ŷ 10.. Σ(ŷ i -y i ) 2 Επάνω στο ίδιο διάγραμμα που σχεδιάσαμε το γραμμικό μοντέλο, καταγράφονται τα θεωρητικά σημεία (t i,ŷ i ) από τον πίνακα, ενώνονται με καμπυλόγραμμο και έτσι κατασκευάζεται η θεωρητική καμπύλη του παραβολικού μοντέλου.

16 Σύγκριση Μοντέλων Γίνεται σύγκριση των δύο μοντέλων με βάση τα αθροίσματα των τετραγώνων των αποκλίσεων των πειραματικών από τις θεωρητικές τιμές. Το μοντέλο με το μικρότερο άθροισμα των τετραγώνων των αποκλίσεων των πειραματικών από τις θεωρητικές τιμές Σ(ŷi-yi) 2, περιγράφει καλύτερα την εξέλιξη της εξεταζόμενης διάβρωσης.

17 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

18 Η Έννοια της Διάβρωσης - 1 Κατά την επιλογή των υλικών κατασκευής ενός συστήματος, πρέπει να εξετασθούν προσεκτικά, εκτός των άλλων, και τα χαρακτηριστικά και η γενική συμπεριφορά των διαφόρων υλικών που προσφέρονται για χρήση στο περιβάλλον του συστήματος αυτού, ώστε να επιλεχθούν τα πιο κατάλληλα υλικά κατασκευής. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στη δυνατότητα εμφάνισης διάβρωσης στα υλικά και στο ρυθμό εξέλιξης αυτής. Η διάβρωση αφορά τόσο τα μεταλλικά όσο και τα μη μεταλλικά υλικά.

19 Η Έννοια της Διάβρωσης - 2 Τα μέταλλα χαρακτηρίζονται από μια κατάσταση, που από ενεργειακή άποψη είναι αναβαθμισμένη. Η φυσική τους κατάσταση είναι η μορφή των ορυκτών από τα οποία εξάγονται και ενεργειακά είναι σταθερότερη. Τα καθαρά μέταλλα και τα κράματα τους αυθόρμητα τείνουν να αντιδράσουν με τις ουσίες ενός διαβρωτικού περιβάλλοντος και να σχηματίσουν σταθερές χημικές ενώσεις, όμοιες με εκείνες υπό τις οποίες βρίσκονται στη φύση. Η προδιάθεση αυτή των μετάλλων είναι έκφραση της ισχύος του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου. Όταν, με τον τρόπο αυτό, λαμβάνει χώρα απώλεια μετάλλου, τότε η ένωση που σχηματίζεται αναφέρεται σαν προϊόν της διάβρωσης και το μέταλλο αναφέρεται σαν διαβρωμένο ή οξειδωμένο.

20 Η Έννοια της Διάβρωσης - 3 Αν περιοχές του ίδιου μετάλλου είναι εκτεθειμένες σε διαφορετικά διαβρωτικά περιβάλλοντα δημιουργείται ανοδική και καθοδική περιοχή λόγω διαφορών στη συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη (Concentration cells). Ακόμη και σε μέταλλο που είναι εκτεθειμένο στο ίδιο διαβρωτικό περιβάλλον υπάρχουν ανοδικές και καθοδικές περιοχές, εξαιτίας τοπικών διαφορών στην εσωτερική ενέργεια, π.χ. στρέβλωση κρυσταλλικού πλέγματος από μηχανική καταπόνηση, που οδηγεί σε ενεργειακή αναβάθμιση (Stress cells) ή ακόμα και λόγω τραχύτητας στην επιφάνεια του μετάλλου.

21 Η Έννοια της Διάβρωσης - 4 Υπάρχουν διάφοροι τύποι διάβρωσης των μετάλλων. Συνήθως η διάβρωση των μετάλλων περιορίζεται στην επιφάνεια, οπότε καλείται γενική διάβρωση. Μερικές όμως φορές συμβαίνει κατά μήκος των ορίων των κόκκων των μετάλλων, όπου παρατηρείται ενεργειακή αναβάθμιση λόγω στρεβλώσεων στο κρυσταλλικό πλέγμα, ή άλλων περιοχών των μετάλλων που βρίσκονται υπό μηχανική καταπόνηση.

22 Οι Κυριότερες Περιπτώσεις Διάβρωσης των Μετάλλων - 1 Διάβρωση των μετάλλων στο έδαφος Αυτή προκαλείται στα μέταλλα που έρχονται σε επαφή με το έδαφος. Συνήθως στο έδαφος αφθονούν περιπλανώμενα ηλεκτρικά ρεύματα, που προκαλούν πραγματικές ηλεκτρολύσεις, στις οποίες οι υπεδάφιες μεταλλικές κατασκευές συμπεριφέρονται σαν ηλεκτρόδια και το νερό με τα διαλυμένα εντός αυτού άλατα σαν ηλεκτρολύτης.

23 Οι Κυριότερες Περιπτώσεις Διάβρωσης των Μετάλλων - 2 Η από διαλύματα διάβρωση των μετάλλων (χημική διάβρωση) Αυτή προκαλείται στα μέταλλα που έρχονται σ επαφή με διαλύματα. Συνήθως ο τύπος αυτός της διάβρωσης οφείλεται στη χημική επίδραση, επί των μετάλλων, των ουσιών που είναι διαλυμένες. Π.χ. κατά την επαφή Ζn με αραιό διάλυμα H 2 SO 4 λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια του μετάλλου η ακόλουθη αντίδραση: Ζn + H 2 SO 4 ZnSO 4 + Η 2

24 Διάβρωση των Μετάλλων - 1 Από ηλεκτροχημική άποψη μια πλήρης αντίδραση διάβρωσης ενός μεταλλικού υλικού βασίζεται στην ύπαρξη μιας ανοδικής και μιας καθοδικής περιοχής, μεταξύ των οποίων εμφανίζεται διαφορά δυναμικού. Οι δύο περιοχές συνδέονται αγώγιμα και με την παρουσία ηλεκτρολύτη σχηματίζουν γαλβανικό στοιχείο. Έτσι όταν δύο διαφορετικά μέταλλα βρίσκονται σε επαφή (π.χ. χάλκινο εξάρτημα προσαρμοσμένο σε χαλύβδινο σωλήνα ύδρευσης) δημιουργείται άνοδος και κάθοδος (Composition cells). Επίσης αν μέσα στο ίδιο μέταλλο υπάρχουν προσμίξεις δημιουργείται ανοδική και καθοδική περιοχή.

25 Διάβρωση των Μετάλλων - 2 Αν περιοχές του ίδιου μετάλλου είναι εκτεθειμένες σε διαφορετικά διαβρωτικά περιβάλλοντα δημιουργείται ανοδική και καθοδική περιοχή λόγω διαφορών στη συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη (Concentration cells). Ακόμη και σε μέταλλο που είναι εκτεθειμένο στο ίδιο διαβρωτικό περιβάλλον υπάρχουν ανοδικές και καθοδικές περιοχές, εξαιτίας τοπικών διαφορών στην εσωτερική ενέργεια, π.χ. στρέβλωση κρυσταλλικού πλέγματος από μηχανική καταπόνηση, που οδηγεί σε ενεργειακή αναβάθμιση (Stress cells) ή ακόμα και λόγω τραχύτητας στην επιφάνεια του μετάλλου.

26 Διάβρωση των Μετάλλων - 3 Υπάρχουν διάφοροι τύποι διάβρωσης των μετάλλων. Συνήθως η διάβρωση των μετάλλων περιορίζεται στην επιφάνεια, οπότε καλείται γενική διάβρωση. Μερικές όμως φορές συμβαίνει κατά μήκος των ορίων των κόκκων των μετάλλων, όπου παρατηρείται ενεργειακή αναβάθμιση λόγω στρεβλώσεων στο κρυσταλλικό πλέγμα, ή άλλων περιοχών των μετάλλων που βρίσκονται υπό μηχανική καταπόνηση.

27 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 1 Η δραστικότητα του μετάλλου Οι συγκεντρώσεις οξειδωτικών ουσιών στο περιβάλλον του μετάλλου Η οξύτητα του περιβάλλοντος του μετάλλου Η αγωγιμότητα του διαβρωτικού περιβάλλοντος Η ταχύτητα ροής του ρευστού (αέρας ή υγρό) που περιβάλλει το μέταλλο Η θερμοκρασία του μετάλλου Η δημιουργία παθητικών στρωμάτων στην επιφάνεια του μετάλλου

28 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 2 Η ανομοιογένεια της επιφάνειας του υλικού Η ύπαρξη μηχανικών τάσεων Η ύπαρξη τριεπιφανειών Πέραν των προαναφερθέντων παραγόντων υπάρχουν και άλλοι ειδικότεροι παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τη διάβρωση ενός μετάλλου.

29 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 3 Οι συγκεντρώσεις οξειδωτικών ουσιών στο περιβάλλον του μετάλλου Συνήθως η ύπαρξη οξειδωτικών ουσιών στο περιβάλλον του μετάλλου επιταχύνει τη διάβρωση του. Η επιτάχυνση αυτή είναι τόσο μεγαλύτερη όσο υψηλότερες είναι οι συγκεντρώσεις των οξειδωτικών ουσιών στο περιβάλλον. Σε μερικές όμως περιπτώσεις η ύπαρξη τέτοιων ουσιών επιβραδύνει τη διάβρωση του μετάλλου λόγω συνήθως της δημιουργίας στην επιφάνεια του μετάλλου προστατευτικού οξειδίου.

30 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 4 Η οξύτητα του περιβάλλοντος του μετάλλου Κατά την επαφή μετάλλου με διαλύματα, υπάρχει τάση του μετάλλου να διαβρωθεί αντικαθιστώντας τα ιόντα υδρογόνου του διαλύματος. Η τάση αυτή συνδέεται άμεσα με τη θέση του μετάλλου στη σειρά δραστικότητας των στοιχείων. Καθώς κατά τη διάβρωση αυτή λαμβάνει χώρα εκφόρτιση των ιόντων υδρογόνου, η συγκέντρωση αυτών, η οποία εκφράζεται με το pη του διαλύματος, είναι ένας πολύ σημαντικός παράγοντας για τη διάβρωση του μετάλλου. Γενικά τα όξινα διαλύματα (χαμηλό ΡΗ) είναι περισσότερο διαβρωτικά από τα ουδέτερα (pη = 7) και τα αλκαλικά διαλύματα (υψηλό pη).

31 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 5 Η αγωγιμότητα του διαβρωτικού περιβάλλοντος Όσο μεγαλύτερη είναι η αγωγιμότητα του διαβρωτικού περιβάλλοντος, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάβρωση. Αυτός είναι ο κύριος για τη μεγάλη διαβρωτική ικανότητα του θαλασσινού νερού, που έχει υψηλή αγωγιμότητα λόγω της μεγάλης συγκέντρωσης αλάτων που περιέχει. Για τον ίδιο λόγο η διάβρωση των μεταλλικών κατασκευών είναι εντονότερη σε παραθαλάσσιες περιοχές, αφού σταγονίδια θαλασσινού νερού παρασύρονται από τον άνεμο (αλατονέφωση) και αυξάνουν την αγωγιμότητα της υγρασίας του αέρα.

32 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 6 Η ταχύτητα ροής του ρευστού (αέρας ή υγρό) που περιβάλλει το μέταλλο Η μετάβαση από την ακινησία στη κίνηση και η αύξηση της ταχύτητας του ρευστού που περιβάλλει ένα μέταλλο, τείνει να επιταχύνει τη διάβρωση του. Αυτή η επίδραση εξηγείται από το γεγονός ότι η αύξηση της ταχύτητας του μέσου που περιβάλλει το μέταλλο οδηγεί στην αύξηση του ρυθμού μεταφοράς των διαβρωτικών ουσιών προς τη διαβρωνόμενη επιφάνεια και στην αύξηση του ρυθμού απομάκρυνσης των προϊόντων της διάβρωσης από την επιφάνεια.

33 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 7 Η θερμοκρασία του μετάλλου Είναι γνωστό ότι οι χημικές αντιδράσεις επιταχύνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Επομένως και ο ρυθμός της διάβρωσης του μετάλλου αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας.

34 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 8 Η δημιουργία παθητικών στρωμάτων στην επιφάνεια του μετάλλου Σε μερικές περιπτώσεις με την έναρξη της διάβρωσης ενός μετάλλου, η εξέλιξη αυτής ελέγχεται από τα παθητικά στρώματα, τα οποία είναι δυνατόν να σχηματισθούν πάνω στην επιφάνεια του μετάλλου. Τα στρώματα αυτά μπορούν να είναι είτε αδιαπέραστα και αδρανή, οπότε εμποδίζουν τη διάβρωση να προχωρήσει, είτε διαπερατά, οπότε η διάβρωση συνεχίζεται. Η ανομοιογένεια της επιφάνειας του υλικού Ακαθαρσίες και ρύπανση στην επιφάνεια του υλικού επιταχύνουν την διάβρωση. Το ίδιο συμβαίνει και στις μικροσκοπικές ή μακροσκοπικές επιφανειακές ανωμαλίες (προεξοχές).

35 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 9 Η ύπαρξη μηχανικών τάσεων Πλαστικές παραμορφώσεις και αταξίες δομής που προκλήθηκαν από μηχανική ή θερμική κατεργασία αυξάνουν την διάβρωση. Μηχανική καταπόνηση του υλικού προκαλεί στρέβλωση του κρυσταλλικού πλέγματος του μετάλλου, με αποτέλεσμα τοπική ενεργειακή αναβάθμιση στην καταπονηθήσα περιοχή. Οι ενεργειακά αναβαθμισμένες περιοχές είναι χημικά δραστικότερες και επομένως οξειδώνονται ευκολότερα.

36 Οι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Διάβρωση - 10 Η ύπαρξη τριεπιφανειών Η διάβρωση στην περιοχή των τριεπιφανειών είναι εντονότερη. Για παράδειγμα αναφέρουμε την ίσαλη γραμμή των πλοίων (αέρας-θάλασσα-χάλυβας) ή σωλήνες που διαπερνούν πατώματα (αέρας-μπετόν-χάλυβας). Πέραν των προαναφερθέντων παραγόντων υπάρχουν και άλλοι ειδικότεροι παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τη διάβρωση ενός μετάλλου.

37 Το Δυναμικό ενός Ημιστοιχείου - 1 Το δυναμικό ενός ημιστοιχείου δίνεται από την εξίσωση του Νernst: ο RT. Ε=Ε Όπου:. ln Q ne F E = Το δυναμικό του ημιστοιχείου, Volt E o = Το κανονικό δυναμικό του ημιστοιχείου, Volt R = Σταθερά τελείων αερίων, 1,98719 cal/mol K T = Απόλυτη θερμοκρασία, Κ F = Σταθερά Faraday, cal/volt n e = Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που ανταλλάσσονται Το Q έχει τη μορφή της έκφρασης για τη σταθερά της χημικής ισορροπίας, με τη διαφορά ότι οι συγκεντρώσεις στον τύπο, είναι οι συγκεντρώσεις πριν την αποκατάσταση της ισορροπίας.

38 Το Δυναμικό ενός Ημιστοιχείου - 2 Ας θεωρήσουμε ένα στοιχείο Α που υφίσταται αναγωγή: A ne + ne Α Το δυναμικό του ημιστοιχείου δίνεται από την σχέση: ο RT. 1 Ε=Ε. ln e ne F [ A n + ] E o είναι το κανονικό δυναμικό αναγωγής του ημιστοιχείου όπως λαμβάνεται από τον πίνακα. RT. ne Ε=Ε ο ln[ A + ] n F Ας θεωρήσουμε ένα στοιχείο Α που υφίσταται οξείδωση: Α A ne + ne Το δυναμικό του ημιστοιχείου δίνεται από την σχέση: E o είναι το κανονικό δυναμικό οξείδωσης του ημιστοιχείου, που έχει αντίθετο πρόσημο από τα κανονικά δυναμικά αναγωγής του πίνακα. e.

39 Ηλεκτροχημικό Στοιχείο - 1 Όπως ήδη αναφέρθηκε εάν βυθίσουμε ένα έλασμα Ζn σε ένα διάλυμα ιόντων Ζn 2+ π.χ. διάλυμα ZnSO 4, τότε άτομα Ζn από το μεταλλικό έλασμα έχουν την αυθόρμητη τάση να οξειδωθούν και να μετατραπούν σε ιόντα Ζn 2+ για να περάσουν στο διάλυμα, αφήνοντας τα ηλεκτρόνια τους πάνω στο έλασμα. Το φαινόμενο συνεχίζεται μέχρι να αποκατασταθεί η χημική ισορροπία. Ζn Ζn e Η παραπάνω διάταξη αποτελεί το ημιστοιχείο Ζn/Ζn 2+. Παρόμοιο φαινόμενο συμβαίνει εάν βυθίσουμε ένα έλασμα Cu σε ένα διάλυμα ιόντων Cu 2+ : Cu Cu e Η παραπάνω διάταξη αποτελεί ένα δεύτερο ημιστοιχείο το Cu /Cu 2+.

40 Ηλεκτροχημικό Στοιχείο - 2 Εάν συνδέσουμε τα δύο ημιστοιχεία αγώγιμα με ένα ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο και ένα μεταλλικό αγωγό (σύρμα), το ηλεκτρικό κύκλωμα κλείνει. Ο ηλεκτρολυτικός σύνδεσμος μπορεί να είναι ένα απορροφητικό χαρτί εμβαπτισμένο σε ένα διάλυμα άλατος (π.χ. KCl) ή ένας γυάλινος σωλήνας σχήματος U που είναι γεμάτος με ένα ζελέ (άγαρ-άγαρ) που περιέχει KCl. Επειδή η τάση του Ζn να αποβάλει ηλεκτρόνια είναι μεγαλύτερη από ότι στον Cu, η χημική ισορροπία στο ημιστοιχείο του Cu/Cu 2+ διαταράσσεται και μετατοπίζεται προς τα αριστερά, ενώ παρατηρείται συνεχής ροή ηλεκτρονίων από τον Ζn προς τον Cu διαμέσου του μεταλλικού αγωγού.

41 Ηλεκτροχημικό Στοιχείο - 3 Στα δύο ημιστοιχεία πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις: Άνοδος: Zn Zn e (οξείδωση) Κάθοδος: Cu e Cu (αναγωγή) Στο ημιστοιχείο Ζn/Ζn 2+ (άνοδος), ο Zn διαλύεται και περνά στο διάλυμα ZnSO 4 υπό μορφή ιόντων Ζn 2+. Για να διατηρήσει το διάλυμα την ηλεκτρική ουδετερότητά του, ιόντα Cl - προερχόμενα από τον ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο εισέρχονται στο διάλυμα. Στο ημιστοιχείο Cu/Cu 2+ (κάθοδος), ιόντα Cu 2+ από το διάλυμα CuSO 4 επικάθονται στο έλασμα του Cu και μετατρέπονται σε μεταλλικό Cu. Για να διατηρήσει το διάλυμα την ηλεκτρική ουδετερότητά του, ιόντα Κ + προερχόμενα από τον ηλεκτρολυτικό σύνδεσμο εισέρχονται στο διάλυμα.

42 Η Ταχύτητα της Διάβρωσης - 1 Η ταχύτητα της διάβρωσης προκύπτει από τη ταχύτητα του βραδύτερου ενδιάμεσου σταδίου της συνολικής αντίδρασης, που λαμβάνει χώρα κατά τη διάβρωση. Ειδικότερα η ταχύτητα της επιφανειακής διάβρωσης ενός μεταλλικού αντικειμένου που διαβρώνεται ομοιόμορφα, μπορεί να εκφρασθεί με έναν από τους ακόλουθους δύο τρόπους.

43 Η Ταχύτητα της Διάβρωσης Η ταχύτητα της διάβρωσης r 1 δίνεται από το λόγο της μεταβολής του πάχους dh του διαβρωμένου τμήματος του μεταλλικού αντικειμένου προς το χρονικό διάστημα dt στο οποίο αυτή επιτυγχάνεται. r 1 = dh /dt 2. Η ταχύτητα της διάβρωσης r 2 δίνεται από το λόγο της απώλειας της μάζας dm του διαβρωμένου μεταλλικού αντικειμένου προς το χρονικό διάστημα dt στο οποίο αυτή επιτυγχάνεται. r 2 = dm/dt

44 Η Ταχύτητα της Διάβρωσης - 3 Για μικρά πάχη ομοιόμορφα διαβρωμένου μεταλλικού αντικειμένου ισχύει κατά προσέγγιση η ακόλουθη σχέση: m = ρ S h Όπου: m = Η μάζα του διαβρωμένου τμήματος του μεταλλικού αντικειμένου ρ = Η πυκνότητα του μεταλλικού αντικειμένου S = Η επιφάνεια διάβρωσης του μεταλλικού αντικειμένου h = Το πάχος του διαβρωμένου τμήματος του μεταλλικού αντικειμένου Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει: r 2 = dm/dt = ρ S (dh/dt) = ρ S r 1

45 Η Ταχύτητα της Διάβρωσης - 4 Η ταχύτητα της διάβρωσης θα δίνεται από την ακόλουθη γενική σχέση: r = dy / dt Όπου: r= Η ταχύτητα της διάβρωσης του μεταλλικού αντικειμένου dy = Η μεταβολή της μάζας ή του πάχους του διαβρωμένου τμήματος του μεταλλικού αντικειμένου dt = Το χρονικό διάστημα εντός του οποίου επήλθε η μεταβολή dy = Δεν υπάρχει ένας γενικός νόμος που να δίνει τη ταχύτητα της διάβρωσης όλων των μετάλλων συναρτήσει του χρόνου. Σε μερικές περιπτώσεις η ταχύτητα διάβρωσης παραμένει σταθερή, σε άλλες μειώνεται και σε άλλες αυξάνει συναρτήσει του χρόνου.

46 Η Ταχύτητα της Διάβρωσης - 5 Εάν είναι γνωστή η ταχύτητα r(t) της διάβρωσης ενός μεταλλικού αντικειμένου συναρτήσει του χρόνου, τότε προκύπτει η σχέση dy=r(t) dt, η οποία με ολοκλήρωση, για y από 0 έως y και για t από 0 έως t, δίνει μια σχέση της μορφής y = y(t). Η σχέση αυτή δείχνει το πόσο έχει προωθηθεί η διάβρωση του μεταλλικού αντικειμένου από το χρόνο έναρξης μέχρι τη χρονική στιγμή t. Αντίστροφα, αν είναι γνωστή η σχέση y = y(t), τότε με βάση τη σχέση r = dy/dt μπορεί να προσδιοριστεί η ταχύτητα της διάβρωσης. Η μορφή του μαθηματικού μοντέλου y = y(t) εξαρτάται από τη φύση του μεταλλικού αντικειμένου και από τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος μέσα στο οποίο βρίσκεται.

47 Αντιδιαβρωτική Προστασία - 1 Η προστασία των μετάλλων από τη διάβρωση μπορεί να γίνει με μέτρα που αντιμάχονται τους μηχανισμούς της ή με απομόνωση του μεταλλικού αντικειμένου από το διαβρωτικό περιβάλλον. Οι συνηθέστεροι μέθοδοι προστασίας των μετάλλων από τη διάβρωση είναι οι ακόλουθοι: Χρήση μετάλλων υψηλής καθαρότητας Λείανση των επιφανειών Θερμική κατεργασία των μετάλλων

48 Αντιδιαβρωτική Προστασία - 2 Αποφυγή επαφής μετάλλων με μεγάλη διαφορά στο δυναμικό αναγωγής Επιφανειακές κατεργασίες των μετάλλων Παθητικοποιητές Καθοδική προστασία Θυσιαζόμενα ηλεκτρόδια Μεταλλικές επικαλύψεις Μη μεταλλικές επικαλύψεις

49 Τέλος Ενότητας 49