Lucrarea nr. 8. COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR

COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
Lucrarea nr. 8.
COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
1. Consideraţii generale
Prin coroziune se înţelege distrugerea materialelor datorită
reacţiilor chimice sau electrochimice cu mediul înconjurător. Reacţia
chimică este posibilă la toate materiile prime folosite în industrie, în timp
ce reacţia electrochimică nu apare decât la metale, deoarece numai ele
posedă electroni liberi. Materialele sintetice nu posedă această structură,
ele fiind degradate de obicei numai chimic. Sub acest aspect se cunosc
două tipuri de coroziune:
- coroziune chimică, în cursul căreia reacţia dintre metal şi mediul
înconjurător nu are loc cu transport de sarcini electrice.
- coroziune electrochimică, în cursul căreia în timpul reacţiei
metalului cu mediul înconjurător apare şi un transport de sarcini electrice.
Coroziunea electrochimică. Pentru apariţia acestui tip de
coroziune este necesar să existe un anod, un catod, un electrolit şi un
conductor deci un element galvanic. Prin înlăturarea uneia dintre aceste
condiţii, coroziunea electrochimică nu se produce. După cum în practica
industrială, materialele metalice folosite în mod curent, sunt eterogene, se
pot considera ca fiind alcătuite din electrozi metalici scurtcircuitaţi prin
însuşi corpul metalului respectiv.
Prin introducerea metalului în apă sau în mediul cu proprietăţi
electrolitice, pe suprafaţa metalului apar elemente galvanice, în care
impurităţile din metal funcţionează ca microcatozi cu descărcare de
hidrogen pe suprafaţa lor, în timp ce metalul funcţionează ca anod, se
dizolvă. Procesul de dizolvare al anodului, numit proces anodic, poate fi
reprezentat prin una din reacţiile de electrod:
Me + zH2O → Me(OH)z + zH + + ze-
Me → Me z+ + ze -
Excesul de electroni care rezultă din reacţie, încarcă negativ
metalul si procesul anodic nu poate continua cu intensitate măsurabilă,
decât atunci când pe suprafaţa metalului are loc un proces catodic de
53

COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
reducere a unui depolarizant din mediul coroziv. Depolarizanţii sunt
specii chimice de molecule, atomi sau ioni, care consumă surplusul de
electroni de pe metal şi ca urmare nu se poate polariza procesul cuplat de
ionizare a metalului. Ca depolarizanţi în medii corozive, pot fi:
- hidrogenul: 2H + + 2e - → H2
în acest caz coroziunea este cu depolarizare cu hidrogen;
- oxigenul: O2 + 2H2O + 4e - → 4HO -
coroziunea este cu depolarizare cu oxigen;
- ioni oxidanţi: Cu + 2Fe 3+ → Cu 2+ + 2Fe 2+
coroziune cu depolarizare cu ioni oxidanţi.
În problemele practice de coroziune este importantă cunoaşterea
vitezelor reale cu care se desfăşoară procesul. Dacă procesul de
coroziune are o viteză de desfăşurare foarte mică se poate considera că
materialul este rezistent la coroziune. Coroziunea se poate aprecia
cantitativ prin calcularea vitezei de coroziune, care se poate exprima în
mai multe moduri:
Indicele gravimetric sau viteza de coroziune (Vcor) reprezintă
variaţia masei probei (∆m), ca rezultat al coroziunii, pe unitatea de
suprafaţă (S) în unitatea de timp (t):
Vcor = ∆m/(S·t) (1)
care se exprimă de regulă în g/m 2 ·h. Este cel mai utilizat mod de
exprimare al coroziunii, putând reprezenta creşterea în greutate a probei,
prin formarea de produşi de coroziune (oxidarea metalelor) care rămân
aderenţi la metal sau poate simboliza scăderea în greutate, atunci când
produşii de coroziune pot fi îndepărtaţi de pe suprafaţă. Indicele
gravimetric introduce erori în determinare, din cauza necunoaşterii cu
exactitate a compoziţiei chimice a produşilor de coroziune. Cel mai
utilizat este de aceea indicele ce corespunde pierderii în greutate, a cărui
precizie depinde de îndepărtarea completă a produşilor de coroziune.
Indicele de penetraţie (P) reprezintă adâncimea până la care a
pătruns coroziunea în masa metalului, timp de un an. Se calculează din
indicele gravimetric Vcor şi densitatea metalului, [g/cm 3 ], (tabelul 1),
metale grele şi metale uşoare):
P = (24⋅365⋅ Vcor)/(1000⋅ρ) (2)
unde: 24 reprezintă numărul orelor dintr-o zi;
365 - numărul zilelor dintr-un an;
1000 - factorul de conversie al unităţilor de măsură;
54

COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
ρ - greutatea specifică a metalului care se corodează.
Unitatea rezultată este mm·an -1 ceea ce reprezintă adâncimea
corozi-unii, în milimetri, într-un an, pentru un anumit material metalic.
Lucrarea îşi propune determinarea coroziunii aluminiului şi
respectiv a zincului.
Coroziunea aluminiului se studiază în soluţie de hidroxid de
sodiu, NaOH, în care are loc următoarea reacţie:
Al → Al 3+ + 3e - , concomitent cu reducerea ionului de hidrogen
3H + + 3e - → 3H → 3/2H2
sau mai complet:
Al + 4H2O → [Al(OH)4] - + 4H + + 3e -
H + + 3e - → 3/2H2
Al + 4H2O → [Al(OH)4] - + 3/2H2 + H +
Prin cântărirea probei înainte (m1) şi după coroziune (m2) se poate
calcula pierderea în greutate a probei (∆m = m1-m2), viteza de coroziune
(Vcor ) precum şi indicele de penetraţie (P).
Coroziunea zincului se determină în soluţie de acid sulfuric,
H2SO4, reacţia globală fiind:
Zn + H2SO4 → Zn SO4 + 2H2
Din volumul (V) de hidrogen degajat se poate calcula masa de
zinc corodată (∆m):
∆m = (65,38⋅V0)/22,41 (3)
unde:Zn = 65,38;
V0 - volumul de hidrogen, corectat la condiţii normale de
temperatură şi presiune, din relaţia generală a gazelor:
V0= (p·V·T0)/(p0·T) (4)
unde: p şi T sunt presiunea [mm Hg] şi respectiv temperatura [K],
a mediului ambiant.
Cunoscând variaţia de masă (∆m) se poate calcula indicele de
coroziune Vcor , indicele de penetraţie, P. Rezistenţa la coroziune se
exprimă prin scări convenţionale conform tabelului 1.
55

COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
Tabelul 1 Scara convenţională a rezistenţei la coroziune a
materialelor
Grupa de
rezistenţă
56
Pierderi de masă [g/m 2 ·h]
Penetraţia
coroziunii
[mm/an]
Coeficientul
de stabilitate
I.
stabile
Perfect 0.021 0.007 sub 0.001 1
II. Foarte 0.021-0.10 0.007-0.035 0.001-0.005 2
stabile 0.10-0.21 0.035-0.07 0.005-0.01 3
III. Stabile, 0.21-1.0 0.07-0.35 0.01-0.05 4
bine
1.0-2.1 0.35-0.7 0,05-0.1 5
utilizabile
IV. Oarecum 2.1-10.5 0.7-3.5 0.1-0.5 6
rezistente 10.5-21 3.5-7.0 0.5-1.0 7
V. Foarte puţin 21-105 7.0-35 1-5 8
rezistente 105-210 35-70 5-10 9
VI.
Nerezistente
peste 210 peste 70 peste 10 10
Metalele utilizate în construcţia de maşini şi structura aparatelor
care lucrează în medii corozive trebuie să prezinte o micşorare a grosimii
prin coroziune mai mică de 1 mm/an.
2. Aparatură şi reactivi
- Instalaţiile din figura .1 şi
respectiv figura .2;
- Balanţa analitică;
- Termometru;
- Hârtie abrazivă;
- Hârtie de filtru;
- Plăcuţă de zinc, 20x30 cm;
- Plăcuţă de aluminiu, 25x35
cm;
- Tăviţă pentru probe;
- Soluţie de NaOH, 10%;
- Soluţie de H2SO4, 5%;
- Lapte de var.

COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
3. Modul de lucru
3.1. Metoda gravimetrică
Se ia proba de aluminiu, se măsoară suprafaţa acesteia (m 2 ),
(atenţie sunt două feţe) se şlefuieşte cu hârtie abrazivă, se degresează cu
lapte de var, se spală cu apă de la robinet, cu apă distilată şi se usucă prin
tamponare cu hârtie de filtru. Se cântăreşte proba la balanţa analitică
(m1), se suspendă apoi pe suport (figura 1).
Fig. 1 Instalaţie pentru determinarea vitezei de coroziune prin
metoda gravimetrică
În vasul de coroziune se toarnă soluţie de NaOH până la 2/3 din
volumul vasului. Se imersează proba în mediul de coroziune şi se
menţine 20 de minute. Se scoate proba, se spală cu apă de la robinet, cu
apă distilată, se usucă prin tamponare cu hârtie de filtru şi se recântăreşte
(m2). Se calculează pierderea în greutate a probei, ∆m = m1-m2 , viteza de
coroziune Vcor (ecuaţia 1) şi apoi indicele de penetraţie P (ecuaţia 2),
ţinând cont de greutatea specifică a aluminiului; (se consultă sistemul
periodic afişat în laborator).
-
-
-
,
,
57

COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
58
3.2. Metoda volumetrică
Se ia proba de zinc, se măsoară suprafaţa (m 2 ), (atenţie sunt două
feţe). Se curăţă proba cu hârtie abrazivă, se degresează cu lapte de var, se
spală cu apă de la robinet, cu apă distilată şi se usucă prin tamponare cu
hârtie de filtru. Se verifică instalaţia din figura 2.
Se ridică dopul (2) din cauciuc şi se toarnă în vasul (1), soluţie de
H2SO4 până la un nivel care să acopere proba. Se goleşte biureta gradată
(5), aducând lichidul la nivelul primei gradaţii de jos, cu ajutorul
robinetului (6) al biuretei (5). Se suspendă proba (3) de dopul (2) şi se
introduce în vasul de coroziune (1) fixând bine dopul pentru a nu avea
pierderi de gaz. Se deschide apoi clema (4) de la vasul (1) şi se notează
timpul t1. Gazul rezultat în timpul oroziunii va împinge soluţia în biureta
gradată (5). Se notează timpul t2, la care s-a colectat un volum de lichid
în biuretă, precizat de conducătorul lucrării. Se închide bine clema (4) a
vasului Erlenmeyer (1), se scoate dopul de cauciuc împreună cu proba, se
spală cu apă de la robinet şi se pune în tăviţă. Se eliberează biureta de
lichid, prin deschiderea robinetului (6) al biuretei (5). Se citeşte
temperatura T, presiunea p, de lucru a mediului ambiant şi se calculează
Fig. 2 Instalaţie pentru determinarea vitezei de coroziune prin
metoda volumetrică
consecutiv: V0 (ecuaţia 4), ∆m (ecuaţia 3), Vcor , (ecuaţia 1) şi P (ecuaţia
2), ţinând cont de greutatea specifică a zincului; (se consultă sistemul
periodic afişat în laborator).

COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
4. Prelucrarea datelor
Datele experimentale calculate din ecuaţiile (1), (2), (4) şi (3) se
trec în tabelele 2 şi 3.
Tabelul 2. Date experimentale privind rezistenţa la coroziune a Al.
Proba
Al
Suprafaţa
probei
[m 2 ]
Masa
iniţială
m1
[g]
Masa
după
coroziune
m2[g]
∆m
[g]
Timp
de
coroziune
[h]
Vcor
[g⋅m -2 ⋅h -1 ]
P
[mm⋅an -1 ]
Grupa
de
rezistenţă
Tabelul 3 Datele experimentale privind rezistenţa la coroziune a Zn.
Volumul de H2
P Su- degajat
r. prafaţa
[m 2 Timp
∆m de Vcor
]
V[l]
la T şi
p
V0[l]
la T0
şi p0
[g] coroziune
[ore]
[g⋅m -
Grupa
P de
Z
n
2 -1
⋅h ]
[mm.an
-1]
rezistenţă
Din aceste date se apreciază grupa de rezistenţă pentru fiecare
probă în parte. De asemenea, se vor scrie reacţiile pentru procesele
anodice şi catodice, pentru fiecare caz în parte.
5. Probleme
1. Să se afle timpul necesar coroziunii unei cantităţi de 0,0232 g dintr-o
plăcuţă de zinc, în soluţie de H2SO4 10%, dacă intensitatea curentului de
dizolvare anodică este Ia=0,25 A. Să se scrie şi reacţiile procesului anodic
şi catodic de coroziune.
R: 4,66 min
2. Să se calculeze viteza de coroziune în mediu de HCl 1n pentru o
plăcuţă de Fe, cu suprafaţa totală de 30 cm 2 , dacă intensitatea curentului
de dizolvare anodică este Ia=0,32 A.
59

COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ A METALELOR
60
R: ∆m = 5,3481 g; Vcor= 74,28 g/m 2 h
3. Care este indicele de adâncime la coroziunea unei plăcuţe de aluminiu
cu S=14 dm 2 , în NaOH 1:1, dacă se corodează în timp de 3 minute o
cantitate de 0,012 g iar intensitatea curentului de dizolvare anodică este
Ia=1,2 A. (ρAl=2,7 g/cm 3 )
R: Vcor=2,8714; Ia=9,32 mm/an
4. Pentru o plăcuţă de aluminiu supusă coroziunii în soluţie de HNO3 1n,
timp de 10 minute s-a determinat viteza de coroziune de 42 g/m 2 h. Să se
calculeze suprafaţa plăcuţei ştiind că prin coroziune s-au pierdut 0,0234
g. Scrieţi şi reacţiile care au loc la cei doi electrozi.
R: S=0,0033m 2
5. Să se explice, calitativ cu ajutorul curbelor de polarizare, influenţa pHului
asupra coroziunii unei plăcuţe de zinc scufundată pe rând în soluţii
de H2SO4 1 m, KCl 1m şi NaOH 1m ştiind că ε 0 2H+/H2 = 0,000V; ε2H+/H2 =
− 0,058 pH, luând în considerare doar depolarizarea cu hidrogen. Se dau
ecuaţiile.
R: pH = -lg[H + ] şi KH2O = 10 -14 = [H + ]·[HO - ]