KOROZJA Korozja kontaktowa z depolaryzacja tlenową

KOROZJA
Słowa kluczowe do ćwiczeń laboratoryjnych z korozji:
•
korozja kontaktowa
•
depolaryzacja tlenowa
•
depolaryzacja wodorowa
•
gęstość prądu korozyjnego
•
natęŜenie prądu korozyjnego
•
prawo Faradaya
•
równowaŜnik elektrochemiczny metalu
•
równanie gazu doskonałego
•
potencjał korozyjny
•
diagramy Pourbaix
•
elektroda odniesienia
Korozja kontaktowa z depolaryzacja tlenową1
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest ustalenie wpływu kontaktów metali: Fe − Zn i Fe − Cu oraz stosunku
wielkości powierzchni metali pozostających w kontakcie na szybkość korozji metali w
roztworze 3 % względem NaCl i 0,1 % względem H2O2.
Materiały i aparatura
5 płytek Fe – 4 cm x 5 cm
2 płytki Fe – 2 cm x 1 cm
3 płytki Zn – 4 cm x 5 cm
1 płytka Zn – 2 cm x 1 cm
3 płytki Cu – 4 cm x 5 cm
1 płytka Cu – 2 cm x 1 cm
10 % H2O2
3 % NaCl
96 % C2H5OH
kolba miarowa 2 dm3
pipeta 20 cm3
10 zlewek 250 cm3
papier ścierny
Wykonanie ćwiczenia
1. Przygotować roztwór 3 % względem NaCl i 0,1 % względem H2O2. W tym celu do
kolby miarowej na 2 dm3 odmierzyć pipetą 20 cm3 10% roztworu wody utlenionej i
uzupełnić do kreski 3% roztworem NaCl.
2. Wybrać płytki metali do badania. Wyczyścić papierem ściernym płytki metali (uwaga:
nie moŜna tym samym kawałkiem papieru ściernego czyścić róŜnych metali), opłukać
wodą, alkoholem, wysuszyć i zwaŜyć na wadze analitycznej. Wyniki zapisać w tabeli 1.
3. W zlewkach zawierających po 200 cm3 elektrolitu umieścić kolejno płytki:
Zespół 1: Ŝelazną , cynkową oraz po trzy zestawy spiętych płytek Fe − Zn o stosunku
powierzchni 1:10, 1:1, 10:1.
Zespół 2: Ŝelazną , miedzianą oraz po trzy zestawy spiętych płytek Fe − Cu o stosunku
powierzchni 1:10, 1:1, 10:1
1
W. Gumowska, E. Rudnik, I. Harańczyk: Korozja i ochrona metali, ćwiczenia laboratoryjne, SU 1694, AGH,
2007
Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego.
4.
Zanotować czas rozpoczęcia i zakończenia pomiaru. Pomiar wykonywać przez 60 min.
W trakcie pomiarów zanotować obserwacje dotyczące przebiegu reakcji (zmiana barwy
elektrolitu, wyglądu powierzchni metali).
5. Po zakończeniu pomiarów płytki opłukać w wodzie (dokładnie zmywając produkty
korozji za pomocą szczotki), alkoholu, wysuszyć i zwaŜyć na wadze analitycznej.
Opracowanie wyników pomiarów
1. Na podstawie danych doświadczalnych obliczyć:
∆m
natęŜenie prądu korozyjnego I kor =
k ⋅t
gdzie:
∆m − ubytek masy próbki, g
k − równowaŜnik elektrochemiczny metalu, k =
M
,
z⋅F
M − masa molowa metalu, g⋅mol-1,
z − elektronowość reakcji, Me → Mez+ +zeF − stała Faradaya , 96 500 C⋅mol-1,
t − czas trwania procesu, s.
I kor
S
S − pole powierzchni próbki, cm2.
oraz gęstość prądu korozyjnego ikor =
gdzie:
Wyniki obliczeń zestawić w tabeli 1.
2. Wykreślić krzywe obrazujące zaleŜność gęstości prądu korozyjnego poszczególnych
metali w układzie kontaktowym od stosunku wielkości powierzchni cynku do Ŝelaza lub
miedzi do Ŝelaza:
Zaspół 1: iFe = f ( S Zn / S Fe )
iZn = f ( S Fe / S Zn )
Zaspół 2: iFe = f ( SCu / S Fe )
iCu = f ( S Fe / SCu )
Na wykresach nanieść linie odpowiadające szybkości korozji metali bez kontaktu
3. Podać wnioski na podstawie otrzymanych wyników.
Tabela 1
Wyniki pomiarów korozji kontaktowej z depolaryzacją tlenową dla układów: Fe − Zn i Fe −Cu
Powierzchnia
metalu, cm2
SFe
SZn (SCu)
Korozja bez kontaktu
Fe
Zn
Cu
SFe/SZn Czas
SFe/SCu trwania
t, min
Masa próbki Ŝelaznej, g
przed
mp, Fe
po
mk,Fe
ubytek
masy
∆mFe
Masa próbki cynkowej
(miedzianej), g
przed
po
mp, Zn(Cu) mk,Zn(Cu)
ubytek
masy
∆mZn(Cu)
Korozja z depolaryzacją wodorową 1
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie szybkości korozji stali w roztworze kwasu siarkowego
metodą wagową i objętościową.
Materiały i aparatura
płytki stalowe
10% H2SO4
biureta gazowa
96 % 2H5OH
cylinder miarowy 1 dm3
zlewki 800 cm3
papier ścierny
Wykonanie ćwiczenia
1. Wyczyścić papierem ściernym płytkę Ŝelazną, opłukać wodą, alkoholem, wysuszyć
i zwaŜyć na wadze analitycznej. Wyznaczyć pole powierzchni badanej płytki stalowej.
Wyniki zapisać w tabeli 1.
2. Płytkę umieścić w układzie pomiarowym, którego schemat przedstawiono poniŜej.
Do zlewki o objętości 800 cm3 naleŜy nalać 600 cm3 roztworu kwasu i podciągnąć
roztwór do góry podziałki skali biurety gazowej.
Rys.2. Schemat stanowiska pomiarowego.
3. Od momentu zamknięcia kurka biurety naleŜy odczytać co 5 min. poziom cieczy w
biurecie. Czas trwania pomiaru 60 min. Wyniki pomiarów zanotować w tabeli.
4. Po zakończeniu pomiaru, próbkę naleŜy natychmiast wyjąć z kwasu przemyć w
strumieniu wody, przecierając szczoteczką powierzchnię płytek. Po opłukaniu w
alkoholu wysuszyć i zwaŜyć na wadze analitycznej.
5. Odczytać temperaturę i ciśnienie atmosferyczne. Zmierzyć wysokość słupa cieczy
zajmującego w biurecie objętość 10 cm3 oraz tzw. „część martwą” (od dolnej podziałki
skali do górnej krawędzi próbki).
1
W. Gumowska, E. Rudnik, I. Harańczyk: Korozja i ochrona metali, ćwiczenia laboratoryjne, SU 1694, AGH,
2007
Tabela 1
Wyniki pomiarów oznaczania szybkości korozji metodą wagową i na podstawie objętości
wydzielonego wodoru.
Metal…………………………………………..
Powierzchnia próbki, cm2.................................
StęŜenie H2SO4, %……………………………
Gęstość roztworu, g/cm3....................................
Ciśnienie atmosferyczne, Pa………………….
Temperatura, K………………………………..
Masa próbki przed pomiarem, g……………….
Masa próbki po pomiarze, g…………………...
Ubytek masy, g………………………………...
Czas trwania
Objętość gazu w biurecie
pomiaru t, min. ν H 2 , cm3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Wysokość słupa cieczy
w biurecie h, cm
Opracowanie wyników pomiarów
1. Na podstawie objętości wydzielającego się wodoru wyliczyć liczbę moli gazu. W
obliczeniach naleŜy uwzględnić poprawki: na pręŜność pary wodnej nad roztworek oraz
na ciśnienie słupa cieczy w biurecie:
pH 2 = p − pH 2 O − dgh
gdzie:
pH 2 - ciśnienie cząstkowe wodoru w biurecie, Pa,
p - ciśnienie atmosferyczne, Pa,
pH 2 O - ciśnienie pary wodnej nad roztworem kwasu siarkowego (Tabela 2),
h – wysokość słupa cieczy w buirecie, m,
d – gęstość roztworu kwasu (Tabela 2),
g – przyspieszenie ziemskie, 9,81 m/s2.
Tabela 2
PręŜność pary oraz gęstość roztworów kwasu siarkowego w róŜnych temperaturach.
StęŜenie kwasu,
% wag.
10
15
Temperatura, °C
pH 2 O / H 2 SO4 , Pa
20
25
20
25
2239
3026
2119
2879
g
cm3
1,07
d H 2 SO4 ,
1,11
2. Korzystając z zaleŜności:
pH 2ν H 2 = nH 2 RT
gdzie:
ν H 2 - objętość wydzielonego wodoru, m3,
R – stała gazowa, 8,314 J/mol⋅K,
T- temperatura, K.
obliczyć liczbę moli wydzielonego wodoru nH 2 .
3. Obliczyć masę przekorodowanego metalu mM, a następnie określić wielkość korozji K,
czyli ubytek masy metalu na jednostkę powierzchni próbki.
4. Sporządzić wykres zaleŜności K = f (t), a następnie wyznaczyć graficznie szybkość
korozji Vkor wyraŜoną w g⋅cm-2⋅s-1 (współczynnik kierunkowy prostej). Opierając się na
prawie Faradaya, uzyskane wielkości Vkor naleŜy przeliczyć na gęstość pradu korozyjnego
ikor wyraŜoną w A⋅cm-2.
5. Na podstawie ubytku masy wyznaczonego metodą wagową obliczyć gęstość prądu
'
korozyjnego ikor
i porównać z wartością wyznaczoną metodą objętościową.
6. Podać wnioski.
Pomiar potencjału korozyjnego metali
Materiały i aparatura
wysokooporowy miliwoltomierz
pehametr
elektroda chlorosrebrowa
elektrody metalowe
przewody elektryczne
woda destylowana
NaCl roztwór 3 %
Wykonanie ćwiczenia
1. Do zlewek wlać przygotowany roztwór NaCl i wodę. Zmierzyć pH roztworów za
pomocą pehametru.
2. Do roztworu włoŜyć badaną elektrodę oraz elektrodę chlorosrebrową (umieszczając je
jak najbliŜej siebie).
3. Elektrodę badaną i chlorosrebrową podłączyć do miliwoltomierza i zanotować wartość
zmierzonego potencjału po jego ustabilizowaniu się.
4. Wyjąć końcówkę elektrody odniesienia, przepłukać wodą destylowaną, osuszyć bibułą.
5. Wykonać trzy serie pomiaru potencjału. Obserwować wygląd próbki.
6. Po zakończeniu pomiarów elektrody naleŜy zostawić czyste i suche.
Opracowanie wyników pomiarów
1. Zmierzone wartości potencjałów przeliczyć na wartości odniesione do NEW. opisać
2. Otrzymane wartości potencjałów korozyjnych nanieść na diagram Pourbaix dla
badanego układu Fe-H2O.
3. Omówić wyniki.