ĆWICZENIE: Wpływ przewodnictwa elektrycznego roztworu na promień działania protektora

Transkrypt

1 ĆWICZENIE: Wpływ przewodnictwa elektrycznego roztworu na promień działania protektora WPROWADZENIE W celu ochrony metalu przed korozją w roztworach elektrolitów często stosuje się tak zwaną ochronę protektorową. Metoda ta polega na dołączeniu do korodującego układu elektrody wykonanej z metalu bardziej elektroujemnego niż metal chroniony. Tę połączoną elektrodę nazywamy protektorem. Dołączenie silnej anody zmienia podział części anodowych i katodowych ogniwa korozyjnego w tym kierunku, że powierzchnie anodowe tego ogniwa ulegają polaryzacji katodowej. W celu wyjaśnienia zjawiska ochrony protektorowej rozpatrzymy układ korodujący jako dwuelektrodowe, zwarte ogniwo galwaniczne. W takim przypadku na wykresie polaryzacyjnym korozji (rys. 1) oznacza krzywą polaryzacji katodowej, krzywą polaryzacji anodowej, natomiast punkt S wyznacza potencjał korozji (E og ) oraz maksymalne natężenie prądu korozji (J max ). Rys. 1. Wykres polaryzacji dwuelektrodowego ogniwa korozyjnego. Dodanie do takiego układu trzeciej elektrody (A ) zmienia wartości maksymalnego natężenia prądu korozji i potencjału korozji (rys.2.). Wykres polaryzacji trójelektrodowego ogniwa korozyjnego złożonego z tych samych, co poprzednio, elektrod K i A, oraz elektrody A, o bardziej elektroujemnym potencjale niż elektroda A, pokazany jest na rysunku 3.

2 Rys. 2. Styk korodującego metalu (K-A) z anodą pomocniczą A (protektorem). Rys. 3. Wykres polaryzacji trójelektrodowego ogniwa korozyjnego. Aby wyznaczyć potencjał ogólny i natężenie prądu takiego trójelektrodowgo układu, należy przeprowadzić sumowanie prądów dla wszystkich procesów anodowych i katodowych dla każdego potencjału pomiędzy i. W ten sposób otrzyma się sumaryczną krzywą polaryzacji anodowej i sumaryczną krzywą polaryzacji katodowej. W naszym układzie mamy tylko jedną katodę, której krzywa polaryzacji dana jest prostą. Punkt przecięcia się tych krzywych (P) wyznacza potencjał ogólny i natężenie prądu ogniwa trójele-

3 ktrodowego. Jak widać z rys. 3 odcinek przedstawia natężenie prądu korozyjnego (tzw. wewnętrznego prądu korozyjnego) metalu spiętego na krotko z protektorem. Odcinek RP przedstawia natężenie prądu anodowego powodującego rozpuszczenie anody pomocniczej (protektora). Jest to tak zwany zewnętrzny prąd korozyjny. Na podstawie zasady sumowania prądów mamy: gdzie: - ogólny prąd korozyjny w warunkach spięcia na krótko metalu chronionego z anodą pomocniczą, - prąd korozyjny wewnętrzny, - prąd korozyjny zewnętrzny. Jak widać na rys. 3, natężenie wewnętrznego prądu korozyjnego znacznie zmalało w stosunku do sytuacji pierwotnej (układ dwuelektrodowy). Przedstawiają to odpowiednio odcinki EogS i E ogr. Im bardziej ujemny jest początkowy potencjał protektora i im bardziej płasko biegnie krzywa polaryzacji anodowej protektora, to znaczy im mniejsza zdolność polaryzacyjną wykazuje protektor, tym silniej przesunie się potencjał układu trójelektrodowego w stronę ujemną i tym mnie4jsze będzie końcowe natężenie wewnętrzne prądu korozyjnego. W przypadku dostatecznego przesunięcia potencjału E og w stronę ujemną, aż do potencjału, natężenie wewnętrzne prądu korozyjnego może stać się równe zeru i nastąpi całkowita ochrona. Protektory służące do ochrony stali przed korozją najczęściej sporządza się z cynku lub stopów glinu z magnezem. Cynk winien charakteryzować się wysoką czystością (99,99%). Obecność takich zanieczyszczeń jak złoto, miedź, ołów wpływa niekorzystnie na pracę protektora powodując jego pasywację. Korzystnie wpływa dodatek małych ilości składników stopowych Al (0,1 0,5%)i Cd (0,15 0,2%). Stop magnezu z glinem (5-7%), cynkiem (2 4%), manganem (>0,15%) stosowany jest jako protektor w wodzie słodkiej i słonej oraz w glebie. Promień działania protektora, to jest odległość, na jaką sięga jego ochronne działanie (przy innych warunkach stałych), jest tym większy, im większe jest przewodnictwo elektryczne środowiska, w którym znajduje się układ korozyjny, a także im większa jest różnica potencjałów pomiędzy protektorem a chronionym metalem. W tabeli 1 umieszczono wartości normalnych potencjałów elektrochemicznych niektórych metali w porównaniu z potencjałami tych metali w środowisku 3% NaCl, co w przybliżeniu odpowiada warunkom panującym w wodzie morskiej.

4 Tabela 1. Porównane normalnych potencjałów elektrodowych i potencjałów korozji (w 3% roztworze NaCl) dla wybranych metali. Szereg normalnych potencjałów elektrodowych względem NEW [V] Szereg potencjałów galwanicznych (w 3% NaCl) względem NEW [V] Me/Me n+ Pt/Pt 2+ +1,20 Pt +0,47 Ag/Ag + +0,80 Ti +0,37 Cu/Cu 2+ +0,34 Ag +0,30 H2/H + 0,00 Cu +0,04 Pb/Pb 2+ -0,13 Ni -0,03 Ni/Ni 2+ -0,25 Pb -0,27 Fe/Fe 2+ -0,44 Fe -0,40 Zn/Zn 2+ -0,76 Al -0,53 Ti/Ti 2+ -1,63 Zn -0,76 Al/Al 3+ -1,67 Ochrona protektorowa najczęściej stosowana jest przy zabezpieczeniu kadłubów statków. Rys. 4. Schemat rozmieszczenia protektora i układu pomocniczego na kadłubie statku. CZĘŚĆ PRAKTYCZNA Celem ćwiczenia jest określenie wpływu przewodnictwa elektrycznego roztworu na promień działania protektora cynkowego, przy ochronie stali w roztworach NaCl o różnym stężeniu.

5 Przyrządy i sprzęt laboratoryjny: ph-metr, miliwoltomierz, elektroda ph-metryczna, nasycona elektroda kalomelowa, elektroda jonoselektywna, konduktometr, stalowe trzpienie o długości ok. 25 cm, linijka 50 cm, naczynie pomiarowe, cylinder pomiarowy o poj. 1 l, Odczynniki chemiczne: NaCl, aceton, K3Fe(CN)6, woda destylowana WYKONANIE ĆWICZENIA 1. Sporządzenie roztworu NaCl o stężeniu: 0,1; 0,5; 0,8 i 1,5%. 2. Wyznaczenie przewodnictwa elektrycznego tych roztworów oraz czystej wody. 3. Przygotowanie do badań stalowego trzpienia o długości około 25 cm i cynkowego protektora o długości 1 cm przez ich wyczyszczenie papierem ściernym, przemycie acetonem i osuszenie bibułą. 4. Umieszczenie w naczyniu, na szklanych podstawkach, trzpienia z przymocowanym protektorem. 5. Dodanie do przygotowanego roztworu NaCl sześciocyjanożelazianu (III) potasu (15% roztwór) w ilości 10 cm 3 na 2,0 dm 3 roztworu. 6. Przelanie roztworu do zlewki w takiej ilości, aby jego poziom był o 2 3 cm powyżej trzpienia. 7. Obserwowanie przez 15 minut trzpienia i zmierzenie za pomocą linijki odległości między protektorem a niebieskimi plamkami pojawiającymi się na próbce. Określenie ilości i położenie plamek na pręcie stalowym. Pojawienie się niebieskich plam wskazuje na tworzenie się błękitu Turnbulla na skutek reakcji dwuwartościowych jonów żelaza z K3Fe(CN)6. 8. Zmierzenie wartości (zmiany) potencjału wzdłuż trzpienia z przymocowanym protektorem (pomiary wykonywać od protektora do końca trzpienia co 5 cm). 9. Zbadanie działania protektora w innych roztworach. Zapisanie wyników w tabeli według wzoru. Nr roztworu Stężenie NaCl Przewodnictwo roztworu [%] [Ω -1 ] za pomocą linijki Wyznaczony promień działania protektora [cm] z pomiaru potencjału Rys. 6 Wzór tabeli wyników. OPRACOWANIE WYNIKÓW A. Sporządzenie wykresu zależności promienia działania protektora: a. od stężenia roztworu NaCl,

6 b. od przewodnictwa elektrycznego roztworu soli, c. od wartości zmierzonego potencjału wzdłuż trzpienia. B. Wyciągniecie wniosków wypływających z powyższych wykresów. Literatura: 1. Ufnalski W., Elementy elektrochemii, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa Baszkiewicz J., Kamiński M., Podstawy korozji metali, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa Uhlig H.H., Korozja i jej zapobieganie. WNT, Warszawa Wranglen G., Podstawy korozji i ochrony metali, WNT, Warszawa Przykładowe pytania kontrolne: 1. Wyjaśnij na czym polega ochrona elektrochemiczna. 2. Wyjaśnij pojęcie protektora.? 3. Omów metodę ochrony protektorowej. 4. Wymień kryteria ochrony katodowej i protektorowej. 5. Wyjaśnij pojęcie promień działania protektora.