Korozja jako Bateria: Diagramy Evansa i Kinetyka Tafel’a

Korozja to bateria, której nie zbudowałeś przypadkowo

Korozja metali jest reakcją elektrochemiczną: w miejscach anodowych metal oddaje elektrony i rozpuszcza się jako jony (utlenianie), a w miejscach katodowych elektrony są zużywane przez reakcję redukcji – zwykle redukcję tlenu w zraszanej wodzie lub wydzielanie wodoru w kwasie. Obie półreakcje zachodzą na tym samym kawałku metalu, połączone ze sobą przez sam metal jako przewodnik elektronowy, a warstwa elektrolitu pełni rolę drogi jonowej – co dokładnie odpowiada układowi baterii, tylko takiej, której nikt nie chciał budować.

Odczyt diagramu Evansa

Narysuj gęstość prądu anodowego (rozpuszczania) i gęstość prądu katodowego (redukcji) względem potencjału elektrody na tym samym osi log-prąd, a otrzymasz diagram Evansa. Każda krzywa indywidualnie podąża za kinetyką Butlera-Volmera, ale daleko od równowagi upraszcza się do prostej linii na wykresie półlog-log – linii Tafla – o nachyleniu zadanym przez stałe Tafla βa (anodowego) i βc (katodowego):

i = i_corr * [ exp((E - E_corr)/beta_a) - exp(-(E - E_corr)/beta_c) ] i_corr = gęstość prądu korozji (ustawia szybkość korozji) E_corr = potencjał korozji (zmieszany), gdzie prąd anodowy i katodowy mają równe wartości bezwzględne, ale przeciwny znak Gdzie dwie linie Tafla przecinają się, znajduje się potencjał korozji E_corr oraz gęstość prądu korozji i_corr – pojedynczy punkt, w którym całkowity prąd anodowy równa się całkowitemu prądu katodowemu, więc mierzalny prąd netto w tym potencjale wynosi zero, mimo że metal aktywnie rozpuszcza się pod nim. Prawo Faradaya następnie przekształca i_corr bezpośrednio w szybkość utraty masy, co sprawia, że szkic dwu-liniowy log-log jest wystarczający do oszacowania, ile mikrometrów na rok straciłaby naga płyta ze stali w słonej wodzie.

i = i_corr * [ exp((E - E_corr)/beta_a) - exp(-(E - E_corr)/beta_c) ]

  i_corr = corrosion current density  (sets the corrosion rate)
  E_corr = corrosion (mixed) potential, where anodic and cathodic
           currents are equal in magnitude and opposite in sign

Co napędza linie: tlen, pH i stosunek powierzchni

Czynnik wpływający na szybkość reakcji katodowej przesunięty powoduje przesunięcie linii Tafel w górę i wzrost wartości i_corr – więcej rozpuszczonego tlenu, większe zaburzanie, które dostarcza tlen do powierzchni, a także bardziej wydajna elektroda. Z kolei procesy pasywacji anodą – stabilna warstwa tlenku, powierzchnia ze stali nierdzewnej o wysokiej zawartości chromu, powłoka – powodują zginanie linii anodowej i mogą drastycznie obniżyć i_corr, co jest właśnie mechanizmem przetrwania stali nierdzewnej i aluminium pomimo ich tendencji do utleniania. Ważny jest również stosunek powierzchni anodowej do katodowej: mała ryska anodowa na dużej powierzchni katody (np. skorodowany worek z mosiądzu, blacha ocynkowana z naruszoną warstwą cynku) koncentruje cały prąd anodowy w jednym, niewielkim punkcie i powoduje bardzo szybkie korozowanie – klasyczny mechanizm za powstawaniem pęcherzyków.

Pasywacja i korozja w wgłębieniach

Wiele metali inżynieryjnych jest chronionych nie przez obojętność, lecz przez cienką, samonaprawiającą się warstwę tlenku o grubości kilku nanometrów – pasywację. Na wykresie Evansa to objawia się obszarem, w którym prąd anodowy gwałtownie spada i utrzymuje się na niskim poziomie w szerokim zakresie potencjałów. Jony chlorkowe słyną z lokalnego łamania tej warstwy, ponownie inicjując szybkie rozpuszczanie anodowe w niewielkim punkcie, podczas gdy otaczająca, pasywna powierzchnia działa jako duża, wydajna elektroda katodowa – geometria, która sprawia, że korozja w wgłębieniach jest znacznie bardziej niebezpieczna na jednostkę masy straconego metalu niż korozja jednorodna.

Walka z korozją: ochrona katodowa i powłoki

Jeśli korozja jest baterią, można ją skonfigurować tak, aby działała na naszą korzyść. Anody ofiarowe – bloki cynkowe lub magnezowe przymocowane do kadłuba statku lub zagrzebanej rurociągu – są bardziej anodowe niż stal, więc rozpuszczają się preferencyjnie i utrzymują w potencjale strukturę chronioną, gdzie jej własny anodowy prąd jest pomijalny. Układy z prądem zewnętrznym robią to samo, wykorzystując zewnętrzne źródło zasilania zamiast metalu zużytego. Powłoki barierowe po prostu starają się zapobiec kontaktu elektrolitu z metale w pierwszej kolejności, co sprawia, że pojedyncze rysy na lakierze samochodu są gorsze niż brak farby w tym miejscu: tworzą one małą anodę otoczoną ogromnym obszarem katody pod nienaruszającą powłoką.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Electrochemical Corrosion i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.