🦷 Електрохімічна Корозія (Тафель)

Діаграма Еванса відкладає електродний потенціал (E) проти логарифма густини струму (log i). Вона показує анодну та катодну поляризаційні криві, що перетинаються при потенціалі корозії E_corr та струмі корозії i_corr.

Нахили Тафеля (βa для анодного, βc для катодного) описують, як електродний потенціал змінюється з логарифмом густини струму в тафелівській області. Типові значення — 60–120 мВ/декада для багатьох систем метал/електроліт.

Рівняння Батлера-Фольмера описує зв'язок між електродним струмом і перенапругою: i = i0[exp(αaFη/RT) − exp(−αcFη/RT)], де i0 — густина струму обміну, η — перенапруга, а αa, αc — коефіцієнти переносу.

Швидкість корозії пропорційна i_corr, визначеній у точці перетину анодної та катодної ліній Тафеля. За законом Фарадея: CR = (i_corr × M)/(n × F × ρ), де M — молярна маса, n — кількість електронів, F — стала Фарадея, ρ — густина.

Густина струму обміну (i0) — це швидкість анодної та катодної реакцій у рівновазі (нульовий чистий струм). Вищий i0 означає швидшу електродну кінетику. Вона проявляється при оборотному потенціалі кожної напівреакції.

Поблизу E_corr струм змінюється лінійно з потенціалом. Рівняння Штерна-Гірі пов'язує опір поляризації Rp зі струмом корозії: i_corr = B/Rp, де B = (βa·βc)/(2.303·(βa+βc)).

Нахили Тафеля відображають механізм реакції. Для простого одноелектронного переносу βa = RT/(αaF) ≈ 60 мВ/декада при 25°C з α=0.5. Багатостадійні реакції, процеси адсорбції та температура — все впливає на спостережуваний нахил.

Пасивація виникає, коли оксидна плівка утворюється на поверхні металу при високих анодних потенціалах, різко знижуючи струм корозії. Анодна крива показує пік (активний пік), за яким слідує пасивна область з низьким, майже постійним струмом.

pH впливає на рівноважні потенціали обох напівреакцій через рівняння Нернста. Для виділення водню: E = E0 − 0.0592·pH при 25°C. Вищий pH загалом зсуває катодну криву до більш негативних потенціалів, потенційно знижуючи швидкість корозії для деяких металів.

Гальванічна корозія виникає, коли два різнорідні метали електрично з'єднані в електроліті. Менш благородний метал (анод) кородує переважно. Змішаний потенціал з'єднаної системи лежить між індивідуальними потенціалами корозії кожного металу.

Точка, де перетинаються анодна та катодна лінії Тафеля, — це змішаний потенціал кородуючого металу, E_corr, та відповідна йому густина струму, i_corr. Оскільки обидві криві повинні нести рівний і протилежний заряд у стаціонарному стані, це єдина самоузгоджена робоча точка кородуючого електрода, і саме i_corr фактично рухає втрату металу.

Кожен пресет металу завантажує узгоджений набір значень i₀, βa, βc та E_eq, взятих з реальних електрохімічних даних (наприклад, залізо використовує i0=10 мкА/см², E_eq=-500 мВ, а цинк — i0=50, E_eq=-760 мВ). Оскільки катодний рівноважний потенціал у цій моделі зміщений відносно анодного, перемикання металів переформовує всю діаграму, а не лише одну лінію.

Симулятор застосовує закон Фарадея, використовуючи молярну масу заліза (56 г/моль), 2 електрони, що переносяться на атом Fe, сталу Фарадея (96485 Кл/моль) та густину заліза (7.87 г/см³), перетворюючи i_corr на лінійну швидкість проникнення. Це спрощене перетворення для одного металу, тож сприймайте його як ілюстративне, а не сертифікований інженерний результат.

βa та βc задають, наскільки круто анодна і катодна лінії зростають чи спадають на декаду струму, у мВ/декада. Пологий нахил означає, що швидкість реакції дуже чутлива до змін потенціалу, тоді як крутий нахил означає, що струм майже не реагує на перенапругу — обидві форми випливають безпосередньо з рівняння Батлера-Фольмера в тафелівському наближенні.

i0 позначає, де кожна лінія Тафеля розташувалася б при нульовій перенапрузі, тобто природну рівноважну швидкість цієї напівреакції до того, як почне текти будь-який чистий струм корозії. Фіолетові точки на анодному та катодному рівноважних потенціалах наочно показують, наскільки далеко фактична точка корозії (E_corr, i_corr) відсунута від рівноваги.