ctm 20 sdd corrosio i
TRANSCRIPT
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
1/46
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
2/46
C i è n c i a
i T e c n o l o g i a d e M a t e
r i a l s
20/2AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Índex de la classe
Corrosió i degradació
Corrosió per cavitació
Corrosió
galvànica
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
3/46
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
4/46
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
5/46
C i è n c i a
i T e c n o l o g i a d e M a t e r i a l s
20/5AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Índex de la classe
Corrosió i degradació
Corrosió bacteriana
(microbiològica)
Corrosió per erosió
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
6/46
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
7/46
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
8/46
C i è n c i a
i T e c n o l o g i a d e M a t e r i a l s
20/8AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
H22H+ + 2e-
Reaccions redox
Reacció de reducció Dissolució àcida amb elevada concentració d’ions hidrogen
Dissolució àcida que conté oxigen dissolt
Dissolució aquosa neutra o bàsica amb oxigen dissolt
Ions metàl·lics presents en la dissolució
2H2OO2
+ 4H+ + 4e-
4(OH)-O2 + 2H2O + 4e-
M(n-1)+Mn+ + e-
MMn+ + ne-
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
9/46
C i è n c i a
i T e c n o l o g i a d e M a t e r i a l s
20/9AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Reacció redox Reaccions redox
Zn + 2 HCl ZnCl2 + H2
2 HCl 2 Cl- + 2 H+
Zn Zn2+
+ 2e-
2 H+ + 2 e- H2
Zn2+ + 2 Cl- ZnCl2
Zn + 2 HCl ZnCl2 + H2
Oxidació
Reducció
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
10/46
C i è n c i a
i T e c n o l o g i a d e M a t e r i a l s
20/10AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Reacció redox
H2 (gas)2H+ + 2e-
Zn Zn 2+ + 2e-
Zn + Zn 2+ + H2 (gas)2H+
Dissolució HCl
Reaccions redox
Metall:Conductor elèctric
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
11/46
C i è n c i a
i T e c n o l o g i a d e M a t e r i a l s
20/11AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Reacció redox múltiple
En la primera etapa elFe s’oxida a Fe2+
En la segona etapa elFe2+ s’oxida a Fe3+
Fe + 1/2O2 + H2O Fe2++ 2OH- Fe(OH)2
Reaccions redox
Fe(OH)2 + 1/2O2 +H2O 2Fe(OH)3
Metall:Conductor elèctric
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
12/46
C i è n c i a
i T e c n o l o g i a d e M a t e r i a l s
20/12AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Reaccions redox
Exemple Parts on s’ha format “rovell” (Fe(OH)3)
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
13/46
C i è n c i a
i T e c n o l o g i a d e M a t e r i a l s
20/13AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Piles electroquímiques
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
14/46
C i è n c i a
i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/14AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Coure – Ferro
Potencial estàndard: concentració ions 1M, T = 25 ºC
Fe CuFe 2+
Cu 2+
e-
e-
Cu 2+Fe 2+
ÀNODE CÀTODE
Fe Fe2+ + 2e- CuCu2+ + 2e-
V
Pila galvànica coure-ferro: 0.780 V
Piles electroquímiques
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
15/46
C i è n c i a
i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/15AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Ferro - Zenc
Potencial estàndard: concentració ions 1M, T = 25 ºC
Zn FeZn 2+
Fe 2+
e-
e-
Fe 2+Zn 2+
ÀNODE CÀTODE
Zn Zn2+
+ 2e-
FeFe2+
+ 2e-
V
Pila galvànica ferro - zenc: 0.323 V
Piles electroquímiques
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
16/46
C i è n c i a
i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/16AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Piles electroquímiques
Potencial d’electrode
• El potencial d'elèctrode no es pot determinar de forma
aïllada i absoluta.
• L’important es la mesura de la diferència de potencial al
conjunt de la reacció redox
• Per això, s’estableix arbitrariament que l’electrode estandarddel hidrògen té un potencial E = 0
ΔE
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
17/46
C i è n c i a
i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/17AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Piles electroquímiques
Potencial d’electrode
• Els potencials d'elèctrode estàndard es determinen en les
següents condicions: de solut d'1 Molar, pressions de gasd'1 atmosfera, i una temperatura estàndard, que és engeneral 25°C.
• Els potencials estándar es denoten amb el simbol Eº
Concentració de l’ió:
Pressió del gas
Temperatura:
1 M (1 molar)
1 atmosfèra
25 ºC
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
18/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/18AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Piles electroquímiques
Elèctrode estàndard d’hidrogen
H2 gas a 1 atmde pressió
Conductorde platí
Electrode
de platí
Semireacció sobre la superficie del platí
Sortida delH2 gas
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
19/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/19AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Piles electroquímiques
Elèctrode estàndard d’hidrogen
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
20/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/20AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Piles electroquímiques
Potencials estandard de reducció
Electrode estándar de hidrògen(càtode)
Pont salíZinc(Ànode)
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
21/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/21AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Piles electroquímiques Sèrie de forces electromotriu (FEM)
Sèrie electroquímicaAu3+ + 3e-
⇄ Au
Au3+ /Au +1,42 V
Pt
2+
+ 2e
-
⇄ Pt Pt2+
/Pt +1,20 VAg+ + e-
⇄ Ag Ag+ /Ag +0,799 V
Cu2+ + 2e-⇄ Cu Cu2+ /Cu +0,337 V
2H+ + 2e- H2 2H+ /H2 0,000 V
Pb2+ + 2e-⇄ Pb Pb2+ /Pb -0,126 V
Sn2+ + 2e-⇄ Sn Sn2+ /Sn -0,136 V
Ni2+ + 2e-⇄ Ni Ni2+ /Ni -0,250 V
Cd2+ + 2e-⇄ Cd Cd2+ /Cd -0,403 V
Fe2+ + 2e-⇄ Fe Fe2+ /Fe -0,440 V
Cr 3+ + 3e-⇄ Cr Cr 3+ /Cr -0,740 V
Zn2+ + 2e-⇄ Zn Zn2+ /Zn -0,763 V
Ti2+ + 2e-⇄ Ti Ti2+ /Ti -1,63 V
Al3+ + 3e-⇄ Al Al3+ /Al -1,66 V
Mg+ + 2e-⇄ Mg Mg2+ /Mg -2,37 V
A U G M E N T
D E L P O D E R
R E D U C T O R
A U G M E
N T D E L P O D
E R
O X I D A N
T
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
22/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/22AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Càlcul del potencial estàndard d’una reacció redox.
Establir les semireaccions de reducció
M1n+(1M) + ne- → M1 E10
M2m+(1M) + me-→M2 E20
Canviar el sentit d’una semireacció, igualar els electrons isumar
mM1→ mM1n+(1M) + mne- - E10
nM2
m+(1M) + nme-→ nM2
E2
0
mM1 + nM2n+(1M)→ mM1n+(1M) + nM2 ∆E =E2 - E10
Piles electroquímiques
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
23/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/23AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Càlcul del potencial estàndard d’una reacció.
El potencial estándar d’una reacció redox està relacionat
amb l’energia lliure de Gibbs mitjançant l’ecuació:
ΔG0 = es la variació de l’energia lliure de Gibbs de la
reacció redox.
n = Número d’electrons intercambiats en la reacció redox.
F = es la constant de Farady (96485.3 C/mol).
ΔE0 = Potencial estándar de la reacció redox.
Piles electroquímiques
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
24/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/24AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Càlcul del potencial estàndard d’una reacció.
Si ΔG0 0)
Si ΔG0 > 0, la reacció es forzada (ΔE0
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
25/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/25AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Càlcul del potencial d’una reacció. Corregint concentració a la semireacció:
M1
n+ + ne- → M1
M2m+ + me-→M2
Girant una semireacció, igualant els electrons i sumant:
mM1→ mM1n+ + mne-
nM2m+
+ nme-→
nM2
mM1 + nM2m+→ mM1
n+ + nM2
Piles electroquímiques
n
M F n
T R E E
1
0
11
1ln
m
M F m
T R E E
2
0
22
1ln
mn M F mnT R
E E
1
0
11
1ln
nm
mn
M
M
F mn
T RV V V
2
10
1
0
2 ln
nm M F mn
T R E E
2
0
22
1ln
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
26/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/26AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Equació de Nernst:
• On: – R = constant dels gasos (8.31451 J/K·mol) – T = Temperatura (ºK) – n,m = nombre d’electrons implicats – F = Constant de Faraday (96485.3 C/mol) – [X] = Concentració de l’espècie X
Piles electroquímiques
nm
mn
M
M LnF mn
T R E E E
2
10
1
0
2
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
27/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/27AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Equació de Nernst:
Substituint constants i passat a logaritme base 10
Fixant temperatura ambient (25 ºC, 298 ºK)
Piles electroquímiques
nm
mn
M
M Log
mn
T E E E
2
140
1
0
2 1098.1
nm
mn
M
M Logmn
V V V
2
10
1
0
2
0592.0
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
28/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/28AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Sèrie galvànica
Sèrie galvànica (NaCl 3%)
Piles electroquímiques
Sèrie electroquímica
Pt2+ + 2e- ⇄ Pt Pt2+ /Pt +1,20 V
Ag+ + e-⇄ Ag Ag+ /Ag +0,799 V
Cu2+ + 2e- ⇄ Cu Cu2+ /Cu +0,337 V
Pb2+ + 2e- ⇄ Pb Pb2+ /Pb -0,126 V
Sn2+ + 2e-⇄ Sn Sn2+ /Sn -0,136 V
Ni2+ + 2e-⇄ Ni Ni2+ /Ni -0,250 V
Cd2+ + 2e- ⇄ Cd Cd2+ /Cd -0,403 V
Fe2+ + 2e- ⇄ Fe Fe2+ /Fe -0,440 V
Cr 3+ + 3e-⇄ Cr Cr 3+ /Cr -0,740 V
Zn2+
+ 2e-
⇄ Zn Zn2+
/Zn -0,763 VTi2+ + 2e-
⇄ Ti Ti2+ /Ti -1,63 V
Al3+ + 3e- ⇄ Al Al3+ /Al -1,66 V
Mg+ + 2e- ⇄ Mg Mg2+ /Mg -2,37 V
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
29/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/29AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Sèrie galvànica
Piles electroquímiques
C ó
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
30/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/30AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Velocitat de corrosió
20 C ió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
31/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t
e r i a l s
20/31AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Velocitat de penetració de la corrosió (VPC)
• W : massa perduda• t: temps d’exposició• : densitat• A: àrea de la mostra
• k: constant
Velocitat de corrosió
t A
W k VPC
20 C ió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
32/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/32AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Velocitat molar de corrosió ( r)
Es defineix a partir del corrent elèctric.
On
• n: nº d’electrons• i: densitat de corrosió
• F: constant de Faraday
Velocitat de corrosió
F n
ir
20 C ió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
33/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/33AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Polarització
20 Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
34/46
C i è n c i
a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/34AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Polarització
Definicions
Polarització:
• Variació del valor de cada potencial d'elèctrode.
Sobrevoltatge ():
• Magnitud amb la què es determina la variació de cadapotencial.
Tipus de polarització:• Polarització d’activació• Polarització per concentració
20 Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
35/46
C i è n c i
a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/35AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Zinc
Polarització d’activació
L’etapa més lenta limita corrent
• Adsorció dels ions H+
a lasuperfície del Zn
• Transferència d’electrons
• Combinació àtoms d’H
• Coalescència demolècules d’hidrogen
(formació de bombolles)
H
H
e –
2
e – 2
H2
3
3
H24
H2
H2
H2
Polarització
HH+ + e-
H22H
20 Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
36/46
C i è n c i
a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/36AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Polarització d’activació
Polarització
0i
i Loga
20 Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
37/46
C i è n c i
a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/37AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Current density(logarithmic scale)
O v e r v o l t a g e , a
( V )
0.001
+0.1
0.01 0.1 1 10 100 1000
0
+0.2
–0.1
–0.2
–0.3
i0 (H2/H+)
H 2
2 H + +
2 e –
H 2
2 H + + 2
e –
–
+
Polarització d’activació
H22H+ + 2e-r
red
H2
2H+ + 2e-r oxid
r red r oxid=
= io
nFr red r oxid=
Polarització
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
38/46
C i è n c i
a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/38AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Polarització per concentració
Polarització
H
+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H
+
H+
H+
Cathode
H+
Depletion
zone
Cathode
H+
H
+
H+
H+
H+
H
+
H+
H+
H+
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
39/46
C i è n c i
a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/39AUTOR Jordi Llumà
20 – Corrosió I
Log current density, i
iL0
+
– O v
e r v o l t a g e ,
c
Polarització per concentració
Polarització
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
40/46
C i è n c i
a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/40AUTOR Jordi Llumà
20 Corrosió I
Polarització d’activació + per concentració
Log current density, i
iL
i0
0
+
–
O v e r v o l t a
g e ,
Activationpolarization
Concentration
polarization
Polarització
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
41/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/41AUTOR Jordi Llumà
20 Corrosió I
Polarització
Passivació
Log current density, i
E l e c t r o c h e m i c a l p o
t e n t i a l , V
Transpassive
Passive
Active
V (M/M2+ )
M
2 +
-
+ 2 e
M
i0 (M/M2+ )
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
42/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/42AUTOR Jordi Llumà
20 Corrosió I
Cinètica de corrosió amb polarització
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
43/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/43AUTOR Jordi Llumà
20 Corrosió I
Zn Zn
2+
+ 2e
-
H22H+ + 2e-
Cinètica de corrosió amb polarització
Cinètica de corrosió amb polarització d’activació
Current density, (A/cmi 2)
E l e c t r o c h e m i c a l p o t e n t i a l ,
( V )
V
10
– 12
10
– 10
10
–8
10
–6
10
–4
10
–2
1
–1.0
–0.8
–0.6
–0.4
–0.2
0
+0.2
+0.4
i0 (H+/H2)
iC
V (H +/H2)
Z n 2 +
+ 2 e
–
Z n
H 2
2 H + + 2
e –
VC
V (Zn/Zn2+)
i0 (Zn/Zn2+)
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
44/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/44AUTOR Jordi Llumà
Log current density, i
E l e c t r o c h e m i c a l p o
t e n t i a l , V iC
VC
V (H+/H2)
iL
i0 (M/M2+ )
i0 (H+/H2)
V (M/M2+ )
W.D. Callister “Fundamentals of Materials Science and Engineering”, p S-220
Cinètica de corrosió amb polarització
Cinètica de corrosió amb polarització per concentració
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
45/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/45AUTOR Jordi Llumà
Cinètica de corrosió amb polarització
Cinètica de corrosió amb passivació
E l e c t r o c h e m i c a l p o t e n t i a l , V
Log current density, i
i0 (1) i0 (2)
i0 (M/M2+ )
iC (B) iC (A)
B
A
1
2
W.D. Callister “Fundamentals of Materials Science and Engineering”, p S-223
20 – Corrosió I
-
8/17/2019 Ctm 20 Sdd Corrosio i
46/46
C i è n c i a i T e c n o l o
g i a d e M a t e r i a l s
20/46AUTOR Jordi Llumà
Properes classes
Tema 5. Propietats químiques. Corrosió i degradació Corrosió II
• Callister:
– Tema 18: 7-10 Problemes a resoldre:
• Callister: 18.5, 18.6
Tema 6. Propietats elèctriques Conducció elèctrica
• Callister: – Tema 19: 1-13