Kimia Universitas — Tahun 2 · Bachelor Year 2

12Korosi dan Proteksi

Teteskan setetes air garam pada sepotong baja yang bersih. Setelah sehari, logam itu berlubang-lubang di tengah tetesan, sedangkan karatnya terbentuk sebagai cincin di dekat tepinya, tempat oksigen dari udara larut. Besi larut di tempat oksigennya paling sedikit, dan oksigen direduksi di tempat oksigennya paling banyak: tetesan itu adalah sebuah sel yang tidak dibuat siapa pun, yang terhubung singkat melalui logam itu sendiri. Bab ini membaca korosi pada kurva arus–potensial, menjelaskan mengapa lembaran galvanis yang tergores tidak berkarat sedangkan kaleng timah yang tergores berkarat, dan merancang proteksi sebuah pipa yang ditanam di dalam tanah.

Yang sudah kamu ketahui

Jilid Tahun 1: diagram E–pH logam-logam dan daerah imunitas, korosi, dan pasivasinya (“apakah sebuah lapisan melindungi adalah persoalan kinetika”). Bab 10: kurva arus–potensial, arus pembatas. Bab 11: potensial campuran. Jilid sekolah: korosi, karat, galvanisasi.

Sebuah jembatan kereta api tua yang dikeling. Garis-garis karat mengalir turun dari paku-paku keling dan sambungan, tempat air dan oksigen paling lama tertahan dan catnya paling dahulu rusak.

12.1 Korosi basah sebagai sel yang terhubung singkat

Dalam air yang mengandung oksigen terlarut, besi dioksidasi, $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ , dan elektron-elektronnya diambil pada potongan logam yang sama oleh reduksi dioksigen, $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ (dalam asam, juga oleh $\ce{2H+ + 2e- -> H2}$ ). Ion-ion besi(II) dan ion-ion hidroksida bertemu di dalam air, dan oksidasi lebih lanjut oleh udara mengubah endapannya menjadi karat, sebuah besi(III) oksida terhidrat.

Definisi 12.1 (Korosi seragam)

Yang disebut korosi seragam adalah korosi sebuah logam yang oksidasinya dan reduksi oksidatornya berlangsung di situs-situs yang tersebar merata di permukaannya. Yang disebut potensial korosi adalah potensial campuran yang lalu diambil logam itu, dan arus korosi adalah arus anodik oksidasi logam pada potensial itu.

Diagram Evans besi dalam air netral yang beraerasi (kurva model). Kurva katodik dioksigen juga digambar terpantul ke atas (putus-putus): potensial korosi terletak di tempat kurva itu bertemu dengan kurva anodik besi. Karena reduksi dioksigen telah mencapai plato difusinya di sana, arus korosi sama dengan arus pembatas oksigen: mengaduk atau mengaerasi air membuat besi terkorosi lebih cepat.

Proposisi 12.2 (Laju korosi)

Logam bermassa molar $M$ dan bermassa jenis $\rho$ , yang dioksidasi dengan $n$ elektron per atom di bawah rapat arus korosi $j_{\text{kor}}$ (arus per satuan luas), kehilangan per satuan luas per satuan waktu massa $j_{\text{kor}}M/(nF)$ , yaitu ketebalan

\frac{de}{dt} = \frac{j_{\text{kor}}\,M}{nF\rho} .

Bukti. Menurut Proposisi 10.3, rapat arus anodik $j_{\text{kor}}$ mengoksidasi $j_{\text{kor}}/(nF)$ mol logam per satuan luas per satuan waktu; kalikan dengan $M$ untuk massanya dan bagilah dengan $\rho$ untuk ketebalannya. ∎

Contoh 12.3 (Besi pada $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ )

Dengan $j = 0.10\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}$ , $M = 55.845\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $n = 2$ , $\rho = 7.87\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ : $de/dt = 0.10 \times 55.845/(2 \times 96\,485 \times 7.87 \times 10^6) = 3.7 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ , yaitu $0.12\,\mathrm{mm}$ per tahun.

12.2 Korosi diferensial

Definisi 12.4 (Korosi diferensial)

Yang disebut korosi diferensial adalah korosi yang situs-situs anodik dan katodiknya terpisah, dengan logam yang dioksidasi terutama di situs-situs anodik. Korosi itu disebut korosi galvanik jika dua logam berbeda yang bersentuhan secara listrik berbagi elektrolit yang sama, dan aerasi diferensial jika satu logam terpapar pada air dengan kadar oksigen yang berbeda-beda.

Proposisi 12.5 (Dua logam yang bersentuhan)

Jika dua logam yang bersentuhan secara listrik tercelup dalam air beraerasi yang sama, keduanya mengambil satu potensial campuran. Logam yang potensial korosinya lebih rendah menjadi anode dan terkorosi lebih cepat daripada jika sendirian; logam yang lain menjadi katode, tempat dioksigen direduksi, dan terlindungi.

Bukti. Karena dihubungkan oleh penghantar berhambatan yang dapat diabaikan, kedua logam berada pada potensial yang sama, tempat jumlah semua arus anodik sama dengan minus jumlah semua arus katodik. Kurva anodik logam yang kurang mulia naik lebih dahulu; pada potensial bersama itu, kurva tersebut memikul hampir seluruh arus anodik, dan oksigen direduksi di seluruh permukaan yang basah, termasuk logam yang lebih mulia, yang arus anodiknya sendiri dapat diabaikan di sana. ∎

Besi yang dipasangkan dengan logam lain (kurva model). Dengan seng, potensial bersama turun ke tempat seng memikul arus anodik: besi terlindungi, seng terkorosi. Dengan tembaga, luas katodik untuk oksigen menjadi dua kali lipat: arus korosi besi juga menjadi dua kali lipat.

Proposisi 12.6 (Aerasi diferensial)

Pada logam yang terpapar pada air dengan kadar oksigen yang berbeda-beda, zona yang kurang beraerasi bersifat anodik dan terkorosi; zona yang lebih beraerasi bersifat katodik.

Bukti. Di tempat kadar oksigennya lebih tinggi, pasangan $\ce{O2}$ / $\ce{OH-}$ mempunyai potensial Nernst yang lebih tinggi dan arus pembatas yang lebih besar: kurva katodiknya terletak lebih tinggi dan menjangkau lebih jauh. Logam itu, satu penghantar tunggal, menetap pada satu potensial; arus katodik besar yang tersedia di zona beraerasi harus diimbangi oleh arus anodik, yang mengalir di tempat logam dapat dioksidasi dengan sedikit persaingan dari reduksi oksigen, yaitu zona yang kurang beraerasi. Oksidasi terpusat di sana. ∎

Tetesan Evans pada baja, skematis. Oksigen larut di permukaan dan mencapai logam terutama di dekat tepi tetesan yang tipis, yang menjadi katode; bagian tengah, yang kekurangan oksigen, adalah anode dan berlubang-lubang. Ion-ion besi(II) dan ion-ion hidroksida bertemu di antaranya, tempat karat mengendap sebagai cincin.

Mekanisme yang sama menyerang celah-celah, bagian-bagian struktur di bawah endapan atau paking, dan tiang pancang baja di laut tepat di bawah garis air, tempat airnya kurang beraerasi daripada di permukaan.

Metode 12.7 (Mendiagnosis korosi)

Daftarlah logam-logam yang bersentuhan dan elektrolitnya; periksalah bahwa logam-logam itu terhubung secara listrik.
Untuk dua logam, logam dengan potensial korosi yang lebih rendah (biasanya potensial standar yang lebih rendah) adalah anode.
Untuk satu logam, carilah zona-zona yang kurang beraerasi (celah, bagian di bawah endapan, dasar tetesan): zona itu bersifat anodik.
Lajunya ditetapkan oleh reaksi katodik (pasokan oksigen, luas katode): anode kecil pada katode besar terkorosi dengan cepat.

12.3 Pasivasi

Definisi 12.8 (Pasivasi)

Yang disebut pasivasi adalah penurunan kuat laju korosi sebuah logam ketika logam itu tertutup lapisan tipis, padat, dan melekat dari oksidanya, yaitu lapisan pasif, yang memisahkannya dari larutan. Logam dalam keadaan ini dikatakan pasif.

Proposisi 12.9 (Plato pasif)

Kurva anodik logam yang dapat dipasivasi naik dari potensial korosinya, mencapai puncak, lalu turun ke arus pasif yang kecil dan hampir tetap dalam suatu rentang potensial, sebelum naik lagi pada potensial tinggi (daerah transpasif: oksidasi lapisan atau air). Keadaan pasif dapat rusak secara lokal, misalnya oleh ion klorida, sehingga terbentuk sumuran.

Argumen. Pada overpotensial rendah, logam telanjang larut makin lama makin cepat. Di atas suatu ambang, oksida menjadi stabil di permukaan (daerah pasivasi pada diagram E–pH) dan membentuk lapisan yang hanya dapat dilewati ion dengan lambat: arusnya runtuh menjadi fluks kecil itu. Pada potensial tinggi, lapisan itu sendiri dioksidasi menjadi spesies yang larut, atau air dioksidasi di atasnya. Ion klorida, yang kecil dan kuat membentuk kompleks, dapat melarutkan lapisan itu pada titik-titik lemahnya, tempat logam telanjang lalu terkorosi sebagai anode kecil di hadapan katode pasif yang sangat besar. Bentuk kurva di sini adalah sebuah model. ∎

Kurva anodik logam yang dapat dipasivasi (model). Arusnya, yang besar selama logam telanjang larut, runtuh ketika lapisan pasif terbentuk, dan tetap kecil dalam rentang potensial yang lebar sebelum kenaikan transpasif.

Baja tahan karat mengandung cukup kromium untuk membentuk lapisan pasif kromium oksida yang memulihkan dirinya sendiri di udara; aluminium dilindungi oleh lapisan aluminanya, yang membuat logam yang letaknya jauh di bawah hidrogen dalam deret itu dapat dipakai untuk kusen jendela dan kaleng minuman. Tembaga menjadi hijau di udara terbuka; patinanya adalah lapisan garam-garam basa tembaga yang memperlambat serangan lebih lanjut.

Sebuah patung tembaga yang berusia lebih dari satu abad: kulitnya yang berupa lembaran tembaga tipis telah menjadi hijau, tertutup patina garam-garam basa tembaga yang melindungi logam di bawahnya. (Foto: Elcobbola, domain publik, Wikimedia Commons.)

12.4 Proteksi

Korosi dilawan dengan memisahkan logam dari air dan oksigen (cat, plastik, email, atau lapisan logam lain), dengan mengubah mediumnya (menghilangkan oksigen, menambahkan inhibitor yang teradsorpsi pada logam), atau dengan menggeser potensial logam ke dalam daerah imunitasnya.

Definisi 12.10 (Proteksi katodik)

Yang disebut proteksi katodik adalah penurunan potensial sebuah struktur logam sampai oksidasinya berhenti, dengan menjadikannya katode sebuah sel. Sel itu dapat dibentuk dengan anode korban, yaitu logam yang kurang mulia (seng, magnesium, paduan aluminium) yang dihubungkan dengan struktur itu dan habis terpakai menggantikannya, atau digerakkan oleh generator, dalam proteksi arus paksa, dengan anode berupa elektrode inert yang ditanam di dekatnya.

Proposisi 12.11 (Umur anode korban)

Anode korban bermassa $m$ dan bermassa molar $M$ , yang dioksidasi dengan $n$ elektron dan efisiensi $\eta$ (fraksi logam yang menghasilkan arus berguna, sisanya terkorosi dengan sendirinya), memberikan arus $I$ selama waktu

t = \frac{\eta\,m\,nF}{M I} .

Bukti. Muatan bergunanya adalah $\eta\,(m/M)\,nF$ ; bagilah dengan arusnya. ∎

Proteksi katodik pipa yang ditanam, skematis. Kiri: anode magnesium, yang dihubungkan dengan kabel ke pipa, terkorosi menggantikannya. Kanan: penyearah mengalirkan arus dari anode inert melalui tanah ke dalam pipa.

Anode korban dari seng yang dibaut pada lambung baja sebuah kapal, setelah satu musim di dalam air: sengnya habis termakan, baja di sekelilingnya utuh. (Foto: Zwergelstern, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.)

Goresan yang menembus lapisan logam, skematis. Seng, yang kurang mulia daripada besi, menjadi anode dan melindungi baja yang terbuka, berapa pun ukuran goresannya. Timah, yang lebih mulia daripada besi, menjadi katode besar di sekeliling anode baja yang kecil, yang terkorosi lebih cepat daripada baja telanjang.

Metode 12.12 (Memilih proteksi)

Hindari pasangan galvanik: isolasi logam-logam yang berbeda, atau jadikan logam yang kurang mulia sebagai yang lebih luas.
Lapisi: lapisan penghalang (cat, timah) hanya melindungi selama utuh; lapisan korban (seng) tetap melindungi walaupun tergores.
Untuk struktur di dalam tanah atau air laut, tambahkan proteksi katodik: anode korban untuk arus kecil atau air yang konduktif, arus paksa untuk struktur panjang atau tanah yang resistif.
Jangan memproteksi berlebihan: potensial yang terlalu rendah mereduksi air menjadi hidrogen pada struktur, yang mengelupas lapisan pelindung dan dapat membuat baja berkekuatan tinggi menjadi rapuh.

12.5 Latihan

Latihan 12.1 ★

Seng terkorosi secara seragam di bawah rapat arus $2.0\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ . Hitunglah kehilangan ketebalannya per tahun ( $\rho = 7.13\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ ).

Solusi

Solusi Latihan 12.1.

$j = 0.020\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}$ : $de/dt = 0.020 \times 65.38/(2 \times 96\,485 \times 7.13 \times 10^6) = 9.5 \times 10^{-13}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ , yaitu $0.030\,\mathrm{mm}$ per tahun.

Latihan 12.2 ★

Baut-baut baja memegang lembaran-lembaran tembaga pada sebuah atap. Logam mana yang terkorosi? Pertanyaan yang sama untuk paku seng pada lembaran baja.

Solusi

Solusi Latihan 12.2.

Baut baja pada tembaga: besi, yang kurang mulia, menjadi anode, dan baut-baut kecil pada katode tembaga yang luas terkorosi dengan cepat. Paku seng pada baja: seng terkorosi dan melindungi baja di sekelilingnya.

Latihan 12.3 ★

Dua pelat baja disatukan oleh sebuah baut dan dibiarkan di dalam air laut. Di mana korosi terpusat, dan mengapa?

Solusi

Solusi Latihan 12.3.

Di celah sempit antara pelat-pelat itu dan di bawah kepala baut, tempat air diperbarui dengan lambat dan oksigennya cepat habis: melalui aerasi diferensial, zona-zona tertutup ini menjadi anode, dan permukaan yang terbuka menjadi katode.

Latihan 12.4 ★

Sebuah ember galvanis dan sebuah kaleng timah sama-sama tergores sampai ke bajanya. Mana yang berkarat di goresannya?

Solusi

Solusi Latihan 12.4.

Kaleng timah: timah, yang lebih mulia daripada besi, menjadikan baja yang terbuka sebagai anode dari katode yang luas. Pada ember galvanis, seng terkorosi alih-alih bajanya.

Latihan 12.5 ★★

Pada diagram Evans besi dalam air beraerasi, jelaskan apa yang terjadi pada potensial dan arus korosi ketika air diaduk, lalu ketika air dibebaskan dari oksigen.

Solusi

Solusi Latihan 12.5.

Pengadukan menipiskan lapisan difusi: plato oksigen naik, kurva anodik besi memotongnya lebih tinggi, sehingga potensial korosi dan arus korosi sama-sama bertambah. Tanpa oksigen, satu-satunya reaksi katodik yang tersisa dalam air netral adalah reduksi air yang lambat: potensial korosi turun dan arus korosi menjadi sangat kecil.

Latihan 12.6 ★★

Sebuah anode seng $5.0\,\mathrm{kg}$ melindungi lambung kapal dengan arus $0.10\,\mathrm{A}$ , dengan efisiensi 90 % (data latihan). Berapa lama anode itu bertahan?

Solusi

Solusi Latihan 12.6.

$t = 0.90 \times 5000 \times 2 \times 96\,485/(65.38 \times 0.10) = 1.33 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$ , sekitar 4.2 tahun.

Latihan 12.7 ★★

Hitunglah muatan, dalam ampere-jam per kilogram, yang diberikan oleh anode seng, magnesium, dan aluminium pada efisiensi 100 %, serta potensial standar pasangan-pasangannya dari $\Delta_f G^\circ$ ( $\ce{Zn^2+}$ $-147.06$ , $\ce{Mg^2+}$ $-454.8$ , $\ce{Al^3+}$ $-485$ $\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ). Mengapa magnesium lebih disukai di tanah kering?

Solusi

Solusi Latihan 12.7.

Muatan per kilogram, $nF/M$ : seng $820\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ , magnesium $2.21 \times 10^{3}\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ , aluminium $2.98 \times 10^{3}\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ . Potensial standar: $\ce{Zn^2+}$ / $\ce{Zn}$ $-0.76$ , $\ce{Mg^2+}$ / $\ce{Mg}$ $-2.36$ , $\ce{Al^3+}$ / $\ce{Al}$ $-1.68\,\mathrm{V}$ . Di tanah yang kering dan resistif, arus harus didorong melalui hambatan yang besar: magnesium, yang letaknya jauh di bawah besi, menawarkan tegangan pendorong yang paling besar.

Latihan 12.8 ★★

Sebuah pipa yang ditanam memerlukan arus proteksi $2.0\,\mathrm{A}$ . Hamparan anode inert mempunyai hambatan $4.0\,\Omega$ terhadap tanah, dan selnya memerlukan tambahan $1.5\,\mathrm{V}$ (data latihan). Hitunglah tegangan penyearah dan energi listrik per tahun.

Solusi

Solusi Latihan 12.8.

$U = 2.0 \times 4.0 + 1.5 = 9.5\,\mathrm{V}$ ; daya $19\,\mathrm{W}$ ; per tahun $19 \times 8766 = 1.7 \times 10^{5}\,\mathrm{W}\,\mathrm{h}$ , $1.7 \times 10^{2}\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ .

Latihan 12.9 ★★

Sebuah tiang pancang baja berdiri di laut. Jelaskan mengapa tiang itu paling banyak terkorosi sedikit di bawah garis air, dan tidak tepat di garis air.

Solusi

Solusi Latihan 12.9.

Di garis air, logam dibasahi air yang kaya oksigen, sebuah katode; tepat di bawahnya, air kurang beraerasi dan zona itu menjadi anode sel yang terbentuk bersama garis air: baja terkorosi di sana, dalam sebuah pita.

Latihan 12.10 ★★★

Jelaskan, dengan kurva pasif, mengapa baja tahan karat tahan terhadap air beraerasi tetapi dapat mengalami sumuran di air laut, dan mengapa sebuah sumuran, begitu terbentuk, tumbuh makin dalam alih-alih makin lebar.

Solusi

Solusi Latihan 12.10.

Dalam air beraerasi, potensial korosi baja tahan karat jatuh pada plato pasifnya: arusnya sangat kecil, dan lapisannya memulihkan diri. Ion klorida merusak lapisan itu pada titik-titik lemah; logam telanjang di sana menjadi anode kecil yang berhadapan dengan katode pasif yang sangat luas, sehingga rapat arusnya sangat besar. Di dalam sumuran, ion-ion logam terhidrolisis dan mengasamkan larutan, klorida tertarik masuk untuk menyeimbangkan muatan, dan lapisan pasif tidak dapat terbentuk kembali: sumuran itu makin dalam.

Latihan 12.11 ★★★

Sebuah sambungan tembaga disekrupkan pada pipa baja yang mengalirkan air beraerasi. Rapat arus pembatas oksigen adalah $5\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ pada setiap permukaan yang basah; tembaga menyediakan $20\,\mathrm{cm}^{2}$ dan baja di dekat sambungan $2\,\mathrm{cm}^{2}$ (data latihan). Perkirakan arus korosi baja dan kehilangan ketebalannya per tahun di dekat sambungan.

Solusi

Solusi Latihan 12.11.

Oksigen direduksi pada seluruh $22\,\mathrm{cm}^{2}$ : arus katodik $22 \times 5 = 110\,\text{µ}\mathrm{A}$ , yang seluruhnya dipasok oleh oksidasi $2\,\mathrm{cm}^{2}$ baja di dekat sambungan, $j = 55\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ . Kehilangannya $5.5$ kali kehilangan besi pada $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ , sekitar $0.64\,\mathrm{mm}$ per tahun.

Latihan 12.12 ★★★

Dengan diagram E–pH besi dan kurva-kurva air, jelaskan mengapa potensial struktur baja yang diproteksi harus dijaga di bawah sekitar $-0.6\,\mathrm{V}$ tetapi tidak jauh di bawah $-1\,\mathrm{V}$ dalam air netral.

Solusi

Solusi Latihan 12.12.

Besi imun di bawah garis $\ce{Fe^2+}$ / $\ce{Fe}$ , $-0.41 + 0.0296\log 10^{-6} = -0.59\,\mathrm{V}$ : jika dijaga di bawah sekitar $-0.6\,\mathrm{V}$ , baja tidak lagi larut. Jauh lebih rendah lagi, air direduksi pada baja dengan laju yang makin besar (garis $\ce{H+}$ / $\ce{H2}$ berada pada $-0.41\,\mathrm{V}$ pada pH 7 dan overpotensial pada baja beberapa persepuluh volt): arus terbuang dan hidrogen mengelupas lapisan pelindung.

12.6 Soal: Memproteksi Sebuah Pipa Saluran

Soal 12.1

Soal akhir pekan — korosi pipa baja telanjang di dalam tanah basah, pemilihan logam korban, magnesium yang diperlukan untuk dua puluh tahun, dan alternatif arus paksa

Sebuah pipa saluran baja sepanjang $10.0\,\mathrm{km}$ dengan diameter $0.30\,\mathrm{m}$ ditanam di dalam tanah basah. Data: besi $M = 55.845\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $\rho = 7.87\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ ; magnesium $M = 24.305\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $\Delta_f G^\circ$ ( $\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ): $\ce{Fe^2+}$ $-78.90$ , $\ce{Zn^2+}$ $-147.06$ , $\ce{Mg^2+}$ $-454.8$ , $\ce{Al^3+}$ $-485$ . Data latihan: rapat arus korosi baja telanjang di tanah ini $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ ; rapat arus rancangan untuk proteksi baja telanjang $20\,\mathrm{mA}/\mathrm{m}^{2}$ ; lapisan pelindungnya menyisakan 1.0 % permukaan yang telanjang; anode magnesium $15\,\mathrm{kg}$ , efisiensi 50 %; hambatan hamparan anode untuk arus paksa $5.0\,\Omega$ .

Bagian I — Pipa telanjang.

Tuliskan reaksi anodik dan reaksi katodik pada pipa itu.
Mengapa arus korosi ditetapkan oleh pasokan oksigen?
Hitunglah massa besi yang hilang per meter persegi per tahun.
Hitunglah kehilangan ketebalan dinding per tahun.
Berapa lama pipa telanjang itu akan kehilangan separuh dari dinding setebal $8\,\mathrm{mm}$ ?
Mengapa pipa yang sebenarnya rusak lebih cepat, pada beberapa titik?

Bagian II — Logam anode.

Hitunglah potensial standar pasangan-pasangan besi, seng, magnesium, dan aluminium.
Logam-logam mana yang dapat melindungi besi sebagai anode korban?
Mengapa aluminium jarang dipakai di dalam tanah?
Mengapa magnesium lebih disukai daripada seng di tanah yang resistivitasnya tinggi?
Hitunglah massa magnesium yang terpakai per ampere per tahun.

Bagian III — Rancangan.

Hitunglah luas permukaan luar pipa.
Hitunglah luas permukaan telanjang yang ditinggalkan lapisan pelindung.
Hitunglah arus proteksinya.
Hitunglah muatan yang diperlukan untuk dua puluh tahun.
Hitunglah massa magnesium yang diperlukan.
Berapa anode yang diperlukan?
Mengapa anode-anode itu disebar di sepanjang pipa alih-alih ditanam di satu titik?

Bagian IV — Arus paksa.

Uraikan alternatif arus paksa.
Perkirakan tegangan penyearah dari hambatan hamparan anode, dengan menambahkan $1.5\,\mathrm{V}$ untuk elektrode-elektrodenya.
Hitunglah energi listrik yang dipakai per tahun.
Apa yang salah jika pipa itu diproteksi berlebihan?
Di bawah potensial berapa besi imun dalam air netral, dengan menganggap konsentrasi besi(II) $1 \times 10^{-6}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ ?
Nyatakan massa anode magnesium yang diperlukan untuk dua puluh tahun.

Solusi

Solusi Soal 12.1.

1. $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ ; $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ . 2. Reduksi oksigen, yang lambat dan mencapai plato difusinya, membatasi arus katodik; kurva anodik besi memotongnya pada plato itu. 3. $j = 0.10\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}$ : $0.10 \times 3.156 \times 10^7/(2 \times 96\,485) \times 55.845 = 913\,\mathrm{g}$ per meter persegi per tahun. 4. $913/7.87 \times 10^6 = 1.16 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}$ , $0.12\,\mathrm{mm}$ per tahun. 5. $4/0.116 = 34$ tahun. 6. Korosinya tidak seragam: celah, perbedaan aerasi di antara jenis-jenis tanah, dan cacat lapisan pelindung memusatkan arus anodik pada daerah-daerah kecil, tempat sumuran menembus dinding jauh lebih awal. 7. $E^\circ = \Delta_f G^\circ/(nF)$ untuk setiap pasangan: $\ce{Fe}$ $-0.41$ , $\ce{Zn}$ $-0.76$ , $\ce{Mg}$ $-2.36$ , $\ce{Al}$ $-1.68\,\mathrm{V}$ . 8. Seng, magnesium, dan aluminium, yang semuanya berada di bawah besi. 9. Aluminium terpasivasi: lapisan oksidanya menghentikan pelarutannya dan aluminium lalu hanya memberikan sedikit arus, kecuali jika dipadukan untuk mencegah lapisan itu (yang berhasil di air laut, tidak di dalam tanah). 10. Arus harus melintasi hambatan tanah: tegangan pendorong antara anode dan baja yang dilindungi sekitar $1.9\,\mathrm{V}$ untuk magnesium dibandingkan dengan $0.35\,\mathrm{V}$ untuk seng (dari potensial standar). 11. $3.156 \times 10^7 \times 24.305/(2 \times 96\,485 \times 0.50) = 7.95\,\mathrm{kg}$ per ampere per tahun. 12. $\pi \times 0.30 \times 10\,000 = 9.42 \times 10^{3}\,\mathrm{m}^{2}$ . 13. $94.2\,\mathrm{m}^{2}$ . 14. $0.020 \times 94.2 = 1.88\,\mathrm{A}$ . 15. $1.885 \times 20 \times 3.156 \times 10^7 = 1.19 \times 10^{9}\,\mathrm{C}$ . 16. $1.19 \times 10^9 \times 24.305/(2 \times 96\,485 \times 0.50) = 3.00 \times 10^{5}\,\mathrm{g}$ , $300\,\mathrm{kg}$ (atau $1.885 \times 20 \times 7.95$ ). 17. $300/15 = 20$ anode. 18. Hambatan tanah membatasi seberapa jauh satu anode dapat mendorong arusnya di sepanjang pipa: anode-anode yang tersebar melindunginya secara merata. 19. Sebuah penyearah mengalirkan arus dari anode inert yang ditanam dalam hamparan anode, melalui tanah, ke dalam pipa yang dihubungkan dengan kutub negatifnya. 20. $1.885 \times 5.0 + 1.5 = 10.9\,\mathrm{V}$ . 21. $10.9 \times 1.885 = 20.6\,\mathrm{W}$ ; $20.6 \times 8766 = 1.8 \times 10^{5}\,\mathrm{W}\,\mathrm{h}$ , $180\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ per tahun. 22. Air direduksi pada pipa: hidrogen terbentuk, mengelupas lapisan pelindung dan dapat membuat baja rapuh, dan arus terbuang. 23. $E < -0.41 + 0.0296\log(10^{-6}) = -0.59\,\mathrm{V}$ . 24. Proteksi selama dua puluh tahun memerlukan $\boldsymbol{\approx 3.0 \times 10^{2}\,\mathrm{kg}}$ anode magnesium.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium