Universitaire scheikunde — jaar 2 · Bachelor Year 2

12Corrosie en bescherming

Laat een druppel zout water liggen op een schoon stuk staal. Na een dag is het metaal in het midden van de druppel aangevreten, terwijl de roest zich in een ring bij de rand heeft gevormd, waar de zuurstof van de lucht oplost. Het ijzer lost op waar het minste zuurstof is, en de zuurstof wordt gereduceerd waar er het meeste is: de druppel is een cel die niemand gebouwd heeft, kortgesloten via het metaal zelf. Dit hoofdstuk leest corrosie af op stroom-potentiaalkrommen, verklaart waarom een bekraste gegalvaniseerde plaat niet roest en een bekrast conservenblik wel, en ontwerpt de bescherming van een ingegraven pijpleiding.

Wat je al weet

Het deel van jaar 1: potentiaal-pH-diagrammen van metalen en hun immuniteitsgebieden, corrosie en passivering (“of een laag beschermt, is een kinetische kwestie”). Hoofdstuk 10: stroom-potentiaalkrommen, grensstromen. Hoofdstuk 11: de gemengde potentiaal. Het schoolboek: corrosie, roest, verzinken.

Een oude geklonken spoorbrug. Roeststrepen lopen naar beneden vanaf de klinknagels en de voegen, waar water en zuurstof het langst blijven en de verf het eerst het begeeft.

12.1 Natte corrosie als kortgesloten cel

In water met opgeloste zuurstof wordt ijzer geoxideerd, $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ , en de elektronen worden op hetzelfde stuk metaal opgenomen door de reductie van dizuurstof, $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ (in zuur milieu ook door $\ce{2H+ + 2e- -> H2}$ ). De ijzer(II)-ionen en de hydroxide-ionen ontmoeten elkaar in het water, en verdere oxidatie door de lucht maakt van hun neerslag roest, een gehydrateerd ijzer(III)oxide.

Definitie 12.1 (Uniforme corrosie)

Uniforme corrosie is de corrosie van een metaal waarvan de oxidatie en de reductie van de oxidator plaatsvinden op plekken die gelijkmatig over zijn oppervlak verspreid zijn. De corrosiepotentiaal is de gemengde potentiaal die het metaal dan aanneemt, en de corrosiestroom de anodische stroom van de oxidatie van het metaal bij die potentiaal.

Het evansdiagram van ijzer in belucht neutraal water (modelkrommen). De kathodische kromme van dizuurstof is ook naar boven gespiegeld getekend (gestreept): de corrosiepotentiaal ligt waar ze de anodische kromme van ijzer snijdt. Omdat de reductie van dizuurstof daar haar diffusieplateau bereikt heeft, is de corrosiestroom gelijk aan de grensstroom van zuurstof: roeren of beluchten van het water laat ijzer sneller corroderen.

Propositie 12.2 (Corrosiesnelheid)

Een metaal met molaire massa $M$ en dichtheid $\rho$ , geoxideerd met $n$ elektronen per atoom onder een corrosiestroomdichtheid $j_{\text{corr}}$ (stroom per eenheid oppervlakte), verliest per eenheid oppervlakte en tijd de massa $j_{\text{corr}}M/(nF)$ , dus een dikte

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

Bewijs. Volgens Propositie 10.3 oxideert de anodische stroomdichtheid $j_{\text{corr}}$ per eenheid oppervlakte en tijd $j_{\text{corr}}/(nF)$ mol metaal; vermenigvuldig met $M$ voor de massa en deel door $\rho$ voor de dikte. ∎

Voorbeeld 12.3 (IJzer bij $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ )

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

12.2 Differentiële corrosie

Definitie 12.4 (Differentiële corrosie)

Differentiële corrosie is een corrosie waarbij de anodische en de kathodische plekken gescheiden zijn, zodat het metaal bij voorkeur op de anodische plekken geoxideerd wordt. Het is galvanische corrosie wanneer twee verschillende metalen in elektrisch contact hetzelfde elektrolyt delen, en differentiële beluchting wanneer één metaal blootgesteld is aan water met verschillende zuurstofgehalten.

Propositie 12.5 (Twee metalen in contact)

Wanneer twee metalen in elektrisch contact in hetzelfde beluchte water dompelen, nemen ze één enkele gemengde potentiaal aan. Het metaal met de laagste corrosiepotentiaal wordt de anode en corrodeert sneller dan alleen; het andere wordt een kathode, waarop dizuurstof gereduceerd wordt, en is beschermd.

Bewijs. Verbonden door een geleider met verwaarloosbare weerstand hebben de twee metalen dezelfde potentiaal, waarbij de som van alle anodische stromen gelijk is aan min de som van alle kathodische stromen. De anodische kromme van het minder edele metaal stijgt eerst; bij de gemeenschappelijke potentiaal voert ze bijna de hele anodische stroom, en de zuurstof wordt gereduceerd op het hele bevochtigde oppervlak, het edelere metaal inbegrepen, waarvan de eigen anodische stroom daar verwaarloosbaar is. ∎

IJzer gekoppeld aan andere metalen (modelkrommen). Met zink zakt de gemeenschappelijke potentiaal tot waar zink de anodische stroom voert: ijzer is beschermd, zink corrodeert. Met koper verdubbelt het kathodische oppervlak voor zuurstof: ook de corrosiestroom van ijzer verdubbelt.

Propositie 12.6 (Differentiële beluchting)

Op een metaal dat blootgesteld is aan water met verschillende zuurstofgehalten, is de minst beluchte zone anodisch en corrodeert ze; de best beluchte zone is kathodisch.

Bewijs. Waar het zuurstofgehalte hoger is, heeft het koppel $\ce{O2}$ / $\ce{OH-}$ een hogere nernstpotentiaal en een grotere grensstroom: de kathodische kromme ligt hoger en reikt verder. Het metaal, één enkele geleider, neemt één potentiaal aan; de grote kathodische stroom die in de beluchte zone beschikbaar is, moet gecompenseerd worden door een anodische stroom, die loopt waar het metaal geoxideerd kan worden met weinig concurrentie van de zuurstofreductie: in de slecht beluchte zone. De oxidatie concentreert zich daar. ∎

De druppel van Evans op staal, schematisch. Zuurstof lost op aan het oppervlak en bereikt het metaal vooral bij de dunne rand van de druppel, die de kathode wordt; het midden, verstoken van zuurstof, is de anode en wordt aangevreten. De ijzer(II)-ionen en de hydroxide-ionen ontmoeten elkaar daartussen, waar de roest als een ring neerslaat.

Hetzelfde mechanisme tast spleten aan, de delen van een constructie onder een afzetting of een pakking, en een stalen paal in zee net onder de waterlijn, waar het water minder belucht is dan aan het oppervlak.

Methode 12.7 (Een corrosie diagnosticeren)

Som de metalen in contact en het elektrolyt op; controleer of ze elektrisch verbonden zijn.
Bij twee metalen is het metaal met de laagste corrosiepotentiaal (meestal de laagste standaardpotentiaal) de anode.
Zoek bij één metaal de minst beluchte zones (spleten, onder afzettingen, de bodem van een druppel): die zijn anodisch.
De snelheid wordt bepaald door de kathodische reactie (zuurstofaanvoer, kathodeoppervlak): een kleine anode op een grote kathode corrodeert snel.

12.3 Passivering

Definitie 12.8 (Passivering)

Passivering is de sterke daling van de corrosiesnelheid van een metaal wanneer het bedekt wordt door een dunne, compacte, hechtende laag van zijn oxide, de passieve film, die het van de oplossing scheidt. Een metaal in deze toestand heet passief.

Propositie 12.9 (Het passieve plateau)

De anodische kromme van een passiveerbaar metaal stijgt vanaf zijn corrosiepotentiaal, bereikt een piek, en daalt dan tot een kleine, bijna constante passieve stroom over een potentiaalgebied, voordat ze bij hoge potentialen opnieuw stijgt (transpassief gebied: oxidatie van de film of van water). De passieve toestand kan plaatselijk doorbroken worden, bijvoorbeeld door chloride-ionen, wat putten geeft.

Redenering. Bij kleine overspanningen lost het blote metaal steeds sneller op. Voorbij een drempel wordt het oxide stabiel aan het oppervlak (het passiveringsgebied van het potentiaal-pH-diagram) en vormt het een film waardoor ionen slechts traag bewegen: de stroom stort in tot die kleine flux. Bij hoge potentialen wordt de film zelf geoxideerd tot oplosbare deeltjes, of wordt water erop geoxideerd. Chloride-ionen, klein en sterk complexerend, kunnen de film op zwakke plekken oplossen, waar het blote metaal dan corrodeert als een kleine anode tegenover een enorme passieve kathode. De vorm van de kromme is hier een model. ∎

Anodische kromme van een passiveerbaar metaal (model). De stroom, groot zolang het blote metaal oplost, stort in wanneer de passieve film ontstaat, en blijft klein over een breed potentiaalgebied vóór de transpassieve stijging.

Roestvaste staalsoorten bevatten genoeg chroom om een passieve film van chroomoxide te vormen die zich in lucht zelf herstelt; aluminium wordt beschermd door zijn oxidefilm, wat een metaal dat in de reeks ver onder waterstof staat, bruikbaar maakt voor raamkozijnen en drankblikjes. Koper wordt groen in de open lucht: de patina is een laag basische kopersouten die verdere aantasting vertraagt.

Een koperen beeld van meer dan een eeuw oud: zijn huid van dun koperblik is groen geworden, bedekt met een patina van basische kopersouten die het metaal eronder beschermt. (Foto: Elcobbola, publiek domein, Wikimedia Commons.)

12.4 Bescherming

Corrosie wordt bestreden door het metaal van water en zuurstof te scheiden (verf, kunststof, email, of een laag van een ander metaal), door het milieu te veranderen (zuurstof verwijderen, inhibitoren toevoegen die op het metaal adsorberen), of door de potentiaal van het metaal naar zijn immuniteitsgebied te verschuiven.

Definitie 12.10 (Kathodische bescherming)

Kathodische bescherming verlaagt de potentiaal van een metalen constructie tot haar oxidatie stopt, door er de kathode van een cel van te maken. De cel kan gevormd worden met een opofferingsanode, een minder edel metaal (zink, magnesium, aluminiumlegeringen) dat met de constructie verbonden is en in haar plaats verbruikt wordt, of aangedreven worden door een generator, bij bescherming met opgedrukte stroom, waarbij de anode dan een inerte elektrode is die in de buurt is ingegraven.

Propositie 12.11 (Levensduur van een opofferingsanode)

Een opofferingsanode met massa $m$ en molaire massa $M$ , geoxideerd met $n$ elektronen en een rendement $\eta$ (de fractie van het metaal die nuttige stroom levert, terwijl de rest op zichzelf corrodeert), levert een stroom $I$ gedurende een tijd

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

Bewijs. De nuttige lading is $\eta\,(m/M)\,nF$ ; deel door de stroom. ∎

Kathodische bescherming van een ingegraven buis, schematisch. Links: een magnesiumanode, met een draad aan de buis verbonden, corrodeert in haar plaats. Rechts: een gelijkrichter stuurt een stroom van een inerte anode door de bodem naar de buis.

Een opofferingsanode van zink, op de stalen romp van een boot geschroefd, na een seizoen in het water: het zink is weggevreten, het staal eromheen is intact. (Foto: Zwergelstern, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.)

Een kras door een metalen deklaag, schematisch. Zink, minder edel dan ijzer, wordt de anode en beschermt het blootgelegde staal, hoe groot de kras ook is. Tin, edeler dan ijzer, wordt een grote kathode rond een kleine anode van staal, die sneller corrodeert dan bloot staal zou doen.

Methode 12.12 (Een bescherming kiezen)

Vermijd galvanische koppels: isoleer ongelijke metalen, of maak het minst edele het grootste.
Breng een deklaag aan: een barrièrelaag (verf, tin) beschermt alleen zolang ze intact is; een opofferingslaag (zink) beschermt zelfs wanneer ze bekrast is.
Voeg voor een constructie in de bodem of in zeewater kathodische bescherming toe: opofferingsanoden voor kleine stromen of geleidend water, opgedrukte stroom voor lange constructies of bodems met hoge weerstand.
Bescherm niet te sterk: een te lage potentiaal reduceert water tot waterstof aan de constructie, wat deklagen loslicht en hogesterktestaal bros kan maken.

12.5 Oefeningen

Oefening 12.1 ★

Zink corrodeert uniform onder een stroomdichtheid van $2.0\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ . Bereken zijn diktevermindering per jaar ( $\rho = 7.13\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ ).

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.1.

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

Oefening 12.2 ★

Stalen bouten houden koperen platen op een dak vast. Welk metaal corrodeert? Dezelfde vraag voor zinken nagels in stalen platen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.2.

Stalen bouten op koper: ijzer, het minst edele metaal, is de anode, en de kleine bouten op een grote koperen kathode corroderen snel. Zinken nagels in staal: het zink corrodeert en beschermt het staal eromheen.

Oefening 12.3 ★

Twee stalen platen worden door een bout samengehouden en in zeewater gelegd. Waar concentreert de corrosie zich, en waarom?

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.3.

In de smalle spleet tussen de platen en onder de boutkop, waar het water traag ververst wordt en zijn zuurstof snel opgebruikt is: door differentiële beluchting worden deze ingesloten zones anoden, en de open oppervlakken kathoden.

Oefening 12.4 ★

Een gegalvaniseerde emmer en een conservenblik zijn allebei tot op het staal bekrast. Welke roest er bij de kras?

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.4.

Het conservenblik: tin, edeler dan ijzer, maakt van het blootgelegde staal de anode van een grote kathode. Op de gegalvaniseerde emmer corrodeert het zink in plaats van het staal.

Oefening 12.5 ★★

Leg aan de hand van het evansdiagram van ijzer in belucht water uit wat er gebeurt met de corrosiepotentiaal en de corrosiestroom wanneer het water geroerd wordt, en daarna wanneer het van zuurstof ontdaan wordt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.5.

Roeren maakt de diffusielaag dunner: het zuurstofplateau stijgt, de anodische kromme van ijzer snijdt het hoger, zodat zowel de corrosiepotentiaal als de corrosiestroom toeneemt. Zonder zuurstof blijft in neutraal water als enige kathodische reactie de trage reductie van water over: de corrosiepotentiaal daalt en de corrosiestroom wordt zeer klein.

Oefening 12.6 ★★

Een zinkanode van $5.0\,\mathrm{kg}$ beschermt een scheepsromp met een stroom van $0.10\,\mathrm{A}$ , met een rendement van 90 % (gegevens voor de oefening). Hoe lang gaat ze mee?

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.6.

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

Oefening 12.7 ★★

Bereken de lading, in ampère-uur per kilogram, die anoden van zink, magnesium en aluminium bij een rendement van 100 % leveren, en de standaardpotentialen van hun koppels uit $\Delta_f G^\circ$ ( $\ce{Zn^2+}$ $-147.06$ , $\ce{Mg^2+}$ $-454.8$ , $\ce{Al^3+}$ $-485$ $\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ). Waarom verkiest men magnesium in droge bodems?

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.7.

Lading per kilogram, $nF/M$ : zink $820\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ , magnesium $2.21 \times 10^{3}\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ , aluminium $2.98 \times 10^{3}\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ . Standaardpotentialen: $\ce{Zn^2+}$ / $\ce{Zn}$ $-0.76$ , $\ce{Mg^2+}$ / $\ce{Mg}$ $-2.36$ , $\ce{Al^3+}$ / $\ce{Al}$ $-1.68\,\mathrm{V}$ . In een droge bodem met hoge weerstand moet de stroom door een grote weerstand gedreven worden: magnesium, dat veel verder onder ijzer ligt, biedt de grootste drijvende spanning.

Oefening 12.8 ★★

Een ingegraven buis heeft $2.0\,\mathrm{A}$ beschermingsstroom nodig. Het anodebed van de inerte anode heeft een weerstand van $4.0\,\Omega$ ten opzichte van de bodem en de cel vraagt nog eens $1.5\,\mathrm{V}$ (gegevens voor de oefening). Bereken de spanning van de gelijkrichter en de elektrische energie per jaar.

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.8.

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

Oefening 12.9 ★★

Een stalen paal staat in de zee. Leg uit waarom hij het sterkst corrodeert een beetje onder de waterlijn, en niet op de waterlijn zelf.

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.9.

Op de waterlijn wordt het metaal bevochtigd door zuurstofrijk water: een kathode; net eronder is het water minder belucht en wordt de zone de anode van de cel die met de waterlijn gevormd wordt: daar corrodeert het staal, in een band.

Oefening 12.10 ★★★

Leg met de passieve kromme uit waarom roestvast staal bestand is tegen belucht water maar in zeewater putcorrosie kan vertonen, en waarom een put, eenmaal begonnen, dieper wordt in plaats van breder.

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.10.

In belucht water valt de corrosiepotentiaal van roestvast staal op zijn passieve plateau: een minuscule stroom, en de film herstelt zichzelf. Chloride-ionen breken de film op zwakke plekken; het blote metaal is daar een kleine anode tegenover een enorme passieve kathode, zodat zijn stroomdichtheid enorm is. In de put hydrolyseren de metaalionen en verzuren ze de oplossing, wordt chloride aangetrokken om de lading te compenseren, en kan de film zich niet opnieuw vormen: de put wordt dieper.

Oefening 12.11 ★★★

Een koperen fitting is op een stalen buis geschroefd die belucht water voert. De grensstroomdichtheid van zuurstof is $5\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ op elk bevochtigd oppervlak; het koper biedt $20\,\mathrm{cm}^{2}$ en het staal bij de verbinding $2\,\mathrm{cm}^{2}$ (gegevens voor de oefening). Schat de corrosiestroom van het staal en zijn diktevermindering per jaar bij de verbinding.

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.11.

Zuurstof wordt gereduceerd op alle $22\,\mathrm{cm}^{2}$ : kathodische stroom $22 \times 5 = 110\,\text{µ}\mathrm{A}$ , volledig geleverd door de oxidatie van de $2\,\mathrm{cm}^{2}$ staal bij de verbinding, $j = 55\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ . Het verlies is $5.5$ maal dat van ijzer bij $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ , ongeveer $0.64\,\mathrm{mm}$ per jaar.

Oefening 12.12 ★★★

Leg met het potentiaal-pH-diagram van ijzer en de krommen van water uit waarom de potentiaal van een beschermde stalen constructie onder ongeveer $-0.6\,\mathrm{V}$ gehouden moet worden, maar niet ver onder $-1\,\mathrm{V}$ in neutraal water.

Oplossing

Oplossing van Oefening 12.12.

IJzer is immuun onder de lijn $\ce{Fe^2+}$ / $\ce{Fe}$ , $-0.41 + 0.0296\log 10^{-6} = -0.59\,\mathrm{V}$ : onder ongeveer $-0.6\,\mathrm{V}$ gehouden lost het staal niet meer op. Veel lager wordt water in toenemende mate op het staal gereduceerd (de lijn $\ce{H+}$ / $\ce{H2}$ ligt bij pH 7 op $-0.41\,\mathrm{V}$ en de overspanning op staal bedraagt enkele tienden volt): er gaat stroom verloren en waterstof doet de deklaag loslaten.

12.6 Probleem: een pijpleiding beschermen

Probleem 12.1

Weekendprobleem — de corrosie van een blote stalen buis in natte bodem, de keuze van een opofferingsmetaal, het magnesium dat nodig is voor twintig jaar, en het alternatief met opgedrukte stroom

Een stalen pijpleiding van $10.0\,\mathrm{km}$ lang en $0.30\,\mathrm{m}$ diameter ligt ingegraven in natte bodem. Gegevens: ijzer $M = 55.845\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $\rho = 7.87\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ ; magnesium $M = 24.305\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $\Delta_f G^\circ$ ( $\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ): $\ce{Fe^2+}$ $-78.90$ , $\ce{Zn^2+}$ $-147.06$ , $\ce{Mg^2+}$ $-454.8$ , $\ce{Al^3+}$ $-485$ . Gegevens voor de oefening: corrosiestroomdichtheid van bloot staal in deze bodem $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ ; ontwerpstroomdichtheid voor de bescherming van bloot staal $20\,\mathrm{mA}/\mathrm{m}^{2}$ ; de deklaag laat 1.0 % van het oppervlak bloot; magnesiumanoden van $15\,\mathrm{kg}$ , rendement 50 %; weerstand van het anodebed voor de opgedrukte stroom $5.0\,\Omega$ .

Deel I — De blote buis.

Schrijf de anodische en kathodische reacties op de buis op.
Waarom wordt de corrosiestroom bepaald door de aanvoer van zuurstof?
Bereken de massa ijzer die per vierkante meter en per jaar verloren gaat.
Bereken de vermindering van de wanddikte per jaar.
Hoe lang zou de blote buis erover doen om de helft van een wand van $8\,\mathrm{mm}$ te verliezen?
Waarom bezwijkt de echte buis sneller, op enkele punten?

Deel II — Het anodemetaal.

Bereken de standaardpotentialen van de koppels van ijzer, zink, magnesium en aluminium.
Welke metalen kunnen ijzer beschermen als opofferingsanode?
Waarom wordt aluminium weinig gebruikt in bodems?
Waarom verkiest men magnesium boven zink in een bodem met hoge resistiviteit?
Bereken de massa magnesium die per ampère en per jaar verbruikt wordt.

Deel III — Ontwerp.

Bereken het buitenoppervlak van de buis.
Bereken het blote oppervlak dat de deklaag openlaat.
Bereken de beschermingsstroom.
Bereken de lading die nodig is voor twintig jaar.
Bereken de benodigde massa magnesium.
Hoeveel anoden zijn er nodig?
Waarom worden ze langs de buis verdeeld in plaats van op één punt ingegraven?

Deel IV — Opgedrukte stroom.

Beschrijf het alternatief met opgedrukte stroom.
Schat de spanning van de gelijkrichter uit de weerstand van het anodebed, met $1.5\,\mathrm{V}$ extra voor de elektroden.
Bereken de elektrische energie die per jaar verbruikt wordt.
Wat gaat er mis als de buis te sterk beschermd wordt?
Onder welke potentiaal is ijzer immuun in neutraal water, met een ijzer(II)-concentratie van $1 \times 10^{-6}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ ?
Geef de massa magnesiumanoden die nodig is voor twintig jaar.

Oplossing

Oplossing van Probleem 12.1.

1. $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ ; $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ . 2. De reductie van zuurstof, traag en op haar diffusieplateau, begrenst de kathodische stroom; de anodische kromme van ijzer snijdt haar op dat plateau. 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 vierkante meter en per jaar. 4. $913/7.87 \times 10^6 = 1.16 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}$ , $0.12\,\mathrm{mm}$ per jaar. 5. $4/0.116 = 34$ jaar. 6. De corrosie is niet uniform: spleten, verschillen in beluchting tussen bodems, en gebreken in de deklaag concentreren de anodische stroom op kleine oppervlakken, waar putten de wand lang voordien doorboren. 7. $E^\circ = \Delta_f G^\circ/(nF)$ voor elk koppel: $\ce{Fe}$ $-0.41$ , $\ce{Zn}$ $-0.76$ , $\ce{Mg}$ $-2.36$ , $\ce{Al}$ $-1.68\,\mathrm{V}$ . 8. Zink, magnesium en aluminium, die allemaal onder ijzer liggen. 9. Aluminium passiveert: zijn oxidefilm stopt het oplossen en het levert dan weinig stroom, tenzij het gelegeerd is om de film te verhinderen (wat werkt in zeewater, niet in bodems). 10. De stroom moet de weerstand van de bodem overwinnen: de drijvende spanning tussen de anode en het beschermde staal bedraagt ongeveer $1.9\,\mathrm{V}$ voor magnesium tegenover $0.35\,\mathrm{V}$ voor zink (uit de standaardpotentialen). 11. $3.156 \times 10^7 \times 24.305/(2 \times 96\,485 \times 0.50) = 7.95\,\mathrm{kg}$ per ampère en per jaar. 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. $1.19 \times 10^9 \times 24.305/(2 \times 96\,485 \times 0.50) = 3.00 \times 10^{5}\,\mathrm{g}$ , $300\,\mathrm{kg}$ (of $1.885 \times 20 \times 7.95$ ). 17. $300/15 = 20$ anoden. 18. De weerstand van de bodem beperkt hoe ver één anode haar stroom langs de buis kan duwen: verspreide anoden beschermen de buis gelijkmatig. 19. Een gelijkrichter stuurt stroom van een inerte anode in een anodebed, door de bodem, naar de buis, die met zijn negatieve pool verbonden is. 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 jaar. 22. Water wordt aan de buis gereduceerd: er ontstaat waterstof, die de deklaag loslicht en het staal bros kan maken, en er gaat stroom verloren. 23. $E < -0.41 + 0.0296\log(10^{-6}) = -0.59\,\mathrm{V}$ . 24. Twintig jaar bescherming vereist $\boldsymbol{\approx 3.0 \times 10^{2}\,\mathrm{kg}}$ magnesiumanoden.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst