Định luật Faraday

Chapter 2 Corrosion course Master science class Định luật Faraday Điện thế điện cực CÁC LOẠI ĐIỆN CỰC SO SÁNH NĂNG LƯỢNG HOẠT HÓA TỰ DO QUÁ TRÌNH PHÂN CỰC HOẠT HÓA Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG PHƯƠNG TRÌNH NERNST QUÁ TRÌNH PHÂN CỰC HOẠT HÓA Ở TRẠNG THÁI KHÔNG CÂN BẰNG VỚI: Động học của quá trình điện cực • Phản ứng bị khống chế bỡi giai đoạn chuyển điện tích: Phương trình dòng được bỏ qua nồng độ Đồ thị quá thế-dòng Trường hợp quá thế lớn PT: TAFEL Biểu diễn pt TAFEL Quá thế nhỏ Qua trình điện cực bị khống chế bỡi giai đoạn khuếch tán Sự phân cực liên hợp CƠ SỞ LÍ THUYẾT ĂN MÒN TỔ HỢP ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘNG CỦA SỰ ĂN MÒN • Trên cùng một bề mặt kim loại xảy ra hai quá trình: Sự oxy hóa kim loại và sự khử chất oxy hóa . Phổ biến nhất là H+ và O2 • Động học quá trình ăn mòn là NC động học quá trình oxy hóa kl và khử chất oxy hóa Biểu diễn quá trình ăn mòn điện hóa • Hệ phản ứng OX-Kh được biểu diễn dưới dạng nguyên tố gavani: MredoxMM   ,2 , M là kim loại hoạt động M, là kim loại trơ, ở trên đó xảy ra quá trình OX Ức chế cathode Ức chế anode ĐIỀU KIỆN ĂN MÒN • Thế cân bằng của kim loại phải âm hơn thế cân bằng oxy hóa khử. • Việc xác định khả năng ăn mòn được dựa vào giá trị của Delta G nFEG E CBM CB Ox    • E có ý nghĩa lớn trong việc xác định khả năng nhiệt động của sự ăn mòn • Dòng ăn mòn là số lượng tiểu phân hoặc đương lượng gam phản ứng trên bề nặt kim loại quy ra đơn vị dòng điện • Đường cong anode và cathode xác định động học quá trình • Độ dốc của đường cong liên quan đến tốc độ quá trình ăn mòn • Cùng một giá trị delta G, tốc độ ăn mòn có thể khác nhau • Đường cong a, k: Đường cong phẳng ứng với quá thế lớn, đường cong dốc, ứng với quá thế nhỏ: - Khi a phẳng hơn ta có trường hợp kìm hảm cathode. Quá trình ăn mòn được xác định bằng tốc độ qt cathode. - Ngược lại là quá trình kìm hảm anode Chất oxy hóa là H+ và O2 • Sự khử phân cực của Oxy: O2+4e+ 2H2O=4OH- Oxy hòa tan ở trạng thái cân bằng aO2=K PO2 Điện thế cân bằng của O2 phụ thuộc vào pH của dung dịch: pH tăng ĐT CB giảm và ngược lại Quá trình ăn mòn phụ thuộc bỡi tốc độ khuyếch tán Điều kiện nhiệt động Các giai đoạn • Chất khử phân cực là H+ - Sự ăn mòn trong các dung dịch acid - Quá trình hòa tan kim loại kèm theo sự thoát H2 2H+ + 2e= H2 Qúa trình phụ thuộc vào pH LÝ THUYẾT VỀ ĂN MÒN TỔ HỢP Biểu diễn mật độ dòng của hai phản ứng xảy ra trên cùng bề mặt Đường cong phân cực tổng GiẢN ĐỒ THẾ-pH ( GĐ Pourbaix) • Đây là một thành tựu rất quan trọng trong lĩnh vực ăn mòn • Giản đồ biểu diễn sự cân bằng hóa học, điện hóa xuất hiện trong quá trình ăn mòn Giản đồ tính bền điện hóa của nước 4OH-↔4e+O2+2H2O • Đường a mô tả cân bằng của ion H+ - Nếu điện thế điện cực thấp hơn đường a thì trên điện cực đó xuất hiện hydro, điều này có nghĩa là nước không bền - Nếu thế cao hơn đường a, phản ứng oxy hóa hydro xảy ra, đây là vùng bền của nước. • Đường b, mô tả thế cân bằng của oxy: - Nếu thế cao hơn đường b, ta có phản ứng ion hóa OH- tạo thành nước ( nước không bền) - Nếu thế nhỏ hơn đường b, ta có phản ứng khử oxy thành OH- ( bền của nước) Một hệ oxy hóa-khử nào đó có thế âm hơn thế của hydro, sẽ xảy ra phản ứng: M↔M+n +ne 2H+ +2e ↔H2 Như vậy ta có nguyên tố ganvani mà hệ oxy hóa khử là cực âm: -Pt│Ox+Red│H2,Pt+ Đây chính là bản chất của sự ănmòn trong dung dịch nước Điều kiện ănmòn trong dung dich nước: pHH M M n 059,02   +pH: Dung dịch giảm, thế điện cực hydro sẽ dương hơn và khả năng ăn mòn điện hóa tăng và ngược lại + Nếu thế của kim loại nằm trong vùng bền vững của nước, thì H+ không phóng điện. Tuy nhiên, trong dung dịch nước có thế có các hệ oxy hóa khử khác nhau có thế dương hơn thế kim loại. Trong trường hợp này, phản ứng ăn mòn điện hóa vẫn xảy ra: Anode: M↔M+n +ne Cathode: Ox +ne ↔Red Thông thường, trong nước có oxy hòa tan, nếu điện thế KL nằm trong vùng bền vững, tuy nhiên điện thế âm hơn O2, thì kim loại vẫn bị ăn mòn: ( ăn mòn với sử khử phân cực của oxy) pHO M M n 059,023,12   GIẢN ĐỒ HỆ Fe- H2O Vùng thụ động Vùng ăn mòn Vùng không ănmòn • Đường a, b là đường cân bằng đối với điện cực hydro và oxy • Đường nằm ngang biểu diễn cân bằng phản ứng có điện tử tham gia • Đường thẳng đứng mô tả cân bằng có H+ và OH- tham gia • Đường nghiên mô tả cân bằng có H+, OH-, và điện tử tham gia • Các thế âm hơn đường 1, nồng độ Fe+2 giảm do phản ứng tạo thành Fe. Do vậy dưới đường này là vùng không ăn mòn • Vùng nằm trên đường 3,4,5 lớp oxyde sắt tạo ra làm thụ động bề mặt. Đây là vùng thụ động, không ăn mòn • Vùng nằm trên đường 1, là vùng bị ăn mòn Phương pháp bảo vệ từ giản đồ pourbaix TỐC ĐỘ ĂN MÒN ĐiỆN HÓA 1. Tốc độ ăn mòn: Là lượng mol nguyên tử kim loại bị oxy hóa trên một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian Đơn vị : g/m2.h hoặc mg/dm2.. Ngày hoặc mol/đơn vị bề mặt. Thời gian 2. Biểu thi tốc độ ăn mòn: Nếu biết tốc độ ăn mòn v (mg/dm2.ngày)thì liên tục trên 1 năm, lượng kim loại bị ăn mòn: ∆g=365/100/100.v (g/cm2.năm) Từ đây , chúng ta có thể tính được độ dày của lớp kim loại bị ăn mòn:s=365/104 /ρ. V ( cm/năm) Phương pháp xác định tốc độ ăn mòn • Phương pháp thể tích xác định tốc độ ăn mòn: Phương pháp này chỉ ứng dụng khi qt ăn mòn có kèm theo sự thoát khí hay tiêu thụ khí • Phương pháp xác định độ ăn mòn bằng mật độ dòng ia ZF AKiv ZF KA vi a a   . K: là hằng số liên quan đến việc sử dụng đơn vị t và Wo nếu t=s, Wo=m2 thì K=1 • Phương pháp điện hóa ganvanostatic xác định tốc độ ăn mòn: • Phương pháp này người ta tiến hành xây dựng đường cong phân cực ganvanostic.(E-lgi). Trên giản đồ này người ta xác định được dòng ăn mòn icorr Biểu thức về dòng ăn mòn ( tốc độ ăn mòn) FZ Mk kItK   Hằng số tỷ lệ k M: Khối lượng nguyên tử F hằng số Faraday Z: hóa trị kim