Metalurgia 17 styczeń

Grupa: III Rok akad. 2002/03

Zespół nr:10

Ćwiczenie nr:19

Temat: Kinetyka kwasowego roztwarzania metali

- inhibitory

Mariusz Wolko

1.Wstęp teoretyczny :

Stal węglowa w zetknięciu z rozcieńczonymi kwasami roztwarza się. Proces ten opisuje równanie , będące sumą elementarnych reakcji elektrodowych:

Fe Fe²⁺ + 2e

2H⁺ + 2e H₂

reakcja sumaryczna: Fe + 2H⁺ Fe²⁺ + H₂

Proces korozji może przebiegać bez zahamowań , jeżeli jony żelazawe tworzą z obecnymi w roztworze anionami dobrze rozpuszczalne sole. Wytrącenie się na powierzchni metalu trudno rozpuszczalnych produktów korozji powoduje zwolnienie a nawet zatrzymanie procesu . W przypadku oddziaływania stężonymi kwasami utleniającymi stal , np. stężonym kwasem azotowym. W wyniku reakcji na powierzchni metalu powstaje cienka warstewka tlenkowa uniemożliwiająca dalszą korozje (pasywacja metalu).

Inhibitory są to związki organiczne , które po dodaniu (nawet w niewielkich ilościach) do rozcieńczonych roztworów kwasów, mogą powodować zmniejszenie szybkości reakcji. Mechanizm działania inhibitorów tłumaczy się ich adsorbcją na powierzchni metalu, co zmniejsza ilość miejsc w których może zajść korozja , tym samym zmniejsza się więc polaryzacja. Inhibitorami kwasowego trawienia metali są zazwyczaj związki o polarnej budowie cząsteczki , łatwo adsorbowane na powierzchni metalu. Należy podkreślić że ten sam inhibitor może w różnym stopniu hamować reakcję, zależnie od rodzaju kwasu . Wiąże się to z aktywnym działaniem anionów w procesach adsorbcyjnych . Działanie inhibitujące jest również zależne od rodzaju metalu.

2.Cel ćwiczenia:

Ustalenie wpływu stężenia tiomocznika na szybkość korozji stali w 10% kwasie siarkowym. Stężenia tiomocznika: 0,001 g/l ;1,01 g/l ; 0,1 g/l .

3.Obliczenia:

Temperatura w laboratorium: 20 stC

Ciśnienie w laboratorium: 745 mmHg

1[ml]=11,6[mm] dla każdej biurety

pH2O/H2SO4=15,4[mmHg]

dH2SO4=1,14[g/cm3]

h' - część „martwa”

Przykładowe obliczenia dla czasu t=300[s] przy zerowej zawartości inhibitora:

p[hPa ]= 1,33*p[mnHg]= 990,85[hPa]

T[K]=273+20= 293[K]

h'=150[mm]

h= V*1,16 + h' = 49,3*1,16 + 15 = 72,2 [cm]

pH2[mmHg]=p-ph2o-h*d =745 - 15,4- (745*82,29/1032,6) = 670,2 [mmHg]

pH2 [hPa]=1,33*pH2[mmHg] = 1,33*670,2=891,366 [hPa]

nH2=pH2*VH2/RT=891,366*0,7/8,314*293=0,000026

mFe=nH2*Me = 0,000026*55,8=0,00145 [g]

K=MFe/S = 0,0014/37,26=0,000038 [g/cm²]

Masa badanych próbek Fe przed doświadczeniem i po przeprowadzeniu reakcji :

Bez inhibitora : 16,3577 - 16,2703

Z małą ilością inhibitora : 15,6904 - 15,6204

Ze średnią ilością inhibitora : 15,3622 - 15,3201

Z dużą ilością inhibitora : 15,8802 - 15,8409

1.Tabelka dla przypadku bez inhibitora: 0[g/l]

h'=150[mm]

	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [mm Hg]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
Czas w sekundach
0	0	73,0	669,6	0,000000	0,0000	0,000000
300	0,7	72,2	670,2	0,000026	0,0014	0,000038
600	1,6	71,1	671,1	0,000059	0,0033	0,000088
900	2,4	70,2	671,8	0,000088	0,0049	0,000132
1200	3,1	69,4	672,5	0,000114	0,0064	0,000171
1500	3,8	68,6	673,2	0,000140	0,0078	0,000210
1800	4,5	67,8	673,9	0,000166	0,0093	0,000249
2100	5,3	66,9	674,6	0,000196	0,0109	0,000293
2400	5,9	66,2	675,2	0,000218	0,0122	0,000327

T [stC]	T [K]	p [mmHg]	p [hPa]	S [cm2]	m1 [g]	m2 [g]	dm [g]
20	293	745	990,85	37,26	16,3577	16,2703	0,0874

Wykres szybkości korozji:

Z powyższego wykresu wynika, że prędkość korozji wynosi V_k = 0,00007[g*cm² /s].

2.Tabelka dla przypadku z małą ilością inhibitora 0,001

h'=155[mm]

	Objętość gazu w biurecie V [ml]		Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]		Ciśnienie wodoru PH2 [mm Hg]		Ilość moli wydzielonego wodoru nH2		Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]		Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
Czas w sekundach
0	0		72,9		669,7		0,000000		0,0000		0,000000
300	0,7		72,1		670,3		0,000026		0,0014		0,000038
600	1,2		71,5		670,8		0,000044		0,0025		0,000066
900	1,6		71,0		671,2		0,000059		0,0033		0,000088
1200	2,1		70,4		671,7		0,000077		0,0043		0,000115
1500	2,5		70,0		672,0		0,000092		0,0051		0,000137
1800	2,9		69,5		672,4		0,000107		0,0060		0,000159
2100	3,4		68,9		672,9		0,000125		0,0070		0,000187
2400	3,8		68,5		673,3		0,000140		0,0078		0,000209
T [stC]			T [K]		p [mmHg]		p [hPa]		S [cm2]		m1 [g]		m2 [g]		dm [g]
20			293		745		990,85		37,46		15,6904		15,6201		0,0703

Wykres szybkości korozji:

Z powyższego wykresu wynika, że prędkość korozji wynosi V_k = 0,00006[g*cm² /s]. Skuteczność działania inhibitora wynosi n = 15% .

Tabelka dla przypadku ze średnią ilością inhibitora: 0,01[g/l

h'=155[mm]

	Objętość gazu w biurecie V [ml]	Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]	Ciśnienie wodoru PH2 [mm Hg]	Ilość moli wydzielonego wodoru nH2	Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]	Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
Czas w sekundach
0	0	73,0	669,6	0,000000	0,0000	0,0000000
300	1	71,8	670,5	0,000037	0,0020	0,0000565
600	2,3	70,3	671,8	0,000085	0,0047	0,0001302
900	2,7	69,9	672,1	0,000099	0,0055	0,0001529
1200	4,2	68,1	673,6	0,000155	0,0086	0,0002383
1500	4,4	67,9	673,8	0,000162	0,0091	0,0002497
1800	5,7	66,4	675,0	0,000211	0,0118	0,0003241
2100	6,5	65,5	675,8	0,000240	0,0134	0,0003700
2400	7	64,9	676,2	0,000259	0,0145	0,0003988

T [stC]	T [K]	p [mmHg]	p [hPa]	S [cm2]	m1 [g]	m2 [g]	dm [g]
20	293	745	990,85	36,28	15,3622	15,3201	0,0421

Wykres szybkości procesu korozji:

Z powyższego wykresu wynika, że prędkość korozji wynosi V_k = 0,00005[g*cm² /s]. Skuteczność działania inhibitora wynosi n = 28% .

Tabelka dla przypadku z dużą ilością inhibitora: 0,1[g/l]

h'=140[mm]

	Objętość gazu w biurecie V [ml]		Wysokość słupa cieczy w biurecie h [cm]		Ciśnienie wodoru PH2 [mm Hg]		Ilość moli wydzielonego wodoru nH2		Masa przekorodowanego żelaza mFe [g]		Masa przekorodowanego żelaza na jednostkę powierzchni K [g/cm^2]
Czas w sekundach
0	0		73,0		669,6		0,000000		0,0000		0,000000
300	0,3		72,7		669,8		0,000011		0,0006		0,000016
600	0,6		72,3		670,1		0,000022		0,0012		0,000032
900	1		71,8		670,5		0,000037		0,0020		0,000054
1200	1,3		71,5		670,8		0,000048		0,0027		0,000070
1500	1,4		71,4		670,9		0,000051		0,0029		0,000076
1800	1,5		71,3		671,0		0,000055		0,0031		0,000081
2100	1,6		71,1		671,1		0,000059		0,0033		0,000087
2400	1,7		71,0		671,2		0,000062		0,0035		0,000092
T [stC]			T [K]		p [mmHg]		p [hPa]		S [cm2]		m1 [g]		m2 [g]		dm [g]
20			293		745		990,85		37,92		15,8802		15,8409		0,0393

dm=m1-m2=15,8802-15,8409=0,0393

Wykres szybkości procesu korozji:

Z powyższego wykresu wynika, że prędkość korozji wynosi V_k = 0,00001[g*cm² /s.] Skuteczność działania inhibitora wynosi n = 85% .

	bez inhibitora	mało inhibitora	średnia ilość inhibitora	duża ilość inhibitora
i [A/cm^2] z wydz. wodoru	0,004223057	0,003619763	0,003016469	0,000603293
tg α	0,00007	0,00006	0,00005	0,00001
kFe	0,0002893	0,0002893	0,0002893	0,0002893
i z ubytku masy[A/cm^2]	0,003378	0,002691	0,001671	0,001492

i - gęstość prądu korozyjnego [A/cm²]

Sposób przelicznia i z ubytku masy i= m/(s*k*t)

Przykład dla przypadku bez inh. i= 0,0874/37,26*2400*0,0002893 = 0,003378

Sposób przelicznia i z wydz. wodoru i = tg α/ k_Fe

k=M/(n*F)

t - czas

s - powierzchnia blaszki

tg α -szybkość korozji;

M - masa atomowa Fe;

n - ilość moli wydzielonego wodoru;

F - stała Faradaya.

	mało inhibitora	średnia ilość inhibitora	duża ilość inhibitora
skuteczność inhibitora %	15%	28%	85%

Sposób przeliczania dla małej ilości inhibitora : V0-V1/V0*100%=7E-05-6E-05/7E-05*100%=15%

4.Wnioski:

Wobec powyższych obliczeń stwierdzam, że dodatek tiomocznika - inhibitora kwasowego trawienia żelaza, znacznie spowalnia korozję. Możemy zaobserwować wyraźny związek, pomiędzy stężeniem inhibitora a szybkością reakcji. Skuteczności inhibitora wyniosły kolejno 15%, 28% i 85%. Wraz ze wzrostem stężenia tiomocznika znacznie spadała szybkość korozji. Różnica pomiędzy masami - wyliczoną a wyznaczoną z różnicy mas próbek jest we wszystkich procesach znaczna można to tłumaczyć niedokładnością pomiarów Z tych pomiarów możemy wnioskować , że badana przez nas reakcja nie była jedyną zachodzącą w tym doświadczeniu .

---