INGENIERÍA DE LAS REACCIONES ELECTROQUÍMICAS PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 8 Determinación de la Velocidad de Corrosión de Metales Objetivos: Que finalizada y aprobada la presente práctica, el alumno sea capaz de: Explicar el concepto de corrosión electroquímica y el origen de los potenciales que la generan. Valorar la importancia del diagrama de Evans Definir y graficar potencial a circuito abierto (OCP) Trazar e Interpretar el método de extrapolación de Tafel curvas V vs. Log i que resulta del mismo Manejar adecuadamente del potenciostarto Determinar las reacciones anódicas y catódicas que tienen lugar. Calcular la velocidad de corrosión Fundamentos teóricos Los métodos electroquímicos para determinar “velocidad de corrosión” de metales se basan en ensayos de polarización. Presentan varias ventajas en relación al método de Pérdida de Peso Poco gasto de tiempo para realizar las medidas experimentales, las medidas convencionales por pérdida de peso requieren largos períodos (días o meses). Por polarización electroquímica puede obtenerse una medida semincontinua y rápida de la velocidad de corrosión, lo que resulta muy útil tanto en estudios cinéticos como para monitorear la corrosión en procesos de planta. Alta sensibilidad: a nivel de laboratorio no es necesario trabajar en condiciones que favorezcan la corrosión (por ejemplo, no es necesario un aumento de temperatura). Para determinar velocidades de corrosión de materiales metálicos, se conocen los siguientes métodos Diagrama de Evans Extrapolación de Tafel Resistencia de Polarización (RP) Espectroscopia de impedancia (EI) Los tres primeros son de derivados de la teoría de potencial mixto, los últimos dos no son ensayos destructivos dado que no se provoca la polarización del electrodo Diagrama de Evans El sistema formado por un metal que se corroe sumergido en un electrolito es equivalente al funcionamiento de una pila en cortocircuito. La reacción anódica sería la disolución del metal M→M n++ne- , mientras que la catódica depende de las especies que se encuentren en disolución. En medio acuoso y en ausencia de otros oxidantes, la reacción catódica suele ser o bien la reducción de oxígeno o bien la descarga de hidrógeno. En estas condiciones, tanto la reacción anódica como la catódica se producen en la superficie del metal que se corroe y, por tanto, la velocidad de corrosión no puede medirse directamente. Si estas reacciones ocurren sobre dos piezas metálicas diferentes, la velocidad de corrosión puede evaluarse por el método de Evans. La intercesión de la curva catódica con la curva anódica en un gráfico E vs log i darán 1 Icorr y la Ecorr., como se muestra en la figura N° 1 Figura N °1 Diagrama de Evans. Método de extrapolación de Tafel: La extrapolación de Tafel requiere un único proceso electroquímico cuya etapa determinante de la velocidad sea la transferencia de carga (control por activación). Se trabaja con curvas de polarización experimentales (en estado estacionario) La extrapolación de la región de Tafel de ambas zonas (anodicas y catódicas) en el grafico E vs log i permite conocer Ecorr y Icorr en la intersiccion de ambas. Cuando el metal en contacto con un medio alcanza el potencial de corrosión la corriente neta (Ineta) es cero, puesto que |Ianódica| = |Icatódica|, y como ambas tienen signos opuestos resulta Ineta = Ianódica + Icatódica = 0 2 Figura N °2 Grafico de intersección de Tafel Potencial de circuito abierto. (OCP) En todo proceso corrosivo existen, necesariamente, dos tipos de reacciones electródicas, unas anódicas y otras catódicas. Dichas reacciones se dan simultáneamente en áreas diferentes de la superficie del metal. Normalmente las reacciones no son reversibles, pues no corresponden a procesos en equilibrio e involucran especies reactivas diferentes. En las áreas anódicas suceden reacciones de disolución u oxidación metálica. En las áreas catódicas, se pueden presentar diferentes reacciones de reducción dependiendo de la naturaleza y concentración de las especies presentes en el medio. El potencial en las áreas anódicas estará definido por la relación metal/ion metálico, mientras que el potencial en las áreas catódicas lo definirla el tipo de reacción o reacciones que predominen en el proceso catódico. Teniendo en cuenta el principio de que toda la superficie electródica es equipotencial, es decir, posee el mismo potencial eléctrico en toda la superficie, el metal que sufre corrosión tiende a asumir un único potencial de electrodo, haciendo que todas las áreas anódicas y catódicas se polaricen entre sí para alcanzar un único valor de potencial, el cual se conoce como potencial de circuito abierto o potencial de corrosión, E corr. Experiencia A Determinación de la Velocidad de Corrosión del Par Fe-Cu en ClNa, mediante el Diagrama de Evans Si en un medio corrosivo como el ClNa colocamos un par galvánico Fe-Cu cortocircuitado (es el caso de Fe con impurezas de Cu, piezas de un metal con remaches del otro, soldaduras, construcciones de piezas en general donde están presentes ambos metales), se establecen corrientes que causan la disolución del metal que trabaja como ánodo. Esta corriente de corrosión puede encontrarse mediante el uso de diagramas de Evans. El par galvánico Fe-Cu en solución de ClNa, constituye una pila: Fe/ClNa (solución acuosa)/Cu. En este sistema el Fe se comporta como ánodo y el Cu como cátodo. Al cortocircuitar esta pila circula una corriente 3 que polariza ambos electrodos, los potenciales evolucionan en el tiempo de manera tal que tienden a igualar sus valores (el ánodo se hace más electropositivo y el cátodo más electronegativo). La corriente variará hasta un valor estacionario al que se denomina (corriente de corrosión). Con el valor de Ic, mediante la ley de Faraday podemos predecir la velocidad de corrosión (masa de material anódico disuelto por unidad de tiempo). Las reacciones que tienen lugar son: Fe (ánodo) Fe Fe++ + 2 e- Cu (cátodo) ½ O2 + H2 + 2 e- 2 OH- (1) (2) Materiales. - Electrodo de trabajo (ET) Hierro (Fe) - Electrodo auxiliar (EA) Cobre (Cu) - Electrodo de Referencia (ER) Plata Cloruro de plata - Celda de vidrio - Solución Coloruro de sodio (ClNa ) 1N - Conectores -Vernier calibrador - Lija distinta granos Equipo utilizado Figura N °3 Voltalab PGZ 100 4 Circuito Figura N °4 Voltalab PGZ 100 Procedimiento. 1 Preparación de probeta. Pulir una probeta de Fe con papel 500 (al agua), desengrasar, lavar con agua destilada, determinar y medir área de trabajo (1 Cm2 para EA y EW). 2) Puesta en marcha del potenciostato bajo parámetros estipulados por la catedra. ET (Hierro) EA (Cobre) 2) Obtención de potencial y densidad de corriente mediante el potenciostato. 3) Graficar el diagrama de Evans (E vs Log i) 4) Determinar Ic y Ecorr. 5) Conclusiones. Experiencia B Determinación de la Velocidad de Corrosión del Fe-Cu ClNa, mediante la extrapolación de Tafel o Curva de Ponteciometria lineal. Para la obtención de la velocidad de corrosión mediante esta técnica se debe primero calcular el OCP, dado que este será el punto de partido para ambas campo anódico y ele catódico Si el caso es el de introducir un trozo de Fe solamente, las reacciones serán: Fe (ánodo) Fe Fe++ + 2 e- Fe (cátodo) ½ O2 + H2O + 2 e- = 2 OH- Materiales. - Electrodo de trabajo (ET) Hierro (Fe) - Electrodo auxiliar (EA), Platino (Pt) - Electrodo de Referencia (ER) Plata Cloruro de plata - Celda de vidrio en el que se colocan los tres electrodos - Solución Coloruro de sodio (ClNa ) 1N 5 - Conectores Equipo y circuito utilizado el mismo que en la experiencia. Procedimiento. 1 Preparación de probeta. Pulir una probeta de Fe con papel 500 (al agua), desengrasar, lavar con agua destilada, determinar y medir área de trabajo (1 Cm2 para EA y EW). 2) Puesta en marcha del potenciostato bajo parámetros estipulados por la catedra ET (Hierro) EA (Platino) 3) Estimación del OCP. Medición del potencial durante 60 min 4) Obtención datos de potencial y densidad de corriente mediante el potenciostato 5) Graficar E vs log i 6) Determinar Ic y Ecorr mediante la extrapolación de las curvas anódicas y catódicas 7) Conclusiones. 6