철의 부식

목차

1.실험 원리

2.실험 기구 및 재료

3.실험 과정

4.실험 결과

5.결과 고찰 토의

6.관련

본문내용

가 있으므로 난류부식이라고도 부른다. 금속표면에 충돌하는 액체의 분출에 의해 일어나는 경우에는 충격부식(impingement corrosion)이라 한다. 난류는 부식매체의 공급 및 금속표면으로부터의 용액을 통하여 부식생성물의 물질이동을 증가시킨다. 더우기 순수한 기계적 인자, 즉 금속과 액체간의 난류도 커지는 전단응력에 의해 금속표면으로부터 부식생성물이 떨어져 나가는 경우도 있다. 특수한 경우에는 에로젼 부식의 이러한 기계적 요소는 기포 및 모래와 같이 부유하는 고체입자에 의해 강해진다.
에로젼 부식에 의한 국부침식은 일반적으로 부식생성물이 없는 밝은 표면을 나타낸다. 부식공(pit)은 액체의 흐름 방향으로 깎여져 있으며 그 단면은 액체의 흐름을 방해하도록 오목하게 된 표면을 나타낸다. 때로는 이들 부식공은 말이 상류를 향해 달려가면서 남기는 말굽형상을 나타낸다(그림 6-12, 6-13). 난류침식은 동관의 황동제부분으로 되어 있는 물의 순환장치에서 잘 생긴다. 이것은 일반적으로 난류의 원인으로 되는 요철(돌출부 및 굽은 부분)때문에 일어난다(그림 6-14 및 그림 6-15).
●캐비테이션 부식(cavitation corrosion)
캐비테이션 부식은 액체의 빠른 유속(流速)과 부식작용이 서로 복합적으로 작용해서 생기는 것이다. 캐비테이션(空洞)이란 유속 u가 매우 커서 베르누이 법칙(P + ρu2/2=일정)에 의한 정압 P가 액체의 증기압보다도 낮아질 때, 액체 중에 기포가 생기는 것을 말한다. 이들 기포가 금속표면에서 터지면 강한 충격작용이 생겨 부동태 산화피막이 깨지고 소지금속도 손상을 입게 된다. 또한 노출되어 냉간 가공된 금속은 부식되며 이들 과정이 반복된다.
플라스틱 및 세라믹의 캐비테이션 침식은 순수한 기계적 작용(cavitation erosion)이지만 수중의 금속의 경우에는 항상 부식요소가 포함된다고 생각된다. 이는 다음의 사실로서 알 수 있다. 캐비테이션 부식은
① 음극방식에 의해 방지할 수 있다.
② 부식억제제에 의해 저감된다.
③ 연수(軟水)보다도 경수(硬水)에서 촉진된다.
●찰과 부식(fretting corrosion)
찰과 부식은 접촉면에 수직압력이 작용하고 윤활제가 없으면 진동 등에 의해 서로 움직이고 있는 2개의 고체, 이중 한 개 또는 2개가 금속인 계면에서 일어난다. 한쪽 표면의 요철이 다른 표면의 산화물층을 벗겨내며 노출된 금속은 다시 산화되고 새로 생성한 산화물은 다시 떨어져 나간다. 이러한 과정에서 습기(수분)는 필요하지 않고 산소가 필요하다. 습기는 오히려 침식을 지연시키는 효과가 있는데 이는 수화된 산화물이 산화물보다도 부드러우므로 윤활작용을 하기 때문이다. 따라서 찰과 부식의 기구는 전기화학적이라기 보다는 순수한 화학적이라 할 수 있다. 부식생성물이 수산화물이 아니라 산화물(강의 경우, Fe2O3)이라는 것이 찰과부식의 특징이다.
●생부식
부식은 보통 금속이 공기와 물에 접해있을 때 일어나는 것으로 생각되나(호기성 조건), 또한 완전히 산소가 차단된 조건 하에서도 중요한 부식이 일어난다. 생부식의 중요한 주범 중 하나는 황산이온을 환원시키는 박테리아이다.
이 유기물은 진흙 속에 묻혀있거나, 오염된 물로 덮여있는 파이프 내의 철을 빠르게 부식시킨다. 이런 조건 내에서는 황산이온(SO42-(aq))을 포함하나 O2(g)와 O2(aq)가 없어 위에서 언급한 반응에 의한 부식은 일어날 수 없다. 그러나 철은 산화되므로 궁극적인 산화제는 황산이온이다. 이 과정은 금속표면에 위치한 분리된 곳에 발생하는 반쪽반응을 가진 합선된 회로의 갈바니전지과정으로 볼 수 잇다.
양극반쪽반응은 4Fe(s) + HS-(aq) + 7OH-(aq) → 3Fe(OH)2(s) + FeS(s) +H2O(l) + 8e-
이고 음극에서 황산이온은 산화된다.
SO42-(aq) + 5H2O(l) + 8e- →HS-(aq) + 9OH-(aq)
전체적인 반응은 열역학적으로 자발적이다.
4Fe(s) + SO42-(aq) + 4H2O(l) → 3Fe(OH)2(s) + FeS(s) + 2OH-(aq)
그러나 박테리아가 없는 경우에 이 반응은 심각할 정도로는 일어나지 않는다 박테리아는 반응이 일어나는 필요한 길을 제공한다.
8H2O(l) + 8e- → 4H2(g) + 8OH-(aq)
SO42-(aq) + 4H2(g) →HS-(aq) + OH-(aq) + 3H2O(l) (H2에 의해 SO42-의; 환원)
박테리아가 없는 경우에 두 번째 단계가 빨리 일어날 길이 없다.
즉, 첫 번째 단계에서 생긴 H2(g)가 쌓이면서 부식은 재빨리 멈춘다. 박테리아는 H2(g)와 SO42-(aq)를 결합시켜 두 번째 단계를 추진시킨다. 결국 전체적인 부식반응은 매끄럽게 진행된다. 비록 박테리아가 철을 자신의 유기체 내에 병합시키진 않더라도 철을 전자를 얻는 근원으로 사용해서 황산이온을 환원시킨다는 점에서 보면 박테리아는 파이프를 먹이로 이용하고 있는 것이다. 이런 식으로 부식된 철파이프는 검은 색의 황화철(II)로 덮여지게 된다. FeS(s)를 벗겨버리면 양극성 구멍이 나타나고, 구멍 안에서 밝은 금속 철표면이 있다. 생부식의 두 번째 보기는 이산화탄소를 써서 수소를 환원시켜 물과 메탄올을 만들어 사는 혐기성 미생물집단이다.
4H2(g) CO(g) → CH4(g) + 2H2O(l)
이런 메타노젠(메탄올을 만들어내는 박테리아)은 늪의 바닥에 있는 공기가 없는 오물에서 번성하여 상당한 정도의 메탄을 만들어낸다. 앞에 있는 수소와 이산화탄소의 반응은 ΔG°가 -131J로 이 자유에너지가 유기물의 성장에 연료가 된다. 부식에 영향을 미치는 것은 어떤 메타노젠은 H2가 없는 데서도 Fe(s)이 있다면 자랄 수 있다는 것이다.
미생물의 성장에 필요한 에너지는 다음과 같은 반응에서 얻어진다.
8H+(aq)+ 4Fe(s) + CO2(g) →CH4(g) + 4Fe2+(aq) + 2H2O(l) ΔG°= -136kJ
이 반응의 ΔG°는 H2가 산화되는 반응에서의 값과 거의 비슷하다. 즉 박테리아는 H2의 대체물로 철을 먹는 것이다. 미생물이 철을 전자원으로 사용함으로써 이산화탄소를 환원시킴으로써 철은 부식된다.

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