Áldozati anód egy acél víztartályon - magnézium vagy réz?
Egy tanya 25 m² felületű, földbe süllyesztett acél víztartályát kell korrózióvédelemmel ellátni. A szakember magnézium áldozati anódokat javasol, 20 mA/m² védő áramsűrűséggel. A gondnok szerint felesleges a drága magnézium: „van itt egy csomó rézlemez, az nem rozsdásodik, tegyük azt a tartály mellé, akkor az acél sem fog”. A szerelési jegyzőkönyv szerint a magnézium anódok áramhatásfoka a talajban csak kb. 50%, mert az anód egy része közvetlenül a vízzel is reakcióba lép. Standardpotenciálok: Mg²⁺/Mg = −2,37 V; Fe²⁺/Fe = −0,44 V; Cu²⁺/Cu = +0,34 V. A védelmet két évre kell biztosítani. A tartály vize kalcium- és magnéziumsókat is tartalmaz, a falán néhol már mészkőréteg látszik.
1. Döntsd el, melyik fém viselkedik anódként, és írd fel a folyamat elektródreakcióit! Miért járnánk rosszul a rézlemezekkel?
Read the worked answer
Összehasonlítás: a magnézium standardpotenciálja (−2,37 V) jóval negatívabb, mint a vasé (−0,44 V), ezért a galvánpárban a Mg az anód, a vas a katód. A magnézium oxidálódik, a vas „védett” marad:
- anód: Mg → Mg²⁺ + 2 e⁻
- katód (levegős, semleges közeg): O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻; oxigénszegény helyen: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻
Rézzel mi történne? A réz standardpotenciálja (+0,34 V) nemesebb a vasnál, ezért a galvánpárban a vas lesz az anód, és fokozottan oxidálódik; a réz katódként működik. Ráadásul a keletkező Cu²⁺-ionok is elősegítik a vas korrózióját. A rézlemez tehát nem véd, hanem gyorsítja a rozsdásodást, különösen a fém-fém érintkezés helyén.
Elv: áldozati anódként csak a védendő fémmel szemben goodval negatívabb standardpotenciálú, olcsó és környezetbarát fém jöhet szóba (Mg, Zn, Al).
2. Számítsd ki, mennyi magnézium fogy egy év alatt, és döntsd el, elegendő-e egy 2 kg-os anód két évre! Használd az 50%-os áramhatásfokot, F = 96 485 C/mol, M(Mg) = 24,3 g/mol!
Read the worked answer
Áramerősség: I = 20 mA/m² · 25 m² = 500 mA = 0,500 A.
Töltés egy év alatt: t = 365 · 24 · 3600 s = 3,15·10⁷ s; Q = I·t = 0,500 · 3,15·10⁷ = 1,58·10⁷ C.
Anyagmennyiségek: n(e⁻) = Q/F = 1,58·10⁷ / 96 485 ≈ 163 mol. Mivel Mg²⁺ képződik, n(Mg) = 163/2 ≈ 81,7 mol.
Tömeg 100% hatásfoknál: m = 81,7 mol · 24,3 g/mol ≈ 1990 g ≈ 2,0 kg/év.
Reális fogyás: 50%-os áramhatásfoknál a felhasznált magnéziumnak csak a fele szolgál védőáramot, a többi önkorrózióval elvész, ezért a tényleges fogyás kb. 4,0 kg/év, két évre kb. 8 kg.
Döntés: a 2 kg-os anód nemhogy két évre, de még egy évre sem elegendő (kb. fél év alatt elfogyna). Legalább 8 kg magnéziumra van szükség, célszerűen több, cserélhető anódblokk formájában, hogy a folyamatos védelem biztosított legyen. Aki a 2,0 kg-os értéket adja meg válaszként, elfelejti az áramhatásfokot.
3. A katódon hidroxidionok keletkeznek. Magyarázd meg, miért nő meg a tartály falához közeli víz pH-ja, és milyen gyakorlati következménye lehet ennek a mészkőréteg jelenlétében!
Read the worked answer
Miért lúgosodik a közeg? A katódfolyamatban (O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻) minden átvitt elektronra hidroxidion keletkezik, a lúg nem távozik, hanem a fémfelület közelében dúsul. A pH helyben 10–12 fölé is emelkedhet, miközben a testszíntől távolabbi víz semleges marad - kialakul egy vékony lúgos réteg.
Következmény mészkő jelenlétében: a lúgos környezetben a hidrogén-karbonát egyensúlya eltolódik: HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O, és a Ca²⁺-ionokkal kalcium-karbonát csapódik ki: Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓. A magnéziumos vízben emellett Mg(OH)₂ is kiválhat. A kiváló réteg szigetelő bevonatot képez, ami növeli az ellenállást, csökkenti a védőáramot és „vakfoltokat” hoz létre, ahol a vas védtelen maradhat.
Gyakorlati tanulság: a karbonátos, kemény vizekben rendszeresen ellenőrizni kell a védőpotenciált és az anódok állapotát, a lerakódást pedig mechanikailag el kell távolítani, különben az anód „hiába” fogy, a védelem mégsem teljes.