Korosi elektrokimia dan proteksinya: sel korosi, laju korosi, galvanik dan sumuran, pasivasi, proteksi katodik, dan inhibitor

Sebuah laundry hotel mengganti tangki pemanas air baja berlapis enamel yang bocor setelah empat tahun, padahal pabrik menjanjikan umur jauh lebih panjang. Ketika tangki lama dibongkar, batang anode magnesium di dalamnya tinggal kawat inti baja, dan di sekitar lubang bocor ada sumur korosi sedalam dinding. Buku manual tangki menyebut anode harus diperiksa berkala, tetapi tidak ada yang tahu bahwa batang itu ada. Pada minggu yang sama, teknisi dapur menemukan bintik cokelat di bawah gasket pintu mesin pencuci piring yang baknya dari baja tahan karat, setelah mesin itu beberapa bulan memakai sanitaiser berklorin dengan dosis yang dinaikkan sendiri oleh operator.

Kedua kejadian itu adalah korosi elektrokimia. Logam tidak dimakan air begitu saja; di permukaannya terbentuk sel elektrokimia kecil yang mengikuti aturan yang sama dengan sel galvanik di bab elektrokimia. Anode magnesium di tangki sengaja dibiarkan terkorosi agar baja terlindungi, dan lapisan pasif baja tahan karat rusak di tempat yang sempit dan kaya klorida. Bab ini memberi alat untuk memahami dan menghitung kedua hal itu.

Batas pembahasan

Bab ini membahas korosi sebagai sel elektrokimia, reaksi katode, laju korosi dari arus, kupon, korosi galvanik, sel konsentrasi, celah dan sumuran, pasivasi, pengaruh pH, suhu, dan aliran, logam amfoter, arus liar, proteksi katodik, lapisan dan galvanisasi, serta inhibitor. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Kimia, yang memuat karat sebagai besi(III) oksida terhidrasi dan sel galvanik dari buku kimia umum, serta natrium silikat sebagai inhibitor korosi dalam deterjen dari buku teknologi reaksi kimia, dan narasi Ilmu Material, yang memuat korosi galvanik, laju korosi yang sebanding dengan arus yang meninggalkan anode, sel konsentrasi di celah, deret galvanik, korosi arus liar, dan anode seng serta magnesium dari buku perancangan plumbing, korosi sumuran dan pemakaian baja tahan karat dari buku perancangan teknik kimia, serta pelapisan seng dari buku kimia tingkat menengah. Narasi Fluida & Termal menambah biaya proteksi katodik dan definisi galvanisasi.

Bab 1 · Material sudah membahas korosi secara kualitatif sebagai interaksi bahan dan lingkungan, bentuk serangan, dan cara menafsirkan kegagalan. Bab ini menambah sisi kimia kuantitatifnya. Potensial elektrode, persamaan Nernst, dan hukum Faraday diambil dari bab elektrokimia, dan kerak serta indeks kecenderungannya dari bab kelarutan. Kriteria potensial proteksi katodik, tunjangan korosi untuk desain bejana, batas klorida untuk tiap mutu baja tahan karat, dan dosis bahan pengolah air ketel tidak disalin di sini; angka itu diambil dari standar, pabrik peralatan, dan pemasok bahan kimia. Angka yang diberi tanda angka latihan dipakai untuk menunjukkan cara hitung.

Korosi sebagai sel elektrokimia

Pada sepotong baja yang basah, tidak perlu ada dua logam berbeda untuk membentuk sel. Permukaan logam tidak pernah seragam: ada batas butir, inklusi, goresan, daerah bertegangan, dan perbedaan kadar oksigen di air yang menyentuhnya. Sebagian permukaan menjadi anode, tempat logam teroksidasi dan larut:

$\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^-$

Elektron mengalir melalui logam itu sendiri ke bagian lain yang menjadi katode, tempat suatu zat dalam air direduksi. Ion-ion bergerak melalui air sebagai elektrolit untuk menutup rangkaian. Jadi empat syarat sel korosi sama dengan syarat sel galvanik: anode, katode, jalur logam untuk elektron, dan elektrolit untuk ion. Menghilangkan satu saja dari keempatnya menghentikan korosi, dan semua cara proteksi di bab ini bekerja dengan memutus atau melemahkan salah satunya.

Ion besi(II) yang larut kemudian bereaksi lebih lanjut dengan oksigen dan air. Buku kimia umum dalam sumber menyebut bentuk terhidrasi besi(III) oksida sebagai karat. Karat terbentuk di antara anode dan katode, sering agak jauh dari tempat logam benar-benar hilang, sehingga letak tumpukan karat tidak selalu menunjukkan letak serangan. Buku perancangan plumbing mencatat bahwa produk korosi di permukaan sering mengendalikan kelanjutan korosi itu sendiri: lapisan oksida yang rapat dapat memperlambat korosi, sedangkan karat besi yang berpori dan mudah lepas tidak melindungi.

Reaksi katode: oksigen dan ion hidrogen

Di air netral atau basa yang berhubungan dengan udara, reaksi katode yang utama adalah reduksi oksigen terlarut:

$\text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\,\text{OH}^-$

Di larutan asam, ion hidrogen dapat direduksi menjadi gas hidrogen:

$2\,\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{H}_2$

Perbedaan ini menjelaskan banyak hal di lapangan. Di air netral, laju korosi baja sering dibatasi oleh seberapa cepat oksigen mencapai katode. Air yang diam dan bebas oksigen hampir tidak mengkorosi baja, sedangkan air yang beroksigen dan bergerak mengkorosinya jauh lebih cepat. Karena itu sistem tertutup seperti sirkuit pemanas yang jarang diisi ulang dapat bertahan lama, sedangkan sistem terbuka yang terus menerima air segar terkorosi lebih cepat. Di larutan asam, katode tidak lagi bergantung pada oksigen, sehingga asam pembersih kerak dapat melarutkan baja dan seng dengan cepat sambil melepaskan hidrogen. Bahaya hidrogen dibahas di bab stoikiometri gas.

Reaksi oksigen juga membuat daerah katode sedikit basa karena menghasilkan ion hidroksida. Di permukaan yang dilapisi cat atau enamel, kebasaan ini dapat melepaskan lapisan di sekitar cacat, dan inilah salah satu alasan lapisan pelindung perlu dipadukan dengan proteksi lain.

Laju korosi dari arus: hukum Faraday

Buku perancangan plumbing dalam sumber menyatakan bahwa laju korosi sebanding langsung dengan jumlah arus yang meninggalkan permukaan anode. Ini adalah hukum Faraday dari bab elektrokimia. Bila kerapatan arus korosi $i$ (arus per satuan luas anode) diketahui, laju penipisan logam adalah:

$\text{CR} = \frac{i\,M}{n\,F\,\rho}$

dengan $M$ massa molar logam, $n$ jumlah elektron per atom, $F = 96.485$ C/mol tetapan Faraday, dan $\rho$ massa jenis logam. Untuk besi, $M = 55{,}85$ g/mol, $n = 2$, dan $\rho = 7{,}87\ \text{g/cm}^3$ (nilai baku). Kerapatan arus $1\ \mu\text{A/cm}^2$ memberi laju $1{,}16 \times 10^{-3}$ cm per tahun, yaitu sekitar $0{,}0116$ mm per tahun. Angka konversi ini sangat berguna: setiap mikroampere per sentimeter persegi pada baja berarti sekitar 0,0116 mm per tahun. Untuk tembaga angkanya hampir sama, untuk seng sekitar 0,0150 mm per tahun, dan untuk aluminium sekitar 0,0109 mm per tahun.

Arus yang lebih besar memberi kerusakan yang besar pula. Arus searah 1 A yang meninggalkan pipa baja ke tanah selama satu tahun membawa $3{,}16 \times 10^7$ C, yaitu 327 mol elektron, dan melarutkan 164 mol besi, sekitar 9,1 kg. Angka ini menjelaskan mengapa arus liar dari sambungan pembumian yang salah dapat melubangi pipa dalam waktu singkat. Buku perancangan plumbing dalam sumber mendefinisikan korosi arus liar sebagai korosi yang disebabkan arus dari sumber luar. Yang berbahaya adalah arus searah; arus bolak-balik merusak jauh lebih sedikit, tetapi bukan nol.

Mengukur laju: kupon dan satuan

Cara paling langsung adalah kupon: lempeng logam yang ditimbang, dipasang di aliran selama waktu tertentu, dibersihkan dari produk korosi, lalu ditimbang lagi. Dari kehilangan massa $W$, luas $A$, massa jenis $\rho$, dan lama paparan $t$, tebal rata-rata yang hilang adalah $W/(\rho A)$, dan laju tahunannya didapat dengan mengalikan dengan $8.760/t$ bila $t$ dalam jam. Laju biasanya dinyatakan dalam mm per tahun atau µm per tahun. Bab 1 · Material memperingatkan bahwa laju rata-rata ini tidak boleh dipakai untuk meramal umur tanpa melihat bentuk serangan, dan buku perancangan plumbing mencatat bahwa cara kehilangan massa tidak dapat dipakai untuk plastik.

Selain kupon, ada probe resistansi listrik yang mengukur penipisan elemen logam tipis, dan probe polarisasi linear yang memperkirakan arus korosi dari respons tegangan kecil. Keduanya memberi angka seketika, tetapi hanya mewakili korosi merata pada bahan probe. Tidak ada metode yang mengganti pemeriksaan langsung terhadap komponen yang penting.

Korosi galvanik dan perbandingan luas

Narasi Ilmu Material mencatat bahwa korosi galvanik terjadi bila dua logam berbeda bersentuhan dalam elektrolit. Logam yang lebih aktif menjadi anode dan terkorosi lebih cepat, sedangkan logam yang lebih mulia menjadi katode dan terlindungi. Urutan kecenderungan itu disusun dalam deret galvanik, yang menurut sumber yang sama disusun untuk lingkungan tertentu, sering air laut. Urutan umum dalam air laut, dari paling aktif: magnesium, seng, aluminium, baja karbon dan besi tuang, timbal dan timah, kuningan, tembaga, baja tahan karat dalam keadaan pasif, titanium, dan grafit. Deret ini mirip, tetapi tidak sama, dengan urutan potensial elektrode standar, karena deret galvanik diukur pada logam nyata dengan lapisan oksidanya di lingkungan nyata. Baja tahan karat bahkan muncul dua kali: dekat logam mulia ketika pasif dan dekat baja ketika lapisan pasifnya rusak.

Faktor yang sering dilupakan adalah perbandingan luas. Arus yang dipakai katode harus dipasok seluruhnya oleh anode. Bila reaksi katode dibatasi oleh pasokan oksigen, arus total sebanding dengan luas katode, dan kerapatan arus di anode menjadi:

$i_a = i_k \times \frac{A_k}{A_a}$

Katode besar dengan anode kecil adalah susunan terburuk: baut baja kecil pada pelat tembaga yang luas akan habis dengan cepat. Sebaliknya, baut tembaga pada pelat baja yang luas hampir tidak menambah korosi pelat. Contoh 3 menghitung perbedaannya. Akibat praktisnya juga terbalik dari dugaan awam: bila hanya satu logam dalam pasangan galvanik dapat dicat, catlah katodenya. Mengecat anode saja memusatkan seluruh arus di cacat cat yang kecil dan mempercepat sumuran di sana.

Pasangan logam berbeda di peralatan laundry dan dapur sering muncul pada sambungan pipa tembaga ke tangki baja, baut baja pada braket aluminium, dan fitting kuningan pada pipa galvanis. Penyekat listrik, seperti sambungan dielektrik, memutus jalur elektron dan menghentikan sel galvanik itu.

Sel konsentrasi: aerasi diferensial, celah, dan sumuran

Sel korosi juga dapat terbentuk dari satu logam bila larutan di dua tempat berbeda kadarnya. Yang paling penting adalah aerasi diferensial. Daerah yang kaya oksigen menjadi katode, dan daerah yang miskin oksigen menjadi anode. Persamaan Nernst untuk reaksi oksigen memberi beda potensial $(0{,}05916/4)\log(c_1/c_2)$ pada 25 °C; perbandingan kadar oksigen 100 kali memberi sekitar 30 mV. Angka itu tampak kecil, tetapi cukup untuk menggerakkan korosi terus-menerus di tempat yang miskin oksigen, justru di tempat yang tidak terlihat.

Narasi Ilmu Material mencatat bahwa sel konsentrasi biasanya terbentuk di celah dan dapat menyebabkan kegagalan dini. Di bawah gasket, endapan, sambungan tumpang, atau ulir, air terperangkap dan oksigennya habis. Di dalam celah, ion logam yang larut terhidrolisis dan membuat larutan makin asam, sementara ion klorida berpindah masuk untuk menyeimbangkan muatan. Celah menjadi makin asam dan makin kaya klorida, sehingga serangan mempercepat dirinya sendiri.

Korosi sumuran, menurut buku perancangan teknik kimia dalam sumber, adalah korosi yang sangat setempat dan membentuk lubang di permukaan logam. Mekanismenya mirip korosi celah: begitu sumur kecil terbentuk, dasar sumur menjadi anode kecil yang asam, dan permukaan luas di sekitarnya menjadi katode besar. Perbandingan luas yang buruk itu memusatkan arus di dasar sumur. Akibatnya, kehilangan massa rata-rata bisa kecil ketika satu sumur sudah menembus dinding. Rasio kedalaman sumur terdalam terhadap penipisan rata-rata disebut faktor sumuran, dan Contoh 9 menunjukkan mengapa angka rata-rata menyesatkan.

Pasivasi dan baja tahan karat

Beberapa logam yang secara termodinamika mudah teroksidasi justru tahan korosi karena membentuk lapisan oksida yang sangat tipis, rapat, dan melekat. Keadaan ini disebut pasif. Aluminium, titanium, dan krom adalah contohnya. Baja tahan karat adalah paduan besi dengan krom sedikitnya sekitar 10,5 persen (nilai baku definisi), sehingga permukaannya tertutup lapisan kaya oksida krom setebal beberapa nanometer. Buku perancangan teknik kimia dalam sumber mencatat bahwa baja tahan karat dipakai untuk ketahanan korosi bila kondisinya oksidatif: lapisan pasif memerlukan oksigen atau oksidator untuk tetap utuh dan memperbaiki diri setelah tergores.

Musuh utama lapisan pasif adalah ion klorida, terutama bila bertemu suhu tinggi, pH rendah, dan celah. Klorida menembus lapisan di titik lemah dan memulai sumuran. Ketahanan terhadap sumuran meningkat dengan kadar krom, molibdenum, dan nitrogen, dan sering diperingkatkan dengan bilangan ekuivalen ketahanan sumuran:

$\text{PREN} = \%\text{Cr} + 3{,}3 \times \%\text{Mo} + 16 \times \%\text{N}$

Rumus ini adalah pegangan pemeringkatan baku, bukan jaminan ketahanan. Mutu yang mengandung molibdenum memiliki PREN lebih tinggi dan lebih tahan di air berklorida (Contoh 7). Batas klorida dan suhu yang aman untuk tiap mutu bergantung pada pH, oksidator, dan celah, sehingga diambil dari pabrik peralatan.

Kasus pembuka menunjukkan dua hal sekaligus. Sanitaiser berklorin dengan dosis berlebih menambah oksidator dan klorida, dan celah di bawah gasket menyediakan tempat yang miskin oksigen dan kaya klorida. Itulah sebabnya pabrik mesin pencuci piring menetapkan dosis sanitaiser dan cara pembersihan bak, dan mengapa sabut baja biasa tidak boleh dipakai pada baja tahan karat: serpih besi yang tertinggal berkarat dan memulai serangan.

pH, suhu, aliran, dan logam amfoter

Pengaruh pH berbeda untuk tiap logam. Baja dalam air beroksigen terkorosi cepat pada pH rendah, dan laju turun ketika air sedikit basa karena permukaan lebih mudah membentuk lapisan oksida. Karena itu air ketel dan sirkuit tertutup biasanya dijaga sedikit basa. Diagram potensial terhadap pH, yang disebut diagram Pourbaix, memetakan daerah logam stabil (imun), daerah terkorosi aktif, dan daerah pasif untuk satu logam dalam air; diagram itu menunjukkan kemungkinan, bukan laju.

Aluminium dan seng adalah logam amfoter. Oksidanya larut dalam asam maupun dalam basa kuat, sehingga keduanya terkorosi cepat di kedua ujung skala pH. Di dapur, deterjen mesin pencuci piring yang sangat basa menghitamkan dan melarutkan nampan aluminium, dan reaksi itu melepaskan hidrogen:

$2\,\text{Al} + 2\,\text{OH}^- + 6\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,[\text{Al(OH)}_4]^- + 3\,\text{H}_2$

Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa natrium silikat ditambahkan pada deterjen modern sebagai inhibitor korosi yang melindungi permukaan logam dengan lapisan tipis silikat koloid. Itulah salah satu alasan formulasi deterjen untuk peralatan aluminium berbeda dari deterjen biasa, seperti dibahas di Bab 6 · Laundry.

Suhu mempercepat reaksi, tetapi juga menurunkan kelarutan oksigen. Dalam sistem terbuka, oksigen keluar dari air yang dipanaskan, sehingga laju korosi baja naik dengan suhu sampai titik tertentu lalu turun mendekati titik didih. Dalam sistem tertutup, oksigen tidak dapat keluar, dan laju terus naik dengan suhu. Seng juga berperilaku khusus: dalam sebagian air di atas sekitar 60 °C, lapisan seng pada baja galvanis dapat kehilangan sifat anodiknya terhadap baja, sehingga pipa galvanis untuk air panas sering berumur pendek.

Aliran yang terlalu cepat menimbulkan korosi erosi, yaitu pengikisan lapisan pelindung oleh aliran sehingga logam di bawahnya terus terpapar. Narasi Ilmu Material mencatat bahwa korosi erosi adalah salah satu penyebab kerusakan yang paling umum pada pipa tembaga. Kecepatan aliran maksimum yang dianjurkan diambil dari pedoman perancangan plumbing.

Proteksi katodik: anode korban dan arus terpasang

Proteksi katodik menjadikan seluruh permukaan logam yang dilindungi sebagai katode, dengan memasok elektron dari luar sehingga reaksi oksidasi logam itu tertekan. Ada dua cara. Cara pertama memakai anode korban dari logam yang lebih aktif, biasanya magnesium, seng, atau paduan aluminium, yang disambungkan ke struktur dan terkorosi menggantikannya. Buku kimia tingkat menengah dalam sumber mencatat bahwa anode semacam itu harus diganti secara berkala. Cara kedua adalah arus terpasang: penyearah memasok arus searah melalui anode yang tidak mudah larut, sehingga dapat melindungi struktur besar atau air beresistivitas tinggi.

Buku perancangan plumbing dalam sumber mencatat bahwa anode galvanik paling tepat dipakai pada struktur berlapis di lingkungan beresistivitas rendah, ketika kebutuhan arusnya rendah, dan bahwa keluaran arus anode seng dan magnesium dikendalikan oleh resistivitas lingkungan. Narasi Fluida & Termal menambahkan bahwa biaya proteksi katodik masuk ke investasi awal. Itulah logika tangki pemanas air: enamel menutupi hampir seluruh baja, sehingga anode magnesium hanya perlu melindungi cacat kecil di enamel, dan arusnya kecil.

Umur anode dihitung dari kapasitas elektrokimianya. Kapasitas teoretis adalah $nF/M$ coulomb per gram. Untuk magnesium, $2 \times 96.485/24{,}31 = 7.940$ C/g, yaitu sekitar 2.205 Ah/kg. Untuk seng sekitar 820 Ah/kg, dan untuk aluminium sekitar 2.980 Ah/kg. Anode nyata tidak memakai seluruh kapasitas itu karena sebagian logam terkorosi sendiri tanpa menghasilkan arus berguna (efisiensi arus) dan sisa anode tidak lagi efektif sebelum habis (faktor pemanfaatan). Magnesium efisiensinya rendah, sering sekitar separuh, sedangkan seng jauh lebih tinggi. Contoh 4 dan Contoh 5 menghitung kebutuhan arus dan umur anode untuk kasus pembuka. Kriteria potensial yang menandakan struktur sudah terlindungi ditetapkan standar proteksi katodik dan diukur terhadap elektrode acuan; bab ini tidak menyalin angkanya.

Lapisan pelindung dan galvanisasi

Lapisan memutus kontak antara logam dan elektrolit. Cat, enamel, dan lapisan polimer bekerja sebagai penghalang, sehingga mutunya ditentukan oleh cacat terkecil. Narasi Fluida & Termal mendefinisikan galvanisasi sebagai proses melapisi permukaan pipa atau pelat besi dan baja dengan seng. Lapisan seng bekerja dengan dua cara: sebagai penghalang, dan sebagai anode korban di goresan, karena seng lebih aktif daripada baja. Buku kimia tingkat menengah dalam sumber mencatat bahwa pelapisan besi dengan seng lebih efektif daripada cara lain yang dibandingkannya, dan alasannya adalah perlindungan di goresan itu. Lapisan timah pada kaleng justru sebaliknya: timah lebih mulia daripada baja, sehingga goresan pada kaleng berkarat lebih cepat daripada baja telanjang di sekitarnya.

Umur lapisan seng kira-kira sebanding dengan tebalnya. Lapisan 85 µm yang terkikis 2 µm per tahun bertahan sekitar 40 tahun, tetapi di lingkungan basah berklorida dengan laju 8 µm per tahun hanya sekitar 10 tahun (keduanya angka latihan). Asam pembersih kerak melarutkan seng dengan cepat sambil melepaskan hidrogen, sehingga pipa galvanis tidak boleh dibersihkan dengan asam tanpa izin pemasok bahan.

Inhibitor dan pengikat oksigen

Inhibitor korosi adalah zat yang ditambahkan dalam kadar kecil untuk memperlambat reaksi anode, reaksi katode, atau keduanya. Inhibitor anodik seperti silikat dan fosfat membentuk lapisan di daerah anode; bila dosisnya kurang, sebagian anode tetap terbuka dan serangan menjadi lebih setempat, sehingga inhibitor anodik yang kurang dosis dapat lebih berbahaya daripada tanpa inhibitor. Inhibitor katodik seperti garam seng menghambat reaksi katode. Inhibitor film organik menutup seluruh permukaan.

Cara lain adalah menghilangkan oksigen, karena di air netral oksigen adalah pereaksi katode utama. Oksigen dapat dikeluarkan secara fisik dengan deaerator, lalu sisanya diikat secara kimia. Pengikat oksigen yang umum adalah natrium sulfit:

$2\,\text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{Na}_2\text{SO}_4$

Perbandingan stoikiometrinya $2 \times 126{,}04/32{,}00 = 7{,}88$ mg natrium sulfit untuk setiap mg oksigen (Contoh 8). Dosis nyata selalu lebih tinggi karena perlu sisa sulfit, dan dosis serta batas sisanya ditetapkan pemasok bahan pengolah air ketel. Neraca sulfit ini adalah stoikiometri biasa seperti di bab mol dan stoikiometri.

Contoh kerja

Contoh 1. Laju korosi dari arus. Untuk besi dengan $i = 1\ \mu\text{A/cm}^2$: $\text{CR} = 10^{-6} \times 55{,}85/(2 \times 96.485 \times 7{,}87) = 3{,}68 \times 10^{-11}$ cm/s. Dikalikan $3{,}156 \times 10^7$ s per tahun, hasilnya $1{,}16 \times 10^{-3}$ cm per tahun, yaitu 0,0116 mm per tahun. Kehilangan massanya $2{,}89 \times 10^{-10}$ g/(cm²·s), sekitar 91 g per m² per tahun.

Contoh 2. Kupon baja. Kupon 20 cm² kehilangan 0,150 g selama 30 hari (720 jam). Tebal yang hilang $0{,}150/(7{,}87 \times 20) = 9{,}53 \times 10^{-4}$ cm. Laju tahunan $9{,}53 \times 10^{-4} \times 8.760/720 = 0{,}0116$ cm per tahun, yaitu 0,116 mm per tahun, setara dengan kerapatan arus korosi sekitar $10\ \mu\text{A/cm}^2$.

Contoh 3. Perbandingan luas. Reaksi katode dibatasi oksigen pada $5\ \mu\text{A/cm}^2$ (angka latihan). Baut baja dengan luas basah 10 cm² pada pelat tembaga 1.000 cm²: $i_a = 5 \times 1.000/10 = 500\ \mu\text{A/cm}^2$, yaitu $500 \times 0{,}0116 = 5{,}8$ mm per tahun. Baut tembaga 10 cm² pada pelat baja 1.000 cm²: tambahan arus di pelat hanya $5 \times 10/1.000 = 0{,}05\ \mu\text{A/cm}^2$, sekitar 0,0006 mm per tahun. Model ini menyederhanakan, karena mengabaikan korosi baja oleh oksigen di permukaannya sendiri.

Contoh 4. Kebutuhan arus proteksi tangki. Tangki berlapis enamel dengan luas basah 4,0 m². Bila 5 persen luasnya dianggap cacat lapisan dan baja telanjang memerlukan 100 mA/m² (keduanya angka latihan), kebutuhan arus $4{,}0 \times 0{,}05 \times 100 = 20$ mA.

Contoh 5. Umur anode magnesium. Anode 1,0 kg, kapasitas teoretis 2.205 Ah/kg, efisiensi arus 50 persen, dan faktor pemanfaatan 85 persen (angka latihan) memberi $2.205 \times 0{,}50 \times 0{,}85 = 937$ Ah. Pada arus 20 mA, umurnya $937/0{,}020 = 46.900$ jam, sekitar 5,3 tahun. Bila lapisan enamel memburuk dan kebutuhan arus menjadi 40 mA, umurnya tinggal sekitar 2,7 tahun, sejalan dengan tangki di kasus pembuka yang bocor setelah empat tahun tanpa pemeriksaan anode.

Contoh 6. Nampan aluminium dalam deterjen basa. Bila 1,0 g aluminium larut, jumlahnya $1{,}0/26{,}98 = 0{,}0371$ mol, menghasilkan $0{,}0371 \times 3/2 = 0{,}0556$ mol hidrogen. Pada 25 °C dan 1 atm (24,5 L/mol), volumenya $0{,}0556 \times 24{,}5 = 1{,}36$ L. Di wadah tertutup, gas itu menaikkan tekanan dan dapat membentuk campuran mudah terbakar.

Contoh 7. Membandingkan dua mutu baja tahan karat. Komposisi nominal (angka latihan): mutu A 18 persen Cr, 0 persen Mo, 0,05 persen N; mutu B 17 persen Cr, 2,1 persen Mo, 0,05 persen N. $\text{PREN}_A = 18 + 0 + 16 \times 0{,}05 = 18{,}8$. $\text{PREN}_B = 17 + 3{,}3 \times 2{,}1 + 0{,}8 = 24{,}7$. Mutu B lebih tahan sumuran di air berklorida, tetapi batas pemakaiannya tetap diambil dari pabrik.

Contoh 8. Pengikat oksigen. Air umpan 2,0 m³/jam dengan oksigen terlarut 8,0 mg/L (angka latihan) membawa $2{,}0 \times 8{,}0 = 16$ g oksigen per jam. Natrium sulfit teoretis $16 \times 7{,}88 = 126$ g per jam. Bila deaerator menurunkan oksigen menjadi 0,02 mg/L (angka latihan), kebutuhannya tinggal $2{,}0 \times 0{,}02 \times 7{,}88 = 0{,}32$ g per jam, sebelum ditambah sisa yang disyaratkan pemasok.

Contoh 9. Faktor sumuran. Kupon yang sama dengan Contoh 2 menunjukkan penipisan rata-rata 0,116 mm dalam satu tahun, tetapi sumur terdalamnya 0,80 mm. Faktor sumuran $0{,}80/0{,}116 = 6{,}9$. Dinding 2,0 mm akan tembus oleh sumur dalam sekitar $2{,}0/0{,}80 = 2{,}5$ tahun bila laju sumur tetap, sedangkan laju rata-rata menyiratkan sekitar 17 tahun.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Tangki, bejana tekan, atau pipa bertekanan menunjukkan sumuran dalam, rembesan, karat menggelembung, atau dinding menipis. Lepaskan tekanan, isolasi sumber energi, dan serahkan penilaian ke petugas yang berwenang sesuai Bab 1 · Keselamatan.
2. Anode tangki pemanas air akan dilepas tanpa memutus listrik atau gas, menutup air masuk, dan membuang tekanan. Air panas bertekanan dan pemanas yang menyala tanpa air berbahaya.
3. Asam pembersih kerak akan dipakai pada pipa galvanis, peralatan aluminium, atau logam yang belum diketahui, atau deterjen basa kuat akan dipakai pada aluminium di wadah tertutup. Reaksinya melepaskan hidrogen (Contoh 6).
4. Baja tahan karat akan dibersihkan dengan sabut baja biasa, asam klorida, atau pemutih berlebih di luar petunjuk pabrik mesin.
5. Penyearah proteksi katodik arus terpasang akan diubah setelannya, atau kabelnya dilepas, oleh orang yang tidak berwenang. Penyetelan yang salah dapat merusak lapisan atau mempercepat korosi struktur lain.
6. Ditemukan tegangan atau arus searah pada pipa air yang menandakan arus liar. Periksa pembumian dan sumbernya sebelum memperbaiki pipa.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Baja tahan karat tidak bisa berkarat." Baja tahan karat tahan karena lapisan pasif. Klorida, celah, suhu tinggi, dan serpih besi dapat merusak lapisan itu.

"Laju korosi rata-rata menentukan umur pipa." Sumuran dapat menembus dinding jauh lebih cepat daripada yang disiratkan laju rata-rata (Contoh 9).

"Anode korban tidak perlu diperiksa." Anode memang dirancang untuk habis. Setelah habis, baja di cacat lapisan langsung terkorosi.

"Luas logam mulia tidak berpengaruh." Katode besar dengan anode kecil memusatkan arus di anode (Contoh 3).

"Bila hanya satu logam dapat dicat, catlah yang terkorosi." Mengecat anode saja memusatkan serangan di cacat cat. Yang dicat adalah katodenya.

"Air panas selalu lebih korosif." Dalam sistem terbuka, oksigen keluar ketika air dipanaskan, sehingga laju dapat turun di dekat titik didih. Dalam sistem tertutup, laju terus naik.

Hubungan dengan bab lain

Bab elektrokimia memberi potensial elektrode, persamaan Nernst, dan hukum Faraday, dan bab redoks lanjut kekuatan oksidator dan klorin. Bab 1 · Material membahas korosi secara kualitatif dan cara menafsirkan kegagalan, Bab 9 · Dishwashing kerak dan descaling di mesin pencuci piring, Bab 6 · Laundry silikat dan kebasaan deterjen, bab kelarutan kecenderungan kerak, bab stoikiometri gas bahaya hidrogen, dan Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti. Bab polimer dan elastomer di tingkat ini membahas lapisan dan bahan bukan logam.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, setengah reaksi, atau alasannya.

1. Berapa laju korosi baja dalam mm per tahun bila kerapatan arus korosinya $5\ \mu\text{A/cm}^2$?
2. Berapa kapasitas elektrokimia teoretis aluminium dalam Ah/kg?
3. Kupon baja 25 cm² kehilangan 0,300 g dalam 60 hari. Berapa laju korosinya dalam mm per tahun?
4. Berapa gram natrium sulfit teoretis per jam untuk air 1,0 m³/jam dengan oksigen 5,0 mg/L?
5. Mengapa baut baja pada pelat tembaga cepat habis, sedangkan baut tembaga pada pelat baja tidak merusak pelat?
6. Mengapa korosi sumuran lebih berbahaya daripada korosi merata dengan kehilangan massa yang sama?

Kunci jawaban beralasan

1. $5 \times 0{,}0116 = 0{,}058$ mm per tahun, karena laju penipisan sebanding dengan kerapatan arus menurut hukum Faraday.
2. $3 \times 96.485/26{,}98 = 10.730$ C/g; dibagi 3.600 menjadi 2,98 Ah/g, yaitu sekitar 2.980 Ah/kg.
3. $0{,}300/(7{,}87 \times 25) = 1{,}52 \times 10^{-3}$ cm per 60 hari; dikali $365/60$ menjadi $9{,}3 \times 10^{-3}$ cm per tahun, yaitu sekitar 0,093 mm per tahun.
4. Oksigen $1{,}0 \times 5{,}0 = 5{,}0$ g per jam; natrium sulfit $5{,}0 \times 7{,}88 = 39{,}4$ g per jam, sebelum ditambah sisa yang disyaratkan pemasok.
5. Arus katode sebanding dengan luas katode. Pelat tembaga yang luas memusatkan seluruh arusnya pada baut baja yang kecil; pada susunan sebaliknya, arus kecil dari baut tembaga tersebar di pelat baja yang luas.
6. Pada sumuran, kehilangan logam terpusat di lubang kecil yang dalam, sehingga dinding dapat tembus sementara kehilangan massa rata-rata masih kecil dan tampak aman.

Referensi