사람과 일

정의

poongkum 2008. 9. 7. 19:57

 
물질(금속)이 화합물(광석)의 상태에서 물질로(금속으로) 되기 위해서는 외부로 부터의 에너지가 필요하다. 즉, 에너지 준위가 낮은 화합물(광석)은 외부로부터 에너지를 받아 에너지 준위가 높은 물질(금속)의 상태로 존재하게 된다.
그러나 자연상태에서는 에너지 준위가 낮을수록 더욱 안정하므로 물질(금속)은 외부로 에너지를 방출하고 보다 에너지 준위가 낮은 상태, 더욱 안정한 상태(화합물)로 되돌아 가려는 성질을 가지고 있다.
이와 같이 에너지 준위가 높은 물질에서 에너지 준위가 낮은 화합물로 되돌아 가는 과정에서 물질자체가 변질하거나 혹은 물질의 특성이 변화되는 것을 부식이라고 한다.
간단히 정리하면 부식은 다음과 같이 정의할 수 있다.

"물질이 주위 환경과 반응하여 물질 자체가 변질되거나 혹은 물질의 특성이
 변질되는 것을 부식이라고 한다."



 
 
대부분의 부식은 전기화학적 반응에 의한 부식으로써, 전기화학적 반응이란 전자의 이동이 포함된 화학반응이라고 정의한다. 이와 같은 전기화학적 반응에 의한 부식이 일어나기 위해서는 다음 4가지 조건이 만족되어야 한다.

1) 양극(Anode)
2) 음극(Cathode)
3) 전류경로(Electronic path) 혹은 금속경로(Metallic path)
4) 이온경로(Ionic path) 혹은 전해질(Electrolyte)

이상의 조건으로 구성된 조합을 부식전지라고 부른다.

이 부식전지는 음극 - 전류경로 - 양극 - 이온경로를 따라 전류의 흐름이 생기며, 전류의 흐름에 따라 양극에서 부식이 일어난다.

1. 양극반응

양극반응은 다른 말로 산화반응이라고도 부르며 금속이 금속이온과 전자로 나누어지는 반응이며
식(1-1)과 같다.

식 (1-1) 과 같이 양극반응은 양으로 대전된 금속 원자가 양극을 떠나 전해질로 들어가며 전자의 흐름은 전기적인 경로를 따라 양극에서 음극으로 흐른다.


2. 음극반응

음극반응은 다른말로 환원반응이라고도 부르며 양극에서 전류경로를 따라 이동해온 전자가 전해질 내의 양이온 등과 반응하는 것을 이르며 아래와 같은 반응이 있다.

(1) 산소 환원반응 (산성 전해질)



(2) 산소 환원반응 (중성 및 알칼리성 전해질)


(3) 수소 환원 반응



(4) 금속이온 환원반응


(5) 금속 환원반응



(그림 1-1), (그림 1-2), 및 (그림 1-3)은 각각 양극반응, 음극반응 및 부식전지를 나타낸 것이다.

(그림 1-3)과 같은 수용액 내의 철의 경우 양극과 음극의 전위차에 의해 양극과 음극 사이의 전류경로를 따라 양극에서 음극으로 전자가 이동한다. 이때 양극에서는 전자를 방출하고 나서 양으도 대전된 철 원자가 남아 전해액 내의 수산화기(OH-)와 결합하여 수산화 제1철(Fe(OH)₂)을 형성한 후 결국은 녹(Fe₂(OH))으로 진행한다.

한편 음극에서는 양극으로부터 도착한 잉여 전자들이 양으로 대전된 수소이온과 결합하여 수소가스 (H₂) 를 발생시키고 이 과정에서 분극막을 형성한다.

부식전지 내에서의 전류의 흐름 및 부식 발생 장소는 다음과 같다.

(1) 전류경로에서 전류는 음극에서 양극으로 흐른다.

(2) 이온경로에서 전류는 양극에서 음극으로 흐른다.

(3) 전류가 전해질로 유출되는 부분에서 부식이 발생한다.

(4) 전해질로부터 전류가 유입되는 부분은 부식하지 않는다.
     (알루미늄과 납의 경우 유입 전류가 과다하면 부식한다.)


 
 
금속부식에는 건식과 습식 두 가지가 있으나 대부분 습식이다.

습식은 금속이 해수 또는 토양과 같은 전해질 속에 있을 때의 부식으로서 전해질 속에 있는 산소의 농도, 금속자체의 성분 또는 표면 상태에 따라 금속 표면에 양극부와 음극부가 발생, 양극 → 전해질 → 음극이란 전류회로가 형성되어 Faraday 법칙에 따라 양극부위에서 금속이온(ion)이 용출되는 현상을 말한다.

습식은 일종의 전기화학적 반응으로서 전기화학이론에 따라 연구와 대책이 이루어지고 있으며 최근에는 많은 성과를 올리고 있다.

Corrosion rate of steel

Environment

Mean depth of corrosion (mm/yr)

Pitting factor
(=maximum pit depth/mean depth
or corrosion)

Mild steel - Atmosphere

0.25

2 ∼ 10

Mild steel - Sea water

0.12

2 ∼ 30

Cast iron  - Sea water

0.1

2 ∼ 15

Mild steel - Fresh water

0.05

2 ∼ 5

Mild steel - Soil

0.01

2 ∼ 25





Relation between specific resistance of Soil and steel corrosion

Specific resistance of soil (ohm-cm)

Corrosion of steel

0 ∼ 2,000

Servere

2,000 ∼ 10,000

Moderate

10,000 ∼ 30,000

Mild

Over 30,000

Unlikely

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