[화학야금실험]Galvanic Corrosion(갈바닉 부식)

실험 목적

1. 전기화학적으로 비한 금속이 전기 화학적으로 귀한 금속과 접촉해 있으면 접촉 전에 비하여 부식 속도가 증가하는데 이와 같은 부식을 갈바닉 부식이라고 한다.

2. 본 실험에서는 갈바닉 부식 현상을 열역학적 관점에서 이해하고 실험을 통해 확인하고자 한다.

실험 이론 및 원리

 

1. 서론

금속이 부식 용액에 침지되면, 부식전위에서 산화 반응과 환원 반응의 속도가 평형을 이룬다. 부식전위 값이 확연히 다른 두 금속이 서로 전기적으로 연결되어 있으면 부식전위가 더 높은 금속은 캐소드(cathode, 환원 반응이 일어나는 전극) 역할을 하고 부식전위가 더 낮은 금속은 애노드(anode, 산화 반응이 일어나는 전극) 역할을 하게 되며, 애노드와 캐소드 사이에 전류가 흐른다. 

이때 애노드가 된 금속의 부식 속도는 두 금속이 연결되기 전보다 증가하고 캐소드가 된 금속의 부식 속도는 감소한다. 이와 같이 두 금속이 전기적으로 접촉하여 한 금속의 부식 속도가 증가하는 것을 갈바닉 부식(galvanic corrosion) 또는 이종금속 부식(bimetallic corrosion)이라고 한다.

 

갈바닉 부식은 갈바닉 시리즈에서 서로 다른 두 금속이 얼마나 떨어져있는지를 통해 예측할 수 있다. 부식 전위 차이가 수백 mV 이상이라면 갈바닉 부식이 일어날 가능성이 높다. 수십 mV 이내라면 갈바닉 부식의 가능성이 적다. 갈바닉 부식의 정도는 두 금속의 면적 비, 두 금속이 접촉하기 전의 부식 전위 차이, 그리고 부식 전위가 높은(상대적으로 귀한) 금속의 환원 효율(cathodic efficiency)에 따라 달라지며, 다음과 같은 상황일 때 더 심하게 일어난다.

1) 캐소드에 비해 애노드의 면적이 작을수록

2) 부식 용액에 산소가 원활히 공급되는 등 환원 반응이 잘 일어날수록

3) 두 금속의 부식 전위 차가 클수록

4) 갈바닉 쌍을 이루는 두 금속이 접하는 면에 가까운 위치일수록

갈바닉 시리즈

 

2. 갈바닉부식(galvanic corrosion)

두 이종금속이(異種金屬, dissimilar metal) 용액속에 담구어 지게 되면 전위차(potential difference)가 존재하게 되고 따라서 이들 전지사이에 전자의 이동이 일어난다. 그리하여 귀전위( 貴電位 novel potential)를 가진 금속의 부식속도는 감소되고 활성전위(活性電位 active potential)를 가진 금속의 부식속도는 촉진된다. 

이때 활성금속(活性金屬)은 양극으로 되어 부식이 가속되고, 상대적으로 비활성금속은 음극으로 보호된다. 이러한 형태의 부식을 갈바닉부식,또는 이종금속접촉부식(異種金屬 接觸腐蝕)이라 한다. 이러한원리를 이용한 방식이 희생양극 전기방식이다.

 

3. 갈바닉부식의 면적의 영향

갈바닉 부식에 영향을 미치는 하나의 중요한 인자는 양극과 음극의 면적비며갈바닉 부식에 있어서 가장 위험한 조건은 소양극 -대음극이다. 양극면적에서의 전류밀도가 높을수록 부식속도는 커지게 된다 반대로 소음극 -대양극은 갈바닉부식을 줄일수 있는 좋은조건이 된다.

예를 들어 구리판에 박힌 철못과 ,철판에 박힌 구리못을 생각해보면 ,전자는 소양극-대음 극이고 후자는 소음극 -대양극이다 따라서 구리판에 박힌 철못은 갈바닉부식이 훨씬심 하게 되고 철못은 큰손상을 입게된다. 이러한 소양극-대음극의 위험에 관한 원리를 올바로 이해하지 못하면 커다린 손실을 초래하게 된다

 

4. 해수중의 금속의 자연전위(포화황산동 전극기준)

귀 비	금속	자연전위
	백금(pt)	+0.25V
↑	은(Ag)	- 0.14V
	동(Cu)	-0.25V
	납(Pb)	-0.58V
	철(Fe)	-0,53~-0.73V
	알루미늄(Al)	-0.86V
↓	아연Zn	-1.15V
	마그네슘(Mg)	-1.68V

* 둘 혹은 그이상의 원소를 포함하는 합금에 대하여는 가역전위 측정이 불가함

 

5. 갈바닉부식의 방지방법

갈바닉부식을 방지 또는 감소시키기 위한 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다.

1) 이종금속을 함께 사용해야 할 경우,가능한 한 갈바닉계열에서 가까이 위치하고있는 금 속 또는 합금을 선택한다.

2) 소양극-대음극의 위험 원리를 항상 기억한다. 예를들면 못,조임쇠 등은 덜 귀한전위를 가진 금속에 사용한다.

3) 가능하면 이종금속은 절연시킨다. 이때 완전히 절연되도록 한다. 파이프를 밸브에연결시 키는 경우에 있어서 처럼,두 플랜지를 보울트로 조이는 연결점같은 곳에 절연이 완전히 되지 못하는 수가 있다. 이런 곳에는 보울트헤드 또는 너트밑에 베이클라이트 워셔를 받 치면 두 부분을 완전히 절연시키게 될 것이다. 그러나 이렇게 할 경우에도 보울트의 몸 대가 양쪽 플랜지에 닿게 되어 이 또한 완전한 절연은 못된다. 보울트의 몸대에 플라스 틱튜브를 설치하고 워셔를 사용함으로써 보울트가 두 플랜지에서 완전히 절연될 수 있 다. (절연볼트사용)

4) 신중을 기하여 도장한다.(음극의 면적을 줄이는 원리)

5) 환경에 의한 영향을 줄이기 위해서 부식억제제 첨가한다.

6) 갈바닉계열에서 멀리 떨어진 금속끼리의 나사접합은 피한다.

7) 양극부분을 쉽게 대치할 수 있게 또는 양극부분을 보다 두껍게 설계한다.

8)갈바닉 접촉을 이루고 있는 두 금속보다 활성전위를 가진 제 3의 금속을 설치한다(희생양극)

 

6. 갈바닉부식의 이용

갈바닉부식의 원리를 이용한 것으로 땅 밑에 묻혀있는 강파이프를 보호하기위해서 Mg가 희생양극으로 사용됨(전기방식)

 

7. 음극방식(전기방식-희생양극법)

음극방식은 갈바닉부식의 원리를 이용한 것으로,부식되고 있는 금속을 갈바닉전지에서 음극이 되게 함으로써 부식을 방지하는 것이다. 갈바나이징한 강은 음극방식의 대표적인 예이다. 강에 피복된 아연이 선택적으로 부식 됨의로써 강을 보호하게 된다.

즉 아연이 희생양극으로서 작용하게 된다. 반대로, 주석의경우에는 아연보다 내식성은 크지만 강에 피복시킬 경우 바람직하지 못한 결과를 초래한다. 피복된 주석이 약간 부식되거나 손상되어 강이 노출될 경우 소양극-대음극의 위험한 현상이 초래되어 강의 부식이 크게 촉진되기 때문이다.(주석도금한 강판의 경우 주석이 손상된 경우 급격한 부식초래하여 접합용기등에 구멍이생김)

 

 

실험 결과

1. 결과 data

측정값 시편		실험 전 질량(g)	실험 후 질량 (g)	표면적(㎠)	질량 차(g)	부식 속도(g/㎠․min)
Cu		10.15	10.15	8.9	0	0
Fe		8.272	8.269	8.1	0.003	1.2×10-5
Fe-Cu	Fe	Fe - 6.865	Fe - 6.859	8.9	0.006	2.2×10-5
	Cu	Cu - 9.93	Cu - 9.93	6.5	0	0

 

2. 부식속도계산

1) 사용된 계산식 : 질량차(g)/(표면적(㎠)×시간(min)) = 시간면적당 부식된 양

2) Cu의 부식 : 0(g)/(8.9(㎠)×0(min)) = 0g/㎠․min

3) Fe의 부식 : 0.003(g)/(8.1(㎠)×30(min)) = 1.2×10-5g/㎠․min

4) Fe-Cu를 같이 넣은 용액 속에서의 Fe 부식 : 0.006(g)/(8.9(㎠)×30(min)) = 2.2×10-5g/㎠․min

5) Fe-Cu를 같이 넣은 용액 속에서의 Cu 부식 : 0(g)/(6.5(㎠)×30(min)) = 0g/㎠․min

 

3. 질문 사항

1) 비이커에 침적 시 용액의 변화는? 기포 발생, pH의 증가

2) 발생하는 gas는 무엇인가? 수소가스(H₂)

3) 무게 감량의 순서는? Fe-Cu> Fe> Cu

4) 각 system에서 시편의 부식속도(g/㎠․min)는?

시편 계산값	Cu	Fe	Fe-Cu
			Fe	Cu
부식 속도 (g/㎠․min)	0	1.2×10-5	2.2×10-5	0

 

5) 구리와 철과 연결된 시편의 경우 부식이 어디서 주로 발생하였으며 그 이유는?

구리와 철이 연결된 시편의 경우 부식은 주로 철에서 발생하였다. "서로 다른 금속이 부식성 용액에 노출되었을 때 어느 금속이 양극 혹은 음극으로 작용할 것인가는 ‘갈바닉 계열(주어진 부식성 용액에서 금속 및 합금의 전위를 측정하여 배열한 것)’에 의해 알 수 있다. 금속의 전위 즉, Potential의 차이가 큰 재료의 접촉은 Active한 재료에서 더 큰 갈바닉 부식을 야기 시킨다.“ 다시 말해 구리와 철의 경우 더 Active한 재료인 철 쪽에서 부식이 잘 일어난 것이다.

 

6) 갈바닉 부식을 방지하는 방법 및 그 이유를 쓰시오.

① 유사 전위금속 선정: 갈바닉 계열에서 가능하면 가까이 위치한 금속들을 선정한다.

② 표면에 오염물(기름, 용접 등)이 발생치 않도록 주의한다. (완전 제거가 요구됨)

③ 외부전원법 : 음극, 양극부분의 끝단에 외부에서 전원을 반대로 걸어줌으로써 전위차를 없앤다.

④ 희생양극법 : 갈바닉 쌍의 두 금속에 대하여 더 활성적인 제 3의 금속을 접촉시킨다.

⑤ Area Effect : 양극부 (Anode)의 표면적은 크게, 음극부 (Cathode)의 표면적은 작게하여 접촉시킨다. 즉 천한 (Less noble or active) 금속쪽의 표면적을 증가 시킨다. 혹은 적어도 음극부의 금속만은 도장시켜야 한다.

⑥ 용접재료, Bolt, Nut등의 재료는 모재금속 보다 귀한 (Noble) 전위의 재료를 택한다.

⑦ 용액에 적절한 방청제(금속재의 부식을 방지하는 약제, 부식억제제)를 넣는다.

⑧ 이종금속의 경우 접촉 금속 간에 절연재를 써서 전기적으로 절연한다.

토의 사항

1. 실험 고찰

구리와 철 시편을 부식성 용액에 침적하여 부식시켜보고 그에 따라 일어난 금속의 부식에 대해 열역학적으로 해석해 보았다. 본 실험과 같이 반응성이 서로 다른 두 금속을 전선을 이용하여 연결한 뒤 부식성 용액에 침적시켜 두게 되면 두 금속간의 전위차가 존재하게 되어 전지가 형성되게 되는데 이를 통하여 금속 간에 전자의 이동이 일어나게 되고 그에 따른 결과로 부식이 일어나게 되는 것이다.

이것을 열역학 적으로 분석하는데 있어서 전위라는 것의 개념이 필요하겠다. 전위차란 전기화학적 포텐셜 즉, 잠재적인 에너지의 차이를 의미한다. 금속이 부식된다는 것은 수용액 중에서 이온상태로 녹아난다는 것이다. 그러므로 이온화가 되기 쉬울수록 부식이 쉽게 일어나는 것이며, 이온화가 잘 된다는 것은 금속에서 전자를 떼어 내는데 있어서 그 에너지가 상대적으로 적게 든다는 것이다.

그래서 상대적으로 구리보다 잠재적 에너지가 작고 활성화 에너지가 큰 철의 이온화 경향이 더 컸기 때문에 철이 전자를 빼앗겨 전기적으로 양극이 되어 부식속도가 촉진되고, 반대로 이온화 경향이 작은 구리는 전기적으로 음극이 되어 부식이 되지 않은 것이다. 이러한 부식형태가 이번 실험인 갈바닉 부식 실험이다.

갈바닉 부식의 원리를 역으로 이용하면 금속을 부식으로부터 보호 할수도 있겠다. 갈바닉 부식 실험을 통해 포텐셜과 활성화 에너지의 개념을 이해하고, 실생활에 접목시킬 수 있는 방법을 알았다.