부식발생의 원인-전지(電池 ; Cell)의 원리와 종류
이온전도체(전해액)와 전자전도체(금속)가 결합하여 나타나는 전기화학적 전지에는 두 가지 종류, 즉 갈바닉전지(galvanic cell)와 전해전지(電解電池: electrolytic cell)가 있다.
화학적 에너지를 소비시키면서 전기적 에너지를 발생하는 전기화학적 전지는 갈바닉전지(galvanic cell)라 하며, 외부 전류원으로부터 전류를 소비시키면서 화학적에너지를 얻는 전기화학적 전지는 전해전지(電解電池)라 한다. //로 표시되는 전해다리(electrolyte bridge)를 가진 갈바닉전지는, 예로서 다음과 같이 표시할 수 있다.
습관적으로 음극을 오른쪽에 적는다.
탄소전극과 아연전극 그리고 NH4Cl용액으로 구성되어 있는 전등용 건전지를 생각해 보자(아래 그림 참조).
양쪽 전극에 연결되어 있는 백열전구는 화학반응을 통해서 공급되는 전기적 에너지에 의해 빛을 발하게 된다. 탄소전극(음극)에서는 환원반응이 일어나는 반면 아연전극(양극)에서는 산화반응이 일어나서 아연이 함수(含水)아연이온 Zn+2nH2O로 바뀐다. 전지를 통해 흐르는 전류가 클수록 부식되는 아연량은 많아진다. 이 관계를 식으로 표시할 수 있는데 이를 faraday의 법칙이라 한다.
반응금속의 무게 = KIt
여기서 K는 상수, I는 전지를 통해 흐르는 전류(ampere),t는 전류가 흐른 시간(초)이다.
아연의 경우 K 값 3.39×10-4g/c,(gram.per coulomb)이다. 쿨롱(coulomb)이란 1A 전류가 1초 동안 흐른 전기량으로 정의된다.
양도체의 금속으로 전지를 단락시키면(short circuit) 아연은 수시간 내에 부식된다. 반면 전지가 전기적으로 연결되지 않은 상태로 두게 되면(open circuit) 아연은 수년 동안 그대로 있게 된다. 개방회로(開放回路: open circuit)에서도 아연이 천천히 소비되는 이유는 아연 표면에 소량 포함되어 있는 철과 같은 불순물에 의한 것으로 풀이된다. 이러한 불순물이 탄소전극과 같은 역할을 함으로써 전류가 흐르게 되고 따라서 아연이 부식된다. 이러한 종류의 전류를 국부작용전류(局部作用電流; local action current)라 한다. 그리고 이러한 전지를 국부작용전지(局部作用電池; local action cell)라 한다. 물론 이러한 국부작용전류는 유용한 에너지를 생성시키지는 않으며 단지 주위를 가열시킨다.
아연의 경우와 마찬가지로, 모든 금속표면은 그 금속 자체를 통해 전기적으로 단락(short circuit)되어 있는 전극을 형성한다고 생각할 수 있다.
금속이 건조한 상태로 있으면 국부작용전류 및 부식은 관찰되어지지 않을 것이다. 그러나 금속이 물 또는 수용액 속에 노출되면 국부작용전지가 작동을 하게 되고 금속은 부식된다. 다시 말하면 국부작용전류는 물, 염웅액, 알칼리 등에서의 금속의 부식을 설명해준다. 금속 내의 불순물이 국부작용전지를 형성하기 때문에 이러한 불순물을 제거하게 되면 내식성이 크게 향상될 것으로 기대된다. 실재로 순수한 Al 및 Mg는 불순물을 함유한 Al 및 Mg에 비해서 해수 또는 산에서 휠씬 우수한 내식성을 가지고 있다. 그러나 전기화학적 이론이 처음 제시되었을 때 주장되었던 것처럽 순수한 금속은 부식되지 않는다고 생각하는 것은 잘못이다. 왜냐하면 국부작용전지는 환경이나 온도의 변화 등에 의해서도 야기되기 때문이다.
부식반응에 참가하는 갈바닉전지(galvanic cell)에는 크게 세가지 형태가 있다.
(1) 이종금속전극전지(異種金屬電極電池: dissimilar metal electrode cell)
앞서 설명한 건전지로서 이 전지는 설명되었다. 전기전도성을 지닌 불순물을 포함한 금속, 철관(iron pipe)에 연결된 동관(copper pipe), 강(鋼) 선체에 접촉하고 있는 청동(靑銅) 프로펠러 등은 이 전지의 예이다. 또한 같은 금속이라 하더라도 냉간 가공한 금속과 어닐링한 금속의 접촉, 결정립(結晶立)과 결정입계(結晶粒界), 방위(方位:orientation)가 다른 결정면(結晶面) 사이의 접촉 등에서도 이 전지는 형성된다.
(2) 농담전지(濃淡電池; concentration cell)
동일한 금속으로 만들어진 똑 같은 두 전극이 서로 다른 조성을 가진 용액 속에 있으면서 전기적 접촉을 가지는 경우 농담전지가 형성되며 두 가지 종류가 있다.
첫번째는 염농담전지(醴濃淡電池; salt concenoation cell)로서 예를 들면 한 구리전극이 진한 황산구리 용액에 담구어져 있고 다른 한 구리전극이 묽은 황산구리 용액에 담구어져 있을 경우 두 구리전극을 단락시키면(short circuit) 묽은 용액 속의 구리전극에서 구리가 분해되면서 양극이 되고 진한 용액 속의 구리전극은 음극이 된다. (아래 그림 참조) 이리하여 두 용액의 농도는 평형상태로 향한다.
농담전지의 두번째 경우는 산소농담전지(酸素濃淡電池: oxygen concentration cell or differential aeration cell)로서 실제 부식 환경에서 이 전지가 많이 형성된다. 예를 들어, 철이 묽은 염화나트륨 용액 속에 노출되어 있다고 하자(아래그림 참조).
한쪽 용액에는 산소를 계속 공급하고 다른쪽 용액에는 질소를 공급함으로써 산소의 농도 차이가 생길 경우 산소 농도가 높은 쪽의 철전극은 음극이 되어 부식속도가 느리고, 산소농도가 낮은 쪽의 철전극은 양극이 되어 부식속도가 훨씬 빠르다. 이러한 형태의 전지는 두 관(pipe)의 사이에서 생기는 틈부식(crevice corrosion)을 설명하여 준다. 즉 틈 내에서는 다른 부분에 비해서 산소농도가 낮기 때문에 양극이 되어 부식이 촉진된다. 또 다른 예로서 녹(rust) 및 수면 부근에서의 부식을 생각할 수 있다
녹이나 기타 다른 부식생성물로서 덮인 부분은 다른 부분에 비해 산소농도가 적어서 양극이 되어 부식이 촉진된다. (아래 그림 참조).
수면에서 가까운 부분은 수면에서 먼 부분 보다 산소농도가 많아서 음극이 되며 따라서 수면에서 먼 부분의 부식이 촉진되는 것을 알 수 있다. (아래 그림 참조)
(3) 온도차전지(溫度差電池: differential temperature cell)
동일한 금속으로 만들어진 똑같은 두 전극이 같은 조성의 전해액 중에 있을 때 온도 차이에 의해서 생성되는 전지이며, 열교환기, 보일러 등의 부식원인이 된다. 이 전지의 기본 원리 및 그 실제 중요성에 대해서는 다른 전지만큼 잘 알려져 있지 못하다.
예로서, 구리전극이 황산구리 용액에 담구어져 있을 겅우 고온측의 구리전극은 음극이 되고 저온측의 구리전극은 양극이 된다. 따라서 전지를 단락시키면(short circuit)고온측의 구리전극에서는 환원반응이 발생하고 저온측의 구리전극에서는 산화반응이 일어난다. 또 다른 예로서, 공기로 포화된 묽은 염화나트룸 용액 속에 있는 철을 생각해 보면 고온측 전극이 양극이 되고 저온측 전극이 음극이 된다. 그러나 통기(通氣:aeration), 교반(擺辯: stirring) 등의 조건에 따라 극성이 바뀌는 경우도 있다.
Galvanic Corrosion(이종금속부식 - 갈바닉부식)
부식발생의 원인 - 갈바닉계열(galvanic series)
부식발생의 원인-양극(Anode)과 음극(Cathode)의 정의
부식발생의 원인-전극전위의 물리적 의미와 전기화학적 이중층
