腐食概論:腐食の基礎

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  【腐食の継続について】

 鋼表面に水が付着すると,鋼表面の欠陥部(アノード)において,式 1) に示す鉄(Fe)の酸化反応が起き,鉄イオン(Fe2+)と電子(e-)が生成する。この反応をアノード反応や陽極反応ともいう。
 
    Fe → Fe2++2e-  ・・・・・・ 1)
 
 ここで生成した鉄イオンは,鋼表面から水中に拡散する。電子は,鋼の内部を自由に移動し,カソードで式 2)の酸素還元反応(カソード反応)で消費される。
 
    4e-+O2+2H2O → 4OH-   ・・・・・・ 2)
 

金属表面での物質移動

物質移動(模式図)

 アノードとカソードは,鋼内部を通じで電気的に接続されている。鋼に付着した水の膜が電気的に接続されなければ,直流回路におけるコンデンサーのように,両者間の電位差が解消され,反応が止まる。
 アノードとカソードの間の水膜を電気的に接続するためには,反応には直接関与しない電解質(支持電解質)を含む必要がある。
 電解質の存在で,水膜の電気抵抗率が下がり,右図に示すように,アノード→水膜内部→カソード→鋼内部→アノードを電流が流れる電気回路(腐食回路)が形成される。
 この腐食回路で生成する鉄イオン量は,ファラデーの電気分解の法則に従う。
 
    Q=zFN   ・・・・・・ 3)
    ここに,Q:通過電気量(C),z:反応に含まれる電子数,F:ファラデー定数,N:化学変化量(mol)
 
 通過電気量Qは,電流(i)と時間(t)の積である。すなわち。腐食回路のアノードとカソードの電位差が変わらなければ,電流(生成する鉄イオン量)は水膜の電気抵抗(導電性)の影響を受けることになる。
 水膜の電気抵抗は,水膜に含まれる電解質の質と量で決まる電気抵抗率(逆数を電気伝導率という)と水膜の厚みに依存する。
 電気抵抗率は,例えば純水で約 10MΩ・cm,水道水で 10kΩ・cm程度,25℃の海水では約 19Ω・cmと水質で大きく変わる。
 水膜の電気抵抗が大きいと,距離によるIRドロップが大きく影響する。すなわち,アノードに近い狭い範囲しかカソードとして作用できなくなる。
 逆に,電気抵抗が小さい場合は,アノードから比較的離れた広い範囲がカソードとして作用できる。
 腐食速度は,金属表面(カソード)に到達した酸素の量に影響されるので,水膜中の酸素拡散速度が同じであれば,腐食速度は,アノードの周りの有効なカソード面積に比例することになる。すなわち,水膜の電気抵抗が小さいと腐食速度が大きくなる。

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