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Elettrochimica e corrosione
Pile, elettrolisi, potenziali redox e protezione dalla corrosione.
In sintesi
- Tramite le leggi di Faraday: la corrente di corrosione corrisponde a una certa quantità di metallo ossidato al secondo.
- È un metallo più attivo (zinco, magnesio, alluminio) collegato alla struttura da proteggere: diventa l’anodo e si corrode al posto del metallo nobile, che diventa catodo e…
- Perché permette di dimensionare l’anodo: nota la carica totale da erogare (corrente per durata), la massa di anodo è la carica divisa per la capacità.
- Il magnesio ha un potenziale più negativo e una capacità per kg più alta, quindi eroga più corrente: si usa nei terreni e nelle acque ad alta resistività.
La corrosione è un processo elettrochimico che consuma i metalli, e le sue conseguenze economiche sono enormi. Quantificarla significa calcolare la velocità di penetrazione dalla densità di corrente di corrosione e dimensionare la protezione catodica. Questi sei esercizi svolti applicano le leggi di Faraday alla corrosione: dalla velocità con cui si assottiglia una lamiera alla massa e alla durata di un anodo sacrificale. Sono i calcoli che un progettista usa per stimare la vita di una struttura interrata o immersa e per scegliere il sistema anticorrosione più adatto.
Esercizio 1 — Velocità di penetrazione del ferro
Una struttura in acciaio presenta una densità di corrente di corrosione icorr = 10 µA/cm². Calcola la velocità di penetrazione (EW = 27,9, ρ = 7,87 g/cm³).
| icorr | 10 µA/cm² |
|---|---|
| EW (Fe) | 27,9 |
| ρ | 7,87 g/cm³ |
Soluzione passo per passo
Si applica la formula della velocità di penetrazione:
CR = 3,27×10−3·icorr·EW/ρ = 3,27×10−3·10·27,9/7,87 = 0.116 mm/anno
CR ≈ 0.116 mm/anno, cioè circa 116 µm all’anno. Una corrente di corrosione apparentemente piccola produce comunque un assottigliamento misurabile nel tempo.
Esercizio 2 — Capacità teorica di un anodo di zinco
Calcola la capacità di carica teorica dello zinco (M = 65,38 g/mol, n = 2) espressa in A·h per kg.
| M (Zn) | 65,38 g/mol |
|---|---|
| n | 2 |
| F | 96485 C/mol |
Soluzione passo per passo
La capacità teorica è la carica per unità di massa, nF/M, convertita in A·h/kg:
C = nF/M = 2·96485/65,38 = 2951 C/g = 819.9 A·h/kg
C ≈ 819.9 A·h/kg. È la carica massima che un kg di zinco può erogare corrodendosi completamente.
Esercizio 3 — Carica necessaria per la protezione
Per proteggere una tubazione serve una corrente costante di 0,5 A per 10 anni. Quanta carica complessiva è richiesta?
| I | 0,5 A |
|---|---|
| t | 10 anni = 87600 h |
Soluzione passo per passo
La carica è il prodotto corrente per tempo:
Q = I·t = 0,5·87600 = 43800 A·h
Q = 43800 A·h. È questa la carica che l’anodo sacrificale dovrà fornire nell’arco della sua vita utile.
Esercizio 4 — Dimensionare l’anodo sacrificale
Quanto zinco serve per erogare 43800 A·h, considerando un fattore di utilizzo dell’anodo dell’85% (capacità pratica)?
| Q | 43800 A·h |
|---|---|
| C (Zn) | 820 A·h/kg |
| Utilizzo | 0,85 |
Soluzione passo per passo
La massa di anodo è la carica divisa per la capacità effettiva (teorica per il fattore di utilizzo):
m = Q/(C·u) = 43800/(820·0,85) = 62.85 kg
m ≈ 62.85 kg di zinco. Il fattore di utilizzo tiene conto del fatto che l’anodo non si consuma mai del tutto in modo uniforme.
Esercizio 5 — Durata di un anodo dato
Un anodo di zinco da 20 kg eroga 0,5 A con utilizzo 0,85. Quanti anni dura?
| m | 20 kg |
|---|---|
| C (Zn) | 820 A·h/kg |
| I | 0,5 A |
| u | 0,85 |
Soluzione passo per passo
La carica totale disponibile diviso la corrente dà la durata:
t = m·C·u/I = 20·820·0,85/0,5 = 27880 h = 3.182 anni
t ≈ 3.182 anni. Per coprire dieci anni servirebbero più anodi o un anodo più grande, come già visto nell’esercizio precedente sul dimensionamento.
Esercizio 6 — Corrente di protezione e scelta dell’anodo
Una struttura ha 50 m² di superficie da proteggere e richiede 0,020 A/m². Calcola la corrente totale e spiega quando conviene il magnesio rispetto allo zinco.
| Area | 50 m² |
|---|---|
| iprotezione | 0,020 A/m² |
| C(Mg) | 2205 A·h/kg |
Soluzione passo per passo
La corrente di protezione è densità per area:
I = i·A = 0,020·50 = 1 A
Servono 1 A. Il magnesio, con capacità teorica 2205 A·h/kg (quasi tripla rispetto allo zinco) e un potenziale più negativo, eroga più corrente per kg ed è preferito nei terreni ad alta resistività; lo zinco si usa in acqua di mare, dove il suo potenziale è sufficiente e il consumo più lento.
Domande frequenti
Come si lega la corrente di corrosione alla velocità di assottigliamento?
Tramite le leggi di Faraday: la corrente di corrosione corrisponde a una certa quantità di metallo ossidato al secondo. La formula CR = K·icorr·EW/ρ traduce direttamente la densità di corrente in mm/anno di penetrazione.
Cos’è un anodo sacrificale?
È un metallo più attivo (zinco, magnesio, alluminio) collegato alla struttura da proteggere: diventa l’anodo e si corrode al posto del metallo nobile, che diventa catodo e resta immune. È la forma più semplice di protezione catodica.
Perché si usa la capacità in A·h/kg?
Perché permette di dimensionare l’anodo: nota la carica totale da erogare (corrente per durata), la massa di anodo è la carica divisa per la capacità. Esprime quanta carica un kg di anodo può fornire corrodendosi.
Quando si preferisce il magnesio allo zinco?
Il magnesio ha un potenziale più negativo e una capacità per kg più alta, quindi eroga più corrente: si usa nei terreni e nelle acque ad alta resistività. Lo zinco e l’alluminio si preferiscono in acqua di mare, dove serve meno spinta e contano la durata e il costo.
Cos’è la protezione a corrente impressa?
È l’alternativa agli anodi sacrificali: un alimentatore esterno fornisce la corrente di protezione tramite anodi inerti. Si usa per strutture grandi o con elevata richiesta di corrente, dove gli anodi sacrificali durerebbero troppo poco. Richiede però un’alimentazione e una manutenzione che gli anodi galvanici non hanno.
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Avvertenza. Questo articolo ha finalità informative e divulgative e riflette la normativa vigente alla data di pubblicazione; le scadenze indicate possono essere modificate da provvedimenti successivi. Non sostituisce la verifica tecnica del singolo prodotto e del caso specifico. A cura della Redazione di ChimicaConforme.