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1. 부식의 개념과 전기화학적 방식
1.1. 부식의 개념과 발생 원인
부식은 환경과의 상호작용에 의한 재료의 성질 저하를 의미한다. 대부분의 금속(및 그 물질에 대한 많은 재료)의 부식이 불가피하다. 모든 부식의 근본적인 원인은 시스템의 Gibbs 에너지 감소에 있다. 금속(및 금속으로 만들어진 엔지니어링 구성품)의 생산은 시스템에 에너지를 제공한다. 이러한 열역학적 원리로 인해 금속은 구동력이 강하여 천연의 저에너지 산화물 상태를 회복할 수 있게 된다. 자연산화물 상태로 회복되는 현상을 부식이라고 하는데, 이는 불가피하지만 많은 장애물(부식 제어 방법)을 사용해 부식 상태로의 진행을 늦출 수 있다."
1.2. 산소에 의한 부식(산화 부식)
대기 중에 존재하는 산소가 금속 표면을 침식해 형성되는 금속산화물이 산화 부식이다. 이는 금속 표면에서 먼저 일어나 금속 이온이 형성되고, 산소는 산소 이온으로 전환된다. 금속 이온은 산소 이온과 결합하여 금속 산화막을 형성한다. 형성된 금속 산화막은 일반적으로 네 가지 종류가 있는데, 안정적 막, 불안정 막, 다공성 막, 휘발성 막이 있다.""
1.3. 습식 부식(전기화학 부식)
습식 부식(전기화학 부식)은 전도성 액체와 금속이 접촉하거나 두 개의 서로 다른 금속이 전해액에 부분적으로 담겨 있을 때 발생한다"" 이러한 경우 금속의 한 부분은 양극이 되고 나머지 부분은 음극이 된다"" 음극 영역에서는 산화반응이 일어나 전자가 방출되며, 전해액의 성질에 따라 크게 두 가지 반응이 일어날 수 있다""
첫 번째는 수소 진화 메커니즘으로, 전도 매체가 산성이 높거나 용존 산소가 없을 때 발생한다"" 예를 들어 H+ 이온이 포함된 산업 폐기물에 의한 철 금속 부식이 이에 해당한다""
두 번째는 산소 흡수 메커니즘으로, 금속이 용존 산소를 가진 중성 용액과 접촉할 때 발생한다"" 이는 페인트 코팅된 철의 부식과 같은 사례로 볼 수 있다""
이처럼 습식 부식은 전도성 매체와 금속의 접촉으로 인해 발생하는 전기화학적 반응의 결과이다"" 이로 인해 양극 부분에서는 금속 이온이 생성되고 음극 부분에서는 전자가 방출되는 과정이 일어나게 된다""
1.4. 수소 진화 메커니즘
수소 진화 메커니즘은 전도 매체가 산성이 높거나 용존 산소가 완전히 없을 때 일어나는 현상이다" 이러한 유형의 부식에서 양극은 표면적이 크고 음극 영역이 적다. 구체적으로 살펴보면, 양극에서는 금속이 산화되어 금속 이온(M2+)이 생성되고, 음극에서는 수소 이온(H+)이 전자를 받아 수소 가스(H2)가 발생한다. 즉, 금속의 산화 반응과 수소 환원 반응이 동시에 일어나는 것이다.
이와 같은 수소 진화 메커니즘은 주로 산성 환경에서 발생하며, 대표적인 예로 철 금속이 산업 폐기물에 의해 부식되는 경우를 들 수 있다. 이때 폐기물 내 H+ 이온이 철 표면에서 수소 가스로 환원되면서 철이 산화되어 부식이 진행된다. 따라서 수소 진화 메커니즘에 의한 부식은 양극 표면적이 크고 음극 영역이 작은 경우에 주로 발생한다고 할 수 있다.
1.5. 산소 흡수 메커니즘
산소 흡수 메커니즘은 금속이 용존 산소를 가진 중성 수용액과 접촉할 때 발생하는 부식의 한 유형이다. 이러한 메커니즘에서는 음극 영역에서 전해질의 용존 산소가 환원되어 수산화 이온을 형성한다. 이때 양극에서는 금속의 산화 반응이 일어나게 된다.
구체적인 반응 과정은 다음과 같다. 양극에서는 금속의 산화 반응이 일어나 금속 이온이 생성된다.
양극 반응: M → M^(2+) + 2e^(-)
음극에서는 용존 산소가 수산화 이온으로 환원된다.
음극 반응: O2 + 2H2O + 4e^(-) → 4OH^(-)
이렇게 생성된 수산화 이온이 양극에서 생성된 금속 이온과 반응하여 금속 수산화물을 형성하게 된다.
총 반응: M^(2+) + 2OH^(-) → M(OH)2
이러한 산소 흡수 메커니즘에 의한 부식은 페인트 피복된 철의 부식과 같은 경우에서 볼 수 있다. 페인트 코팅된 철에 균열이 생기면 그 부위가 양극 역할을 하게 되고, 주변의 건전한 표면이 음극이 되어 전기화학 반응이 진행된다.
이처럼 산소 흡수 메커니즘에 의한 부식은 금속 표면에서 전자가 방출되고 용존 산소가 환원되어 수산화물이 생성되는 전기화학 반응으로 이해할 수 있다.
1.6. 전기 부식
전기 부식은 전해질이 존재하는 상태에서 서로 다른 두 금속이 결합될 때 발생하는 전기화학적 부식이다. 음극 전위성이 높은 금속은 양극 역할을 하고, 나머지 부분은 음극 역할을 한다.
예를 들어, 아연(Zn)과 철(Fe)이 전해질 용액 속에 결합되어 있는 경우, 아연이 양극이 되어 우선적으로 산화되어 용해되고, 철은 상대적으로 음극이 되어 보호받는다. 이 때 전체 반응식은 다음과 같다.
양극: Zn → Zn2+ + 2e-
음극: 2H+ + 2e- → H2
총 반응: Zn + 2H+ → Zn2+ + H2
반면, 철(Fe)과 구리(Cu)가 전해질 용액 속에 결합되어 있는 경우, 철이 양극이 되어 부식되고 구리는 음극이 되어 보호받는다. 이 때 전체 반응식은 다음과 같다.
양극: Fe → Fe2+ + 2e-
음극: 2H+ + 2e- → H2
총 반응: Fe + 2H+ → Fe2+ + H2
이처럼 전기 부식은 갈바닉 전지가 형성되어 전위가 낮은 금속이 우선적으로 부식되는 현상이다. 따라서 전기 부식을 방지하기 위해서는 상대적으로 활성도가 높은 금속과 활성도가 낮은 금속을 사용하거나, 절연체를 사이에 두어 두 금속을 전기적으로 절연시키는 등의 대책이 필요하다.
2. 부식의 종류와 특징
2.1. 균일 부식
균일 부식은 금속 표면이 전체적으로 균등하게 부식되는 현상이다. 이는 가장 일반적인 부식의 형태로, 금속 표면의 모든 부분이 균일한 속도로 부식되어 표면 전체가 균등하게 마모되는 것이 특징이다.
균일 부식은 금속 자체의 부식 저항성이나 환경 조건에 따라 다양한 속도로 발생할 수 있다. 일반적으로 금속의 결정 구조, 화학 조성, 합금 원소의 첨가 등에 따라 균일 부식 속도가 달라진다. 또한 산소와 수분의 농도, 온도, pH 등의 환경 조건에 따라서도 균일 부식 속도가 변화한다.
균일 부식은 금속 표면이 전체적으로 균등하게 부식되므로 외관상 눈에 잘 띄지 않는 편이다. 그러나 장기적으로 볼 때 금속의 두께가...
