Mahasiswa Mahasiswa mampu mampu menjelaskan menjelaskan kinetika proses korosi korosi yang terjadi pada berbagai berbagai logam
2.
yang berinteraksi dengan lingkungan air. Mahasiswa mampu mengaplikasikan dan menghitung laju korosi suatu logam berdasarkan metode kehilangan berat dan polarisasi elektrokimia.
Tujuan Pembelajaran Khusus
1.Mahasiswa 1.Mahasiswa dapat menghitung menghitung laju korosi korosi logam di lingkunga lingkungan n air berdasarkan berdasarkan percobaan atau metode kehilangan berat dalam satuan mdd atau mpy 2. Mahasiswa dapat menghitung laju korosi logam berdasarkan elektrokimia jika diketahui rapat arus korosinya dalam satuan mdd atau mpy 3. Mahasiswa dapat menggambarkan menggambarkan polarisasi polarisasi katodik katodik dan anodik proses korosi korosi logam di lingkungan air 4. Mahasis Mahasiswa wa dapat dapat menent menentuka ukan n laju korosi korosi berdas berdasark arkan an kurve kurve polaris polarisasi asi katodi katodik k dan anodiknya 5. Mahasiswa dapat menjelaskan pengaruh oksidator atau konsentrasi berdasarkan polarisasi elektrokimianya.
3.1 Pendahuluan
Korosi adalah suatu proses elektrokimia dimana atomatom akan bereaksi dengan !at asam dan membentuk ionion positi" #kation$. %al ini akan menyebabkan timbulnya aliranaliran elektron dari suatu tempat ke tempat yang lain pada permukaan metal. &ecara garis besar korosi ada dua jenis yaitu 'korosi Internal yaitu korosi yang terjadi akibat adanya kandungan () 2 dan % 2& pada minyak bumi* sehingga apabila terjadi kontak dengan air akan membentuk asam yang merupakan orosii Ekster Eksternal nal yaitu korosi yang terjadi pada bagian permukaan dari penyebab korosi.* dan k oros
sistem perpipaan dan peralatan* baik yang kontak dengan udara bebas dan permukaan tanah* akibat adanya kandungan !at asam pada udara dari tanah.
+aju korosi adalah kecepatan rambatan atau kecepatan penurunan kualitas bahan terhadap waktu. +aju korosi pada umumnya dihitung menggunakan 2 cara yaitu metode kehilangan berat dan metode elektrokimia
3.2 Metode kehilangan berat
Metode kehilangan berat adalah perhitungan laju korosi dengan mengukur kehilangan atau kekurangan berat akibat korosi yang terjadi.Metode ini menggunakan jangka waktu penelitian atau pengkorosian
sampai mendapatkan jumlah kehilangan berat akibat korosi yang terjadi. ,ntuk
mendapatkan jumlah kehilangan berat akibat korosi digunakan rumus sebagai berikut #-ones* 12$ Mpy / #534 w$ 0 #$
#3.1$
Keterangan mpy ' mils per year * w kehilangan berat* #g$* ' densitas #g0(m 3$* ' luas permukaan spesimen #in 2$* waktu pengkorosian #jam$ Metode ini mengukur kembali berat awal dari benda uji #spesimen$ selisih berat dari pada berat awal merupakan nilai kehilangan berat. &elisih berat dikembalikan ke dalam rumus untuk mendapatkan laju kehilangan beratnya. erhirungan laju korosi logam berdasarkan metode kehilangan berat dapat juga digunakan rumus' +aju korosi #r$ / w0.t * satuan dalam mdd #mg per dm2$
#3.2$
tau +aju korosi #r$ / w0#.t.$ satuan dalam mpy #mils per year$ engan
........ #3.3$
w / selisih berat* / luas permukaan logam* dan t / waktu pengkorosian* dan /
densitas Metode ini memerlukan waktu yang lama dan suistinabl e dapat dijadikan acuan terhadap kondisi tempat objek diletakkan #dapat diketahui seberapa korosi" daerah tersebut$ juga dapat dijadikan re"erensi untuk perlakuan awal #treatment $ yang harus diterapkan pada daerah dan kondisi tempat objek tersebut.
3.3 Metode Elektrokimia
Metode elektrokimia adalah metode mengukur laju korosi dengan mengukur beda potensial objek hingga didapat laju korosi yang terjadi. Metode ini mengukur laju korosi pada saat diukur saja dengan memperkirakan laju tersebut dengan waktu yang panjang #memperkirakan walaupun hasil yang terjadi antara satu waktu dengan waktu lainnya berbeda$. Kelemahan metode ini adalah tidak dapat menggambarkan secara pasti laju korosi yang terjadi secara akurat karena hanya dapat mengukur laju korosi hanya pada waktu tertentu saja* hingga secara umur pemakaian maupun kondisi untuk dapat diperlakuan awal tidak dapat diketahui. Kelebihan metode ini adalah langsung
dapat mengetahui laju korosi pada saat diukur* hingga waktu pengukuran tidak memakan waktu yang lama. Metode elektrokimia ini meggunakan rumus berdasarkan %ukum 6araday yaitu menggunakan rumus sebagai berikut ' +aju penereasi # r$ / #r +. i.$ 0#n6$
#3.4$
engan ' r+ ' massa atom relati" logam #g0mol$* i / rapat arus #microamper0(m2 / 70(m2$* n / jumlah elektron* 6 bilangan "araday / 8599 (0:kv$* densitas #g0(m 3$ &atuan penetrasi per satuan waktu dalam mils #9*991 in$ per year # mpy$ persamaan 3.4 menjadi persamaan 3.5 +aju penetrasi #r$ / 9*12 # r+.i 0 n.$
mpy ................. #3.5$
engan * i / 70(m2 * / g0(m 3* tetapan 9*12 menjadi 3*2; mm0year * maka satuan laju penetrasi dalam mm0year. :kivalen untuk besi #6e$ dengan rapat arus #i$ / 1 70(m2 menjadi mpy dapat dirumuskan 170(m2 / 9*12 # 55*<.10 2.;*<8$ / 9*48 mpy. erhitungan laju penetrasi untuk paduan logam digunakan pengertian berat ekivalen #=:$ yang nilainya dapat dituliskan ' =: / r+0n. =erat ekivalen #=:$ paduan logam merupakan berat ekivalen ratarata untuk unsur penyususn dalam paduan. (ara menentuakan berat ekivalen paduan adalah jumlah "raksi ekivalen dari semua unsur dalam paduan* yang dinyatakan dengan rumus >e? / @ #"i.ni0ai$
#3.8$
engan * >e? / jumlah ekivalen* "i dan ai / "raksi massa* dan >e? / #10=:$ (ontoh ' suatu paduan baja dengan komposisi ' (r/1A* >i / *25A* dan 6e / ;1*;5A. Maka >e? / #9*1.3052 B 9*925.205<*; B 9*;1;5.2055*<5$ / 9*911 B 9*993 B 9*928
Metode ini menggunakan pembanding dengan meletakkan salah satu material dengan si"at korosi" yang sangat baik dengan bahan yang akan diuji hingga beda potensial yang terjadi dapat diperhatikan dengan adanya pembanding tersebut. =erikut merupakan gambar metode yang
dilakukan untuk mendapatkan hasil pada penelitian laju korosi dengan metode elektrokimia yang diuraikan di atas.
#a$
#b$
Cambar 3.1 Metode engukuran +aju enetrasi
Cambar 3.1 menunjukkan metode pengukuran laju petrasi atau laju korosi di suatu lingkungan. Cambar 3.1 a menunjukkan pengukuran potensial struktur dengan membandingkan terhadap potensial elektroda acuan #dalam dalam ini (&: / Copper Sulfate Electrode$*
Cambar 3.1b
menggunakan higt- impedance voltameter * dan 3.1 c menggunakan potensiometer.
3.4
Polarisasi Elektrokimia
olarisasi #D$ adalah perubahan potensial dari potensial kesetimbangan setengah sel #102 sel$ menyebabkan laju reaksi permukaan logam
setengah sel. ,ntuk polarisasi katodik #Dc$*
electron dipasok menuju permukaan membangun laju reaksi lambat yang menyebabkan potensial permukaan #:$ menjadi negative . Dc / : 9 E : / #negari"$ &ebaliknya polarisasi anodik #Da$* electron
dipindahkan dari permukaan logam dengan kehilangan electron secara lambat yang
menyebabkan periubahan potensial permukaan #:$ menjadi positi" . Da / : 9 E : / B #positi"$. =erdasarkan hal tersebut* polarisasi elektrokimia diklasi"ikasikan menjadi dua tipe yaitu polarisasi aktivasi dan polarisasi konsentrasi.
3.4.1 Polarisasi Akiasi
olarisasi aktivasi adalah polarisasi yang mengendalikan laju aliran muatan #electron$
sebagai
contioh reaksi setengah sel 2%B B 2e
%2
Feaksi pembebasan gas hidrogen * melalui tiga #3$ tahap utama yaitu' #a$ ion %B bereaksi dengan elektron dari logam membentuk atom hidrogen teradsorpsi #%ads$ %B Be
% ads
#b$ atom % ads bereaksi membentuk molekul %2 % ads B %ads
%2
#c$ molekul %2 bergabung membentuk gas hidrogen yang keluar dipermukaan logam n%2 B n%2
gas %2
&alah satu dari ketiga tahap reaksi dapat mengendalikan laju reaksi dan menyebabkan polarisasi aktivasi. %ubungan polarisasi aktivasi atau overpotensial #D$ dan laju reaksi dinyatakan dengan rapat arus #io$ ,ntuk polarisasi anodik
Da / Ga log ia0io
,ntuk polarisasi katodik
Dc /
Gc log ic0io
Hstilah overpotensial sering digunakan untuk polarisasi. ,ntuk polarisasi anodik adalah positi"* maka tetapan ta"el slope anodik #Ga$ juga positi". &ebaliknya polarisasi katodik adalah negati" dan tetapan ta"el slope katodik #Gc$ adalah negati". Fapat arus anodik #ia$ dan rapat arus katodik #ic$ merupakan arah yang ebrlawanan. %ubungan polarisasi aktivasi #D act$ terhadap log i adalah linier untuk kedua polarisasi anodik dan katodik* seperti ditunjukkan pada Cambar 3.2 berikut ini.
Cambar 3.2 olarisasi nodik dan Katodik
>ilai kemiringan #slope$ tetapan ta"el diasumsikan sekitar 9*1 Iolt. ,ntuk nilai D act / 9* maka i / io dan potensial elektroda setengah sel untuk reaksi reduksi 2 % B B 2e %2 oksidasi setengah sel '
%2
adalah sama dengan potensial setengah sel
untuk reaksi
2% B B 2e
+aju reaksi diukur dengan rapat arus anodik #ia$ atau rapat arus katodik #ic$ bertambah satu tingkat untuk perubahan overpotensial B 9*1 Iolt untuk polarisasi anodik dan E 9*1 Iolt untuk polarisasi katodik.dengan nilai tetaapan a"el absolut. >ilai absolut tetapan a"el biasanya antara 9*93 E 9*2 Iolt dan tidak boleh sama untuk reaksi anodik dan katodik* meskipun nilai 9*1 dan E 9*1 Iolt merupakan estimasi Ga dan Gc untuk beberapa tujuan. danya overpotensial menunjukkan adanya energi penghalang #energi aktivasi$. %ubungan JC" dan JCr untuk reaksi ke kanan dan ke kiri yang secara skematis ditunjukkan pada Cambar 3.3 berikut ini.
Cambar 3.3 iagram Feaksi Kesetimbangan
erbedaan energi aktivasi dihubungkan dengan potensial elektroda setengah sel dinyatakan dengan persamaan ' JC / n6: aehingga JC" / JCr/ JC %B0%2 / n6:9 %B0%2 %ukum distribusi MaLwell memberikan distribusi energi jenis reaksi dan memulai untuk menyatakan reaksi ke kanan #r"$ dan sebaliknta #r b$* laju reaksi merupakan "ungsi energi aktivasi Feaksi ke kanan #r"$ / k" eLp # JC" 0F$ dan
Feaksi ke kiri #r b$
/ kb eLp #JCr0F$
engan k" dan kb adalah tetapan laju reaksi ke kanan dan ke kiri. ada kondisi setimbang* laju reaksi ke kanan # r"$ / laju reaksi ke kiri #rb$ / #r+ io$ 0#n6$ sehingga Fapat arus #io$ / k" eLp #JC" 0F$ / kb eLp # JCr0F$ engan demikian menjadi jelas bahwa rapat arus pertukaran merupakan "ungsi dari energi aktivasi. -ika suatu overpotensial katodik #Dc$ diaplikasikan ke elektroda * laju reaksi pelepasan berkurang dan ionisasi naik. %al ini disertasi penurunan energi aktivasi selama reaksi pertukaran sejumlah an6D dan kenaikan reaksi ionisasi sejumlah #1 E N$an6D seperti ditunjukkan pada gambar 3.3. 6aktor N dan #1N$ merupakan "raksi Dc yang menghasilkan reaksi pelepasan dan ionisasi # ke kanan dan sebaliknya$. +aju reaksi pelepasan dalam rapat arus dinyatakan ' ic / k"eLp OJC" #1N$ n6DP0F dan laju reaksi ionisasi anodik ' ia / kb eLp OJCr #1N$n6DP0F. rus yang diaplikasikan i apl* c / icia / io eLpONn6D0F$ Eio eLpO #1N$n6D0FP i apl* a / iaic / io eLpONn6D0F$ Eio eLpO #1N$n6D0FP dengan N adalah "raksi Da dengan reaksi ionisasi anodik* maka persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi i
*c / icia / io eLpONn6Dc0F$
apl
untuk nilai Dc tinggi* maka persamaannya menjadi ' iapl*c / Gc log ic0io dengan Gc / 2*393 F 0 Nn6 dan persamaan menjadi D apl*a / Ga log ia0io ,ntuk nilai polarisasi anodik#Da$ tinggi* maka N / 9*5 * Gc atau Ga / 9*12 Iolt dan dalam pembahasan selanjutnya nilai tetapan a"el / 9*1 Iolt.
3.4.2 Polarisasi Konsentrasi
ada laju raeksi tinggi* reaksi reduksi katodik diatur dengan pelarutan elektroda yang direduksi. ro"il konsentrasi ion %B sebagai contoh* ditunjukkan secara skematis seperti gambar 3.4 berikut ini
Cambar 3.4 ro"il Konsentrasi ion % B (= adalah konsentrasi ion hidrogen #% B$ dalam larutan ruah dan Q / ketebalan gradien konsentrasi dalam larutan. otensial elektroda setengah sel #:9
%B0%2
$ dari permukaan diberikan dengan
persamaan >ernst sebagai "ungsi konsentrasi ion %B atau aktivitas ion hidrogen # a
$
%B
( %B dalam larutan dekat permukaan dikendalikan oleh polarisasi konsentrasi : %B0%2 / :9 %B0%2 E 2*393 F0n6 log #a
$0p%2
%B
%al ini nampak bahwa potensial elektroda #:$ turun sebagai #%B$ di permukaan logam. erupahan potensial akibat polarisasi konsentrasi #D(onc$ yang diberikan sebagai "ungsi rapat arus D (onc / 2.393 F0n6 log # 1 ia0i +$ engan mengalurkan polarisasi konsentrasi #D (onc$ terhadap log i menunjukkan bahwa D (onc sampai rapat arus batas #i+$ seperti ditunjukkan pada gambar 3.5 berikut ini.
Cambar 3.5 Kurva a"el di"usi oksigen maksiumum di permukaan logam
Fapat arus batas #i+$ adalah pengukuran laju reaksi maksimum tanpa kecuali karena laju di"usi maksimum ion %B dalam larutan. Fapat arus batas #i+$ dapat dihitung menurut persamaan
i+ / !.n6( = 0 Q dengan * ! adalah di"usivitas !at yang bereaksi #% B$ * i+ bertambah dengan konsentrasi larutan lebih tinggi #(=$* suhu lebih tinggi. ! dapat dinaikkan dengan agitasi atau pengadukan larutan* dan jarak Q berkurang seperti ditunjukkan pada gambar 3.8
Cambar 3.8 engaruh gitasi Is i+
,ntuk proses korosi* poalrisasi konsentrasi adalah signi"ikasn dengan proses reduksi katodik dan polarisasi konsentrasi untuk reaksi anodik diabaikan karena pemasukan atom logam tidak dibatasi pada daerah antar muka logam.
3.4.3 Polarisasi Kombinasi
olarisasi katodik total #D($ adalah jumlah polarisasi aktivasi dan konsentrasi olarisasi katodik total #D($ / Dact B D(onc Rang dapat dikembangkan untuk olarisasi katodik total #D($ / Gc log ic0io B 2*3F0n6 log #1 ic0i+$ olarisasi konsentrasi biasanya tanpa polarisasi konsentrasi anodik dari pelarutan logam* sehingga polarisasi anodik #Da$ / Ga log i a0io
3.! Teori Potensial "abungan
rinsip konversi muatan diperlukan aplikasi dari polarisasi gabungan dari polarisasi anodik untuk sejumlah reaksi setengah sel yang berlangsung secara simultan pada hantaran permukaan. +aju total oksidasi harus sama dengan laju total reaksi yang merupakan jumlah arus oksidasi anodik harus sama dengan jumlah arus reduksi katodik. %al ini dinyatkan bahaya bila terjadi akumulasi muatan di elektroda. Feaksi anodik korosi logam dinyatakan dalam bentuk ' M
M nB B ne
Feaksi katodik adalah jumlah disngkat sebagai 1$
embebasan gas hidrogen dari larutan asam atau netral 2% B B 2e 2%2) B 2e
2$
%2
%2 B 2)%
Feduksi oksigen terlarut dalam larutan asam atau netral )2 B 4 %B B 4e )2 B %2) B 4e
3$
2 %2)
4 )%
Feduksi oksidator terlarut dalam larutan ' 6e 3B Be
6e 2B
3.!.1 Potensial Elektroda dan #a$at Arus
-ika logam seng #Sn$ mengalami korosi dalam larutan asam* sesuai reaksi nodik
Sn
Katodik
2% B B 2e
Sn 2B B 2e %2
Kedua reaksi ini berlangsung secara simultan di permukaan logam seng. olarisasi reaksi anodik dan katodik di permukaan logam adalah sama.
otensial elektroda
setengah sel berubah* menurut persamaan oalarisasi anodik #Da$ / Ga log ia0io dan Dc / Gc log ic0io sampai
potensialnya
adalah
sama
dengan potensial korosi #: cor$ seperti ditunjukkan pada Cambar 3.; berikut.
Cambar 3.; otensial Korosi
ersamaan polarisasi katodik diasumsikan bahwa polarisasi konsentrasi adalah tidak ada. %ubungan Da dan Dc untuk polarisasi akrivasi reaksi Sn
Sn 2B B 2e dan 2%B B2e
%2
adalah linier pada
gra"ik semilog # Cambar 3.;$. >ilai ratarata Ga dan Gc diestimasikan pada 9*1 Iolt dan 9*1Iolt.
ada : cor laju reaksi anodik dan aktodk adalah sama. +aju pelarutan anodik* ia adalah identik dengan laju korosi icor yang merupakan rapat arus pertukaran. Fapat arus anodik #ia $ / ic / icor
3.!.2. Pengaruh #a$at Arus Pertukaran
Fapat arus pertukaran setiap reaksi setengah sel sering berlebihan daya dorong termodinamik dalam penentuan laju reaksi. &ebagai contoh* potensial gabungan korosi logam besi dalam larutan asam. rosilnya adalah sama dengan untuk prosil korosi logam seng #Sn$. %al ini disebabkan potensial elektroda setengah sel :
* untuk reaksi anodik besi. 6e 6e
6e2B06e
2B
B 2e * laju korosi dinyatakan
lebih rendah daripada korosi Sn* yang potensial elektroda setengah sel adalah lebih akti" # 9*;8 Iolt$ iagram polarisasi untuk Sn dan 6e ditunjukkan pada Cambar 3.< berikut ini.
Cambar 3.< iagram olarisasi Sn dan 6e
Cambar 3.< menunjukkan secara nyata bahwa potensial elektroda Sn adalah lebih rendah daripada 6e sebab rapat arus pertukaran untuk reduksi hidrogen pada Sn dibandingkan untuk besi #6e$ dan secara komparati" rapat arus pertukaran pelarutan Sn dan 6e ditnjukkan pada Cambar 3.<.
3.!.3
Pengaruh Penambahan %ksidator
aya dorong korosi bertambah dengan penambahan oksidator kuat. &uatu sistem redoks dengan potensial elektroda setengah sel lebih mulia daripada yang lain. enambahan garam "erri"erro untuk suatu logam M terkorosi dalam larutan asam.&ebagai contoh* industri asam dikontaminasi dengan garam "erri"erro dan pengotor kationik lain ditambah dengan korosi yang terjadi selama proses tidak diganti.
=erdasarkan pengamatan pada korosi besi mengahsilkan penambahan oksidator ke dalam larutan asam
potensial korosi #:cor$ aman dengan nilai potensial lebih positi"
laju korosi bertambah
laju pembebasan gas dikurangi
=erdasarkan analisis potensial gabungan * dengan adanya dua oksidator secara simulatan terjadi reaksi' 2%B B 2e %2 dan 6e
3B
B e 6e
2B
# : 9 / 9*;; Iolt$. >ilai rapat arus #i$ untuk setiap
reaksi di lokasi pada potensial setengah sel dengan tetapan a"el diestimasi 9.1 Iolt.
3.!.4
Pengaruh Polarisasi Konsentrasi
=ila konsentrasi oksidator adalah rendah seperti dinyatakan dengan penurunan ( = dalam persamaan'
i+ / !.n6(=0Q
=erdasarkan persamaan polarisasi aktivasi dan konsentrasi memberikan kontribusi dalam polarisasi katodik. -ika rapat arus reduksi mendekati i+ maka polarisasi konsentrasi terjadi penyimpangan dan laju korosi menjadi dibatasi oleh di"usivitas oksidator dari nlarutan ruah. ada polarisasi katodik rendah* proses reduksi dikendalikan oleh aktivasi tetapi pada polarisasi tinggi dikendalikan oleh di"usi atau konsentrasi. &ebagai contoh* korosi logam dikendalikan oleh polarisasi konsentrasi adalam besi atau baja dalam larutan garam encer teraerasi #air laut$. roses katodik adalah reduksi oksigen terlarut menurut reaksi )2 B 2%2) B 4 e
4 )% E
Kelarutan maksimum oksigen terlarut dalam air adalah realti" rendah* sekitar < ppm pada suhu ambient. alam kondisi ini* korosi dikendalikan oleh di"usi oksigen terlarut menuju permukaan logam besi. Meskipun berikut ini
Cambar 3. engaruh engadukan terhadap i+
-ika i+ menjadi besar daripada laju oksidasi anodik atau rapat barus #io$* laju korosi logam icor* bertambah sesuai dengan laju pengadukan lihat gambar 3. dan tetapi bila di tingkat lebih tinggi atau i+ T io* maka reaksi reduksi menjadi dikendalikan oleh polatisasi aktivasi.
3.&
Penentuan Polarisasi hasil Per'obaan
=erikut adalah contoh kurva polarisasi anodik dan katodik hasil percobaan dari hasil pengukuran potensiostat.
