Jurnal Gradien Vol. 2 No. 2 Juli 2006 : 161-166
Kecepatan Korosi Oleh 3 Bahan Oksidan Pada Plat Besi Zul Bahrum Caniago Jurusan Fisika, Fakul tas Matematika d an Ilmu Pengetahuan Alam, Univ ersitas Bengkulu, Indonesi a
Diterima 25 Juni 2006: disetujui 1 Juli 2006
Abstrak - Telah dilakukan penelitian untuk menentukan kecepatan korosi yang disebabkan oleh tiga bahan oksidan yaitu air, asam dan garam terhadap logam (plat besi). Waktu pengamatan dilakukan secara berselang, yakni t = = 0, 5 ,10, 15, 20 dan 25 hari. Dengan menggunakan sinar Gamma (γ (γ) yang dihasilkan dari sumber Cobalt (Co-60) yang diradiasikan pada plat logam, kemudian radiasi sinar γ dideteksi oleh tabung Geiger Muller. Intensitas Intensitas cacahan menunjukkan daya tembus sinar γ semakin tinggi pada logam yang teroksidasi dengan waktu yang lebih lama. Hal ini memberi arti terjadi kerenggangan molekul besi, kerenggangan tersebut akibat proses oksidasi (korosi). Hasil penelitian menunjukkan bahwa daya serap sinar γ dalam material merupakan fungsi eksponensial terhadap waktu. Kecepatan korosi yang didapatkan adalah untuk asam sulfat = - 0.0056 dB/hari, garam = - 0.0053 dB/hari, dan air = 0.0047 dB/hari.
Kata Kunci: Kunci: Korosi; Oksidan; Sinar γ dapat
1. Pendahuluan
menurunkan
kualitas
dan
kekuatannya.
Kecepatan korosi pada suatu bahan, dipengaruhi oleh Secara teoritis ilmu tentang nuklir,
relatif tidak
kelembaban udara dan kadar garam atau asam,
mengalami perkembangan seperti ilmu pengetahuan
sehingga daerah pinggir pantai memiliki peluang yang
yang lain, karena masih banyak fenomena nuklir yang
sangat besar terjadinya korosi. Korosi terjadi dimulai
belum dapat dijelaskan secara tuntas. Namun dari segi
dari permukaan logam yang terbuka dan menyebar ke
pemanfaatan,
teknologi
banyak
bagian lain sesuai dengan fungsi waktu. Bagian yang
dimanfaatkan
dalam
misalnya
terkena korosi mengalami perubahan susunan molekul
kedokteran, bidang rekayasa dan konstruksi, material.
karena terjadinya ikatan kimiawi antara atom logam
Pada bidang konstruksi bangunan,
dengan oksigen.
nuklir
berbagai
telah bidang,
teknologi nuklir nuklir
dimanfatkan misalnya, untuk memantau keretakan pada bangunan dan kecepatan korosi pada logam.
Sinar γ dengan sifat gelombang elektromagnetik dan memiliki daya tembus kuat, dapat digunakan untuk
Korosi atau oksidasi dapat menyebabkan turunnya
mendeteksi tingkat korosi yang terjadi pada logam,
kualitas dan kekuatan dari suatu bahan. Untuk
yakni dengan teknik penyinaran pada bagian yang
menghindari kerugian yang lebih besar, perlu tindakan
terkena korosi.
preventif dengan cara mengawasi proses
korosi
korosi akan terjadi perubahan kerapatan logam,
secara dini. Pengawasan korosi dapat digunakan radiasi
sehingga terjadi perubahan daya serap antara yang
sinar γ, yakni
terkena korosi dengan yang tidak terkena korosi.
dengan menyinari bahan yang
mengalami korosi dengan
Pada
bagian logam yang terkena
Sinar γ, kemudian akan
Perbedaan daya serap sinar γ pada bahan yang terkena
dapat diketahui tingkat atau kelajuan proses korosi
korosi ini akan memberikan informasi tingkat korosi
pada bahan yang diawasi tersebut untuk selanjutnya
yang terjadi pada logam [5].
dapat diprediksi tingkat kerusakan [4]. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kecepatan Logam adalah bahan yang banyak digunakan untuk
tingkat korosi dari suatu bahan yang disebabkan oleh
berbagai keperluan. Dalam udara terbuka logam mudah
3(tiga ) jenis bahan oksidan (garam, udara, asam).
teroksidasi yang menimbulkan korosi/ karat, sehingga
Penelitian
ini
dimaksudkan
untuk
memberikan
Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : 161-166
162
kontribusi kepada Iptek dalam salah satu pemanfaatan teknologi nuklir. Sedangkan manfaat, dapat ditunjukan
Proses pancaran inti dari keadaan teruja ke keadaan
manfaat sinar γ untuk mengukur tingkat korosi logam
dasar disebut proses deexitasi. Deeksitasi suatu anak
secara dini untuk diambil tindakan yang diperlukan
luruh memiliki energi yang merupakan selisih antara
untuk mengatasi kerugian yang lebih besar pada suatu
tingkat teruja dan tingkat dasar.
sistem kontuksi besi. 1.2. Interaksi Sinar γ Dengan Materi 1.1. Sifat Fisika Sinar γ.
Seperti halnya atom, maka sebuah inti dapat berada Sinar γ adalah radiasi elektomagnetik dengan daya -7
dalam kedaan ikat yang energinya lebih tinggi daripada
-11
keadaan dasar. Jika inti yang tereksitasi ini kembali ke
cm. Sinar γ dipancarkan dari inti atom yang tidak
keadaan dasar, maka inti tersebut akan memancarkan
stabil (radioaktif)
atau pada inti dalam keadaan
sinar γ. Sinar γ ini memiliki energi yang bersesuaian
tereksitasi (excited state), kemudian sinar γ terpancar
dengan perbedaan energi antara berbagai keadaan awal
ke keadaan dasar dengan jalan memancarkan radiasi
dan keadaan akhir dalam transisi yang bersangkutan.
elektromagnetik yang disebut sebagai Sinar γ. Dengan
Dengan kata lain sinar γ ini memiliki energi yang sama
kata lain, jika suatu inti berada dalam keadaan
dengan selisih antara tingkat-tingkat energi tersebut.
tereksitasi namun karena ketakstabilan dari keadaan
Sinar γ merupakan sinar elektromagnetik, tidak
tereksitasi, inti tersebut akan berpinduh ke keadaan
bermassa dan tidak bermuatan. Kondisi inilah yang
stabil, inti tersebut akan memancarkan sinar γ. Sinar γ
menyebabkan sinar γ memiliki daya tembus material
sama seperti radiasi sinar elektromagnetik lainnya biasa
yang cukup tinggi atau memiliki daya ionisasi yang
dipandang sebagai paket-paket energi yang disebut
kecil.
tembus tinggi dengan panjang gelombang 10 - 10
foton (γ). Massa dan muatan suatu inti yang memancarkan sinar γ tidak berubah.
1.3. Penyerapan Sinar γ [1]
Sinar γ ini memiliki energi yang sama dengan selisih
Tiga cara utama Sinar-X atau Sinar γ dapat kehilangan
antara tingkat-tingkat energi tersebut. Sebagai contoh
energinya
tinjau peluruhan
60
60
Co27 menjadi Ni28 melalui emisi
ketika
melewati
materi,
yaitu
Efek
fotolistrik, Hamburan compton, dan Produksi p asangan.
partikel beta. 60
Co 27 → 60 Ni 28 + β + 0
Efek Fotolistrik [1]- Yaitu gejala terlepasnya electron
Dimana 0 (neutrino) adalah zarah elementer yang
logam
akibat
logam
tersebut
mempunyai massa hampir sama dengan nol dan tidak
elektromagnetik. Elektron dapat terlepas dari logam
bennuatan listrik sehingga sangat sukar dibuktikan
karena ia menyerap energi dari radiasi tersebut.
keberadaannya. 60 Ni28 yang dalam keadaan teruja ini
Besamya energi kinetik elektron yang terlepas
mempunyai energi sebesar 2,5057 Mev. Dia akan
E k = hf − hf o
meluruh dengan memancarkan dua sinar γ.
E k = hf − W
dijatuhi
radiasi
Dimana W sering disebut fungsi kerja atau energi ambang. Hamburan Compton [1] - Gejala Compton adalah
gejala dimana sinar-X atau sinar γ yang menumbuk electron dihamburkan dengan panjang gelombang yang lebih besar. Menurut teori kuantum cahaya, foton berlaku sebagai partikel, hanya proton tidak memiliki massa diam. Foton sinar γ menumbuk electron yang Gambar 1. Skema pancaran γ dari peluruhan [ 1][3]
mula-mula diam terhadap sistem koordinat dan
163
Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : 161-166
kemudian mengalami hamburan dari arahnya semula,
1.4. Proses pengkorosian pada plat Besi
sedangkan elektronnya menerima impulse dan mulai bergerak. Dalam tumbukan ini foton dapat dipandang
Pada proses pengkorosian besi,
sebagai partikel yang kehilangan sejumlah energi
adalah terjadi reduksi oksigen pada molekul asam oleh
kinetik K yang diterima oleh electron, walaupun
molekul logam. Mekanisme korosi lebih lanjut dapat
sebenamya kita mengamati dua foton yang berbeda.
dijelaskan sebagai berikut : Pada permukaan logam
Jika foton semula mempunyai frekuensi δ, maka foton
yang bersentuhan langsung dengan oksidan dapat
terhambur mempunyai frekuensi yang lebih rendah δ'
dipandang sebagai anoda, pada bagian ini terjadi
sehingga terjadi kehilangan energi sebesar
reaksi:
K = hδ − hδ '
penyebab utamanya
Fe(s ) → Fe(2aq+ ) + 2e
Elektron yang dihasilkan melakukan pertukaran dengan Produksi Pasangan [1] - Ketika foton melewati dekat
oksigen, atau mengalami reduksi :
inti dimungkinkan terjadinya electron dan positron (elektron
bermuatan
positif),
dimana
jumlahan
keduanya menghasilkan muatan yaitu nol. Dalam semua kasus baik efek fotolistrik, efek Compton dan produksi pasangan energi foton ditransfer pada elec tron yang diikuti dengan kehilangan energi terutama disebabkan oleh proses oksidasi atau ionisasi. Pada energi
foton
rendah
efek
fotolistrik
merupakan
mekanisme utama dari. kehilangan energi. Pentingnya efek fotolistrik dengan bertambahnya energi diganti dengan hamburan Compton, lebih besar nomor atomic
+
O 2 (g ) + 4H (aq ) + 4e → 2H 2O( l )
Dari proses reaksi di atas, ion H + berperan sebagai pereduksi oksigen. Makin besar kosentrasi H+ (makin asam) reaksi berlangsung semakin cepat. Sebaliknya makin kecil kosentrasi ion H + (makin basa) reaksi berlangsung semakin lambat. Besi tidak terkorosi pada Fe2+ yang terbentuk pada anoda
pH > 9. Ion
mengalami oksidasi berlanjut membentuk Fe3+ yang selanjutnya membentuk senyawa oksidasi terhidrasi, Fe203 x H2O, yang disebut sebagai korosi besi. 2+
4Fe(aq ) + O 2 (g ) + 4H 2O(l )
penyerapannya lebih tinggi pula energi ketika efek
+
fotolistrik memegang peranan penting. Dalam unsur
2Fe2O3x − H 2O(s ) + 8H (aq )
ringan hamburan Compton berperan utama pada energi
Katoda adalah bagian yang mendapat banyak suplai
foton, beberapa puluh KeV, sedangkan pada unsur
oksigen, sehingga korosi terjadi pada bagian ini. Pada
berat peran utama pada energi hampi r 1 MeV. Produksi
proses pengkorosian besi bisa dilakukan secara alamiah
pasangan peluangnya meningkat lebih besar energinya
atau secara buatan. Secara alamiah, bila oksigen yang
dari energi ambang 1,02 MeV, lebih besar nomor
terdapat dalam udara dapat bersentuhan dengan
atomik penyerapannya. Intensitas I dari berkas sinar γ
permukaan logam besi yang lembab, kemungkinan
dari laju transpor energi per satuan luas penampang
terjadinya korosi lebih besar. Korosi terutama terjadi
dari berkas itu. Energi fraksional yang hilang dari
pada bagian sel yang kekurangan oksigen. Gejala ini
berkas ketika melalui penyerapan setebal dx adalah :
dapat
−
dI I
= µ dx
Konstanta pembanding µ disebut koefisien Alennasi
dijelaskan
reaksi-reaksi
pada
permukaan katoda yang memerlukan elektron. Reaksi katoda hanya dapat terjadi bila ada oksigen, dapat dilihat, seperti dibawah ini: −
2(H 2 O ) + O 2 + 4e ↔ 4(OH )
linier dan harganya bergantung dari energi foton dan sifat material penyerap. Integrasi persamaan itu adalah
I = I 0 e
berdasarkan
−
(Pembentukan Hidroksil)
µ x
Jadi Intensitas radiasi menurun secara eksponensial
Disamping itu dari reaksi katoda ini memerlukan
terhadap tebal penyerap. Hubungan antara tebal
elektron dan logam daerah disekitarnya yang kurang
penyerap x dengan rasio I o/ I adalah
oksigen harus menyerahkan elektron-elektronya. Jadi
I I 0
ln x =
µ
dapat
dsimpulkan
oksigennya
menjadi
bahwa anoda.
daerah
yang
Set
oksidasi
kurang akan
mempercepat korosi didaerah dimana konsentrasi
Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : 161-166
164
oksigen lebih rendah. Besi mempunyai potensial
sesudah melewati sampel ( I ) kemudian mengihtung
elektroda φ sebesar -0,44 volt. Agar terjadi rekasi
daya serapnya masing-masing. Untuk menentukan daya
anoda:
serap ( A) adalah
(OH )− Fe → Fe 3+ + 3e −
(Reaksi anoda)
A = log
Hal ini disebabkan karena Fe harus melepaskan ketiga
I
(1)
I 0
elektronnya agar berlangsung reaksi katoda sehingga
I adalah Intensitas sinar γ setelah melewati bahan
terjadi ion Fe3+.
(cacah/menit) dan Io adalah Intensitas sinar γ sebelum bahan terkorosi (cacah/menit)
Bila kita lakukan reaksi: 6H 2 0 + 3O 2 + 2e − → 12(OH )
−
Kecepatan korosi adalah:
(Reaksi katoda)
v=
Sehingga akan terjadi kesetaraan reaksi sebagai berikut: −
−
+
3 4Fe + 6H 2 0 + 3O 2 + 12e → 4Fe + 12(OH ) + 12e
−
4Fe + 6H 2 0 + 3O 2 → 4Fe(OH )3
(2)
3. Hasil Dan Pembahasan
Bila reaksi terjadi dalam aair yang diperkaya dengan oksigen akan didapat hasil korosi
d I log dt I 0
yang tidak larut
dalam air dan akan mengendap yang selanjutnya disebut karat.
Hasil pengukuran rata-rata intensitas sinar γ yang melewati plat besi pada berbagai medium korosi dengan 3 jenis oksidan ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1. Intensitas sinar γ yang melewati plat
2. Metode Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium Fisika Eksperimen Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan
Alam.
Dalam
penelitian
ini
digunakan metode eksperimen, bahan yang digunakan adalah plat besi. Plat besi tersebut dipotong dengan ukuran yang sama. Kemudian dikorosikan pada media korosi (oksidan) yaitu air (H 2O), asam sulfat (H 2S04),
Hasil penelitian menunjukkan bahwa korosi terbesar
dan air garam (NaCl).
terjadi pada plat besi dengan oksidan asam sulfat (H2SO4) dan terkecil terjadi dengan oksidan air(H 2O)
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah
Dari tabel 1,
perangkat alat pendeteksi Tabung Geiger Muller,
intensitas meningkat dari 278,8 (waktu korosi 5 hari)
Sumber radiasi sinar γ (Co-60), dan Digit Counter.
menjadi 293,9 (waktu korosi 25 hari). Sedangkan
Lempengan besi dengan ukuran (2x3 cm, ketebalan 3
oksidan
mm) diletakkan diatas gelas yang berisi media yang
intensitasnya meningkat dari 281,1 (waktu korosi 5
berbeda-beda disusun dalam sebuah kotak kayu yang
hari) menjadi 295,1 (waktu korosi 25 hari). Demikian
terlebih dahulu dibasahi dengan
untuk oksidan
oksidan.
Sebagai
untuk oksidan
dengan
larutan
H2O,
NaCl
,
nilai rata-rata
nilai
rata-rata
H2S04, peningkatan nilai rata-rata
sampel pengontrol adalah logam yang bebas korosi,
intensitas dimulai dari 286,8 (waktu korosi 5 hari) dan
yang diukur intsnsitas sinar γ sebelum dan sesudah
berakhir 300.7 (wakt korosi 25 hari). Peningkatan
melewati sampel dan dihitung daya serap sinar γ pada
instensitas sinar γ yang menembus pada bahan
plat besi tersebut dinyatakan sebagai data Ao.
bersesuaian dengan semakin lamanya waktu oksidasi,
Sedangkan sampel uji, digunakan plat besi yang telah
dengan demikian oksidasi meyebabkan kerenggangan
mengalami korosi dengan waktu pengoksidasian yang
molekul besi sehingga sinar γ berpeluang lolos.
berbeda, yaitu: ± 5 hari, 10 hari, 15 hari, 20 hari, dan 25 hari. Data yang diambil sama dengan data pada
Perbandingan karakteristik bahan (hubungan Intensitas
sampel kontrol yaitu intensitas sinar γ sebelum ( I o) dan
dengan lama korosi) yang mengalami korosi dengan 3
165
Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : 161-166
jenis oksidan dapat dilihat pada gambar 2 berikut : Dari kurva yang diperlihatkan pada gambar 3, maka diperoleh linearisasi daya serap sebagai berikut : H2O
= - 0.0056 t + 0.4404
NaCl = - 0.0053 t + 0.4363 H2SO4 = - 0.0047 t + 0.4257 Dengan menggunakan persamaan (2) maka diperoleh kecepatan korosi v sebagai berikut : Asam sulfat = - 0.0056 dB/hari Garam
= - 0.0053 dB/hari
Air
= - 0.0047 dB/hari
Gambar 2. Karakteristik bahan yang mengalami korosi
4. Kesimpulan
Dari gambar 1 terlihat bahwa semakin lama besi
Besi mengalami korosi terbesar (kecepatan tingkat
terkorosi maka intensitas sinar γ yang melewati plat
korosinya paling besar) berturut-turut dengan oksidan
besi mengalami kenaikan. Dampaknya adalah intensitas
H2S04 kecepatan korosi rata-rata 0,00198 dB/hari,
sinar γ yang diserap oleh plat besi mengalami
NaCI kecepatan korosi rata-ratanya 0,00165 dB/hari
penurunan yang bersesuaian dengan l ama proses korosi
dan HzO kecepatan kurosi rata-ratanya 0,00157
yang dialami. Semakin tinggi intensitas sinar γ yang
dB/hari.
melewati plat besi, maka semakin kecil intensitas yang diserap oleh plat besi.
Intensitas sinar γ paling banyak melewati plat besi dengan oksidan H2S04 dengan interval 286,8 sampai
Hasil penyerapan intensitas sinar γ ( A) oleh plat besi di
300,7.
tunjukan pada tabel 2. Dan grafik daya serap dilihatkan Plat besi yang mengalami korosi mudah ditembus oleh
oleh gambar 3. Tabel 2. Daya Serap
sinar γ dengan arti lain daya serap rendah. Plat besi yang tingkat korosinya kecil mampu menyerap intensitas sinar γ dengan cepat Penentuan kualitas material logam dapat dilakukan dengan menembakkan sinar
γ
pada logam itu, bila
intensitas sinar γ banyak melewati logam (sedikit yang diserap oleh logam) maka dapat diartikan kualitas logam relatif rendah. Maka disarankan untuk menguji kualitas material bangunan dapat memanfaatkan sinar γ yang ditembakan pada material tersebut. Daftar Pustaka [1] Arthur Beiser The Houw Liong, Concepts Of Modern Physics , 1981, MC Graw-Hill, INC.
[2] Kenneth S. Krane, Modern Physics, 1992, Department Of Physics, Oregon State University. [3] Kenneth S. Krane, Introductory Nuclear Physics, 1988, Gambar 3. Daya serap
Oregen State University.
Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : 161-166
[4] Lawrenceh. Van Vlack, Elements Of Materials Science and engineering , 1985, University Of Michigan, USA.
[5] M. Ridwan, M.Sc, Ph. D, dkk, Pengantar Ilmu Pengetahuan d an teknologi nu klir , 1978, Jakarta.
166
