Blog Ko Buijs: De zuurgraad in relatie tot mogelijke corrosie van metalen
De zuurgraad van een waterige oplossing wordt veelal aangeduid met de term pH. Waar die eenheid van afgeleid is, weet men niet precies maar het lijkt aannemelijk dat dit komt van de Latijnse uitdrukking “potentia Hydrogenium”.
Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV
Deze waarde wordt gedefinieerd als de negatieve logaritme van de concentratie waterstof (H+) ionen. Bij een pH-waarde van 3 bevat het water 10-3 mol/liter waterstofionen. Bij neutraal water is de pH-waarde c.q. de zuurgraad 7 en een lagere waarde betekent dat het milieu zuur van aard is. Omdat de schaal logaritmisch is, kan gesteld worden dat een oplossing met een zuurgraad van pH 6 (10-6 H+) tien keer zo zuur als neutraal water. Zodra een zuur in water komt, komen er positieve waterstofionen (H+) vrij. Des te meer van deze ionen aanwezig zijn des te zuurder de oplossing wordt en dat betekent een steeds lagere pH. Wanneer echter een base in water komt dan ontstaan er OH- ionen waardoor het water juist minder zuur wordt. Zoutzuur (HCl) opgelost in water geeft onmiddellijk positieve waterstofionen (H+) en negatieve (Cl-) chloorionen. Basen lossen ook op in water en splitsen zich in het negatieve hydroxide (OH-) en positieve (Na+) natriumionen. De zuurgraad van een waterige oplossing is op verschillende manieren te meten. Een zeer bekende methode is de kleurverandering die m.b.v. lakmoespapier kan worden waargenomen. Hiermee kan men zien of een oplossing zuur of basisch is want in een zure oplossing wordt de stof rood en in een basische oplossing wordt dit blauw.
Daarnaast zijn er ook pH-elektroden op de markt die nauwkeurig de zuurgraad kunnen meten. Een hogere waarde van deze zuurgraad d.w.z. een pH-waarde van 7 tot 14 betekent dat men met een basisch milieu van doen heeft. De zuurgraad van een oplossing heeft invloed op de uiteindelijke corrosiegevoeligheid van een metaal. Een hoge pH doet het risico van lokale corrosie afnemen zodat zelfs bij een pH boven de 12 dit risico praktisch te verwaarlozen is. Een pH-waarde van 6-9 geeft voor de meeste materialen in het algemeen weinig problemen. Voor koolstofstaal is een waarde van 8-9 ideaal en bij afwezigheid van zuurstof treedt normaal gesproken geen corrosie op. Bij aluminium mag het milieu niet te basisch zijn. Vaak wordt dit over het hoofd gezien wat in de praktijk problemen kan geven bij reinigings- en desinfectieprocedures omdat de middelen die hierbij worden gebruikt vaak basisch van aard zijn. Vanaf een pH-waarde van ongeveer 4-5 kan de kathodische deelreactie 2H+ + 2e → H2 meespelen. Bij sterke zuren is deze reactie de motor achter de corrosieprocessen. Indien men een stalen spijker in 10% salpeterzuur legt dan ziet men hoe snel deze oplost onder ontwikkeling van waterstofgas. Een interessant praktijkgeval is de corrosiviteit van tomaten. Tomaten zijn namelijk behoorlijk zuur en hebben een pH van 4,5. Bedrijven die tomaten verwerken tot bijvoorbeeld tomatenketchup ervaren dan ook een relatief hoge corrosieve belasting van hun apparatuur. De reden is dat de invloed van de kathodische deelreactie zich hier laat gelden zoals hierboven beschreven.
Dat houdt dan gelijk weer in dat de anodische deelreactie wordt gestimuleerd. De anodische reactie is de oxidatie van metaalatomen tot metaalionen die daarbij in oplossing gaan waardoor er elektronen worden geproduceerd die in het metaal achterblijven (bijvoorbeeld Fe → Fe2+ + 2e-). De ontstane elektronen worden benut voor de kathodische reactie. Het resultaat is echter aantasting van het metaal en dat moet normaal gesproken voorkomen worden. Bij sterke reducerende zuren zoals zout- en zwavelzuur wordt de zuurgraad zo laag dat zelfs roestvast staal daar niet tegen bestand is. De beschermende oxidehuid kan dan zelfs dissociëren waardoor het materiaal versneld in oplossing gaat. Het materiaal is namelijk door de ontstane reductie zijn passieve huid kwijtgeraakt. Men zal dan andere metalen of legeringen moeten toepassen om dit probleem op te lossen. Dat betekent veelal kiezen voor hoogwaardige nikkellegeringen die daar speciaal voor ontwikkeld zijn.