5. korosi dan pencegahannyaebook.itenas.ac.id/repository/22e46c1f7415da750402d06d436a30a2.pdfcontoh...
TRANSCRIPT
105
5. KOROSI DAN PENCEGAHANNYA
5-1 Pendahuluan
Atmosfer, air, dan tanah adalah lingkungan alam dimana logam dan obyek logam dapat
berinteraksi dan mengalami perubahan. Pada kondisi ini, logam-logam tertentu akan
mengalami kerusakan apabila mengalami serangan kimia, sedangkan beberapa logam lain
tidak. Sebagai contoh, dengan adanya udara dan air, besi akan berkarat (gambar a) dan
peralatan dari perak akan mengalami noda (bercak-bercak) (gambar b). Sedangkan logam
mulia seperti emas dan platina tidak mengalami reaksi dengan lingkungan.
(gambar a) (gambar b)
Korosi adalah kerusakan atau degradasi logam akibat reaksi reduksi oksidasi (redoks)
antara suatu logam dengan berbagai zat di lingkungannya, yang menghasilkan senyawa-
senyawa yang tidak dikehendaki. Dalam bahasa sehari-hari, korosi disebut perkaratan.
Contoh korosi yang paling lazim adalah perkaratan besi. Pada peristiwa korosi, logam
mengalami reaksi oksidasi, sedangkan oksigen (udara) mengalami reaksi reduksi. Karat
logam umumnya berupa oksida atau karbonat. Rumus kimia karat besi adalah Fe2O3.nH2O,
suatu zat padat yang berwarna coklat-merah.
Korosi merupakan proses kimia (pada korosi kering) atau proses elektrokimia (pada korosi
basah). Pada korosi besi, bagian tertentu dari besi itu berlaku sebagai anoda, di mana besi
mengalami oksidasi.
Fe(p) Fe2+(aq) + 2e–
106
Elektron yang dibebaskan di anoda mengalir ke bagian lain dari besi itu yang bertindak
sebagai anoda, di mana oksigen tereduksi.
O2(g) + 4H+(aq) + 4e –
2H2O(c)atau
O2(g) + 2H2O(l) + 4e – 4OH–
(aq)
Ion besi (II) yang terbentuk pada anoda selanjutnya teroksidasi membentuk ion besi(III) yang
kemudian membentuk senyawa oksida terhidrasi, yaitu karat besi. Mengenai bagian mana
dari besi itu yang bertindak sebagai anoda dan bagian mana yang bertindak sebagai katoda,
bergantung pada berbagai faktor, misalnya zat pengotor atau perbedaan kerapatan muatan
listrik dari logam itu. Penyebab utama terjadinya korosi besi adalah adanya oksigen di udara
dan air.
Besi tidak akan berkarat di udara kering atau di air yang bebas dari oksigen. Jadi baik oksigen
maupun air merupakan senyawa yang penting dalam korosi. Proses korosi ini juga
dipercepat oleh adanya asam dan elektrolit, kontak dengan logam yang lebih tidak reaktif
seperti tembaga (Cu), dan karat itu sendiri.
Kecepatan korosi sangat tergantung pada banyak faktor, seperti terbentuk atau tidaknya
lapisan oksida, karena lapisan oksida dapat menghalangi terjadinya proses korosi lebih lanjut,
dibandingkan dengan bila tidak ada lapisan oksida. Hasil reaksi korosi yang berbentuk oksida
akan menutupi permukaan logam, apabila lapisan oksida tersebut menghalangi kontak logam
lebih lanjut dengan lingkungannya, seperti oksida dari Al, Cr, Ni, dan Zn, maka lapisan
oksida akan menghambat proses korosi. Akan tetapi, apabila lapisan oksida berpori-pori,
107
seperti oksida logam alkali dan logam alkali tanah, atau mudah mengelupas, seperti oksida
Mo (MoO3) di atas logam Mo, maka korosi akan berlanjut. Logam digunakan secara luas
sebagai material untuk struktur, oleh karena itu, lingkungan yang memicu korosi seperti
peningkatan polusi udara dan air, memerlukan cara untuk melindungi material struktur
tersebut. Untuk itu, diperlukan pemahaman yang baik tentang mekanisme dari proses korosi.
Korosi adalah masalah ekonomi yang serius, sekitar 15% dari produksi besi tahunan
digunakan untuk mengganti besi yang tidak dapat digunakan lagi karena korosi. Korosi dapat
menyerang hanya bagian luar saja dan benda logam masih dapat berfungsi, akan tetapi karat
yang ada akan merusak pemandangan. Selain itu, korosi juga dapat menyerang bagian dalam
dan merusak seluruh struktur, hal ini sangat berbahaya, untuk itu diperlukan lapisan
pelindung. Dilihat dari jenis lingkungannya, korosi dapat terjadi pada lingkungan kering,
basah, atmosfer, dan tanah.
Korosi dapat juga terjadi karena kontak langsung dengan zat kimia, pada temperatur biasa
reaksi antara Mg/Sn dengan Cl2 berjalan cepat, sedangkan reaksi antara Mg/Ca dengan O2
berjalan dengan lambat. Pada temperatur tinggi, reaksi antara logam lain (Fe, Cu) dengan O2
berjalan dengan cepat, seperti logam yang diletakkan dalam nyala api. Pada lingkungan fasa
cair/basah akan terbentuk sel listrik dan korosi disebut korosi galvanik, reaksi anodik akan
terjadi pada logam yang berfungsi sebagai anoda, sedangkan reaksi katodik akan terjadi pada
logam yang berfungsi sebagai katoda. Reaksi yang terjadi adalah seperti yang telah dijelaskan
di atas.
108
Jenis sel listrik yang dapat terbentuk adalah :
1. Sel komposisi
Terjadi pada kontak/sambungan antara 2 logam (A dan B) yang tertutup oleh larutan
elektrolit, logam yang bersifat lebih anodik akan mengalami korosi.
2. Sel tegangan
Yang mengalami korosi adalah bagian logam yang terganggu susunan kristalnya apabila
tertutup larutan elektrolit, logam tersebut berfungsi sebagai anoda.
3. Sel konsentrasi
Terjadi pada ujung-ujung suatu batang kawat yang dicelupkan ke dalam larutan elektrolit
dengan konsentrasi yang berbeda. Apabila konsentrasi larutan elektrolit di A (katodik)
lebih besar dari pada konsentrasi larutan elektrolit di B (anodik), maka yang mengalami
korosi adalah ujung batang kawat yang tercelup pada B.
atau
M+ N
+
A K(V)
Pada anoda (A) terjadi reaksi oksidasi : M M+ + e–
M adalah bahan logam anoda, ketika M teroksidasi menjadi ion M+, maka dapat
dikatakan bahwa logam anoda dirusak.
Pada katoda (K) terjadi reaksi reduksi : N+ + e– N , dimana N menempel pada
katoda.
A
B
Elektrolit
A
Elektrolit
[M+]A > [M+]B
M+ M-
A B
Kawat
109
Pada sel konsentrasi, yang akan mengalami korosi adalah logam yang bersifat lebih
anodik. Sifat anodik dapat dilihat dari harga Potensial Elektroda Standar (PES) dari
masing-masing logam, semakin negatif harga PES semakin anodik logam tersebut. Di
bawah ini adalah daftar Potensial Elektrode Standar (PES) dari beberapa logam.
5-2 Korosi Kering
Korosi kering (dry corrosion) adalah korosi dari logam pada lingkungan gas. Reaksi antara
logam dengan udara atau oksigen murni yang membentuk oksida, dapat terjadi secara
spontan apabila perubahan energi bebas yang menyertai proses adalah negatif (∆G < 0).
Korosi kering terjadi karena tidak adanya cairan atau terjadi pada temperatur di atas titik
embun lingkungan. Korosi ini biasanya terjadi pada suhu yang relatif tinggi, atau dalam
lingkungan udara yang kering. Meskipun pembentukan oksida secara termodinamika adalah
proses yang mungkin, bahkan pada temperatur rendah, akan tetapi kecepatan oksidasi logam
pada temperatur ini rendah. Meskipun demikian, pada temperatur yang lebih tinggi, secara
kinetik oksidasi juga disukai. Korosi jenis ini, sering disebut dengan proses oksidasi bila
logam bereaksi dengan oksigen, sulfidasi bila logam bereaksi dengan sulfida, atau
karburisasi jika logam bereaksi dengan karbondi-oksida atau karbon mono-oksida. Oksidasi
Base metalsMetal Ion
Electrode
Potential V Anodic
Sodium Na+
-2.71
Magnesium Mg2+
-2.38
Alumunium Al3+
-1.67
Zinc Zn
2+ -0.76
Chromium Cr2+
-0.56
Iron Fe2+
-0.44
Cadmium Cd2+
-0.40
Cobalt
Co2+
-0.28
Nickel Ni2+
-0.25
Tin Sn2+
-0.14
Lead
Pb2+
-0.13
Hydrogen H+
0.000
Copper Cu2+
0.34
Mercury Hg2+
0.79
Silver Ag+
0.80
Platinum Pt2+
1.20
Noble metals Gold Au+
1.80 Cathodic
110
sering dijumpai pada sudu turbin gas, ruang bakar, dan bagian mesin yang bekerja pada
temperatur tinggi.
Lapisan oksida yang terbentuk pada temperatur ruangan biasanya sangat tipis untuk dapat
dilihat, akan tetapi apabila terbentuk pada temperatur tinggi, akan tampak berbagai warna
karena pengaruh sinar yang dipantulkan pada permukaan bawah dan atas dari lapisan oksida.
Dengan makin bertambahnya ketebalan lapisan oksida, warna akan hilang. Pemanasan lebih
lama pada temperatur tinggi, akan menghasilkan pembentukan kerak yang akan melindungi
permukaan logam dari proses korosi pada temperatur tinggi dan lingkungan oksidastif.
Setelah ketebalan tertentu, pada tempertaur tinggi, kerak akan remuk, dan permukaan logam
akan terbuka terhadap udara, dan mengalami proses korosi kembali.
Pertumbuhan lapisan oksida atau kerak pada permukaan logam tampaknya mengikuti tiga
hukum pertumbuhan, yaitu : hukum parabola, hukum linier, dan hukum logaritmik. Hukum-
hukum ini menjelaskan bagaimana ketebalan lapisan oksida bervariasi terhadap waktu.
Menurut Wagner, secara alamiah oksidasi dari logam adalah elektrolitik, dan sifat listrik
dari hasil korosi menentukan kecepatan oksidasi. Reaksi oksidasi secara keseluruhan
adalah sebagai berikut :
5-2.1.1 Oksidasi logam pada anoda : M Mn+ + n e – (M = logam)
5-2.1.2 Perpindahan elektron (e –) ke katoda
5-2.1.3 Gabungan antara elektron dan oksidator membentuk ion negatif : ½ X2 + e – X –
5-2.1.4 Perpindahan kation ke katoda dan anion ke anoda membentuk senyawa yang mengendap
Konduksi (penghantaran) ion dalam padatan jarang bercampur, dan arus dibawa oleh kation
atau anion tergantung pada struktur padatan (kisi). Pertumbuhan lapisan oksida dapat terjadi
sebagai berikut : oksida logam pada umumnya membentuk kisi-kisi ionik dan melalui kisi-
kisi ini :
1. Ion logam bermigrasi keluar
2. Ion oksida bermigrasi kedalam
3. Proses 1 dan 2 terjadi secara bersamaan, dan
4. Molekul oksigen menembus antar muka logam – oksida
Pertumbuhan baik lapisan film maupun kerak terjadi karena perpindahan ion dan elektron
melintasi lapisan oksida. Kecepatan pertumbuhan lapisan film tergantung kepada proses
111
perpindahan ini. Apabila kecepatan difusi (penyebaran) ion melintasi kisi merupakan tahap
lambat dari rangkaian reaksi menuju pembentukan oksida, maka kecepatan oksidasi akan
berkurang dengan bertambahnya ketebalan y dari lapisan film. Apabila ketebalan lapisan
filem bertambah dengan dy pada waktu dt, kecepatan pertumbuhan bervariasi terbalik dengan
ketebalan, jadi dy/dt ~ 1/y. Hal ini dapat dipecahkan dengan persamaan y2 = 2k1t dimaka k1
adalah koefisien difusi. Persamaan ini disebut Hukum Parabolik dari oksidasi, karena grafik
y terhadap t akan berbentuk parabola. Grafik seperti ini ditemukan pada oksidasi logam
seperti Cu, Ni, Cr, Fe, Co, dan logam-logam golongan II, pada temperatur tinggi.
Pertumbuhan noda (bercak) juga mengikuti hukum parabolik, dan dapat dicegah sebagai
berikut : aloy Cu – Al atau Cu – Be dioksidasi secara selektif sehingga terbentuk lapisan
isolasi (penyekat) listrik Al2O3 atau BeO. Perak murni yang mengandung 1% Al, dengan
perlakukan yang sama, menghasilkan perak yang bebas noda (bercak). Apabila kecepatan
oksidasi tetap, yaitu dy/dt = k2 atau y = k2t + c, dimana c adalah tetapan, maka disebut bahwa
oksidasi mengikuti Hukum Linier. Pada oksidasi tipe ini, kemungkinan pertama kali
terbentuk lapisan oksida pelindung yang sangat tipis, kemudian ketika mencapai ketebalan
tertentu, lapisan akan pecah sehingga permukaan logam terbuka terhadap oksigen.
Pembentukan lapisan film yang diikuti dengan pecahnya lapisan tersebut terjadi secara terus
menerus. Oleh karena itu, ketebalan lapisan pertama akan tetap, karena selalu diperbaharui
segera setelah lapisan oksida pecah. Hukum ini diikuti oleh logam-logam alkali. Hukum
Logaritmik dapat dinyatakan sebagai y = k3 log (at + 1) dimana k3 dan a adalah tetapan yang
tergantung pada tipe logam dan temperatur. Logam-logam Al, Zn, Be, dan Cr tampaknya
mengikuti hukum logaritmik. Tiga hukum oksidasi utama dapat dinyatakan sebagai diagram
seperti berikut :
Tetapan kecepatan k1, k2, dan k3, tergantung pada temperatur. Beberapa logam, seperti Ti,
mengikuti hukum logaritmik pada temperatur rendah, akan tetapi mengikuti hukum parabolik
pada temperatur lebih tinggi. Pada temperatur yang lebih tinggi, dapat juga mengikuti hukum
(1) Hukum Parabolik : y2 = 2k1t
(2) Hukum Linier : y = k2t + c
(3) Hukum Logaritmik : y = k3 log (at + 1)
y = ketebalan lapisan
t = waktu
k1, k2, k3, c, dan a = tetapan
y
t
(1)
(2)
(3)
112
linier. Menurut Pilling dan Bedworth, faktor kritis dalam perilaku oksidasi logam adalah
volum spesifik (volum molar) dari hasil korosi, dibandingkan dengan volum molar logam
asalnya. Apabila d adalah densitas dari oksida dan M adalah berat molekul, maka volum
molar adalah M/d. Apabila m adalah berat dari sejumlah logam yang dirubah menjadi oksida
dan d’ adalah densitasnya, maka volume logam yang dimusnahkan dalam pembentukan
oksida adalah m/d’. Kalau M/d < m/d’ , misal Md’/md < 1, maka lapisan oksida dapat
menutupi permukaan logam hanya kalau dibawah tegangan. Tegangan ini akan cenderung
menyebabkan pecahnya lapisan film, sehingga lapisan logam terbuka terhadap oksigen. Pada
kasus ini diharapkan berlaku hukum linier. Perbandingan volume antara CaO dan Ca adalah
0,64, jadi Ca menunjukkan reaksi kecepatan linier dengan oksigen. Contoh lain adalah
logam-logam alkali dan Mg. Kalau M/d > m/d’ , misal Md’/md > 1, maka lapisan oksida
dapat menutupi permukaan logam secara efektif. Pada kasus ini diharapkan berlaku hukum
parabolik, seperti pada logam-logam Al, Fe, Ni, Cu, dan Zn. Perbandingan volume antara
Cu2O terhadap Cu adalah 1,71, maka diharapkan proses oksidasi Cu mengikuti hukum
parabolik. Akan tetapi korelasi ini hanya baik pada pendekatan pertama, karena logam yang
sama dapat mengikuti kecepatan oksidasi yang berbeda sebagai fungsi waktu atau fungsi
temperatur. Tahap awal reaksi dapat mengikuti hukum logaritmik, kemudian mengikuti
hukum parabolik pada waktu yang lebih lama atau pada temperatur yang lebih tinggi, dan
akhirnya mengikuti hukum linier. Logam-logam dengan bilangan oksidasi lebih dari satu
(seperti Cu dan Fe) dapat membentuk lapisan oksida yang kompleks. Besi dipanaskan diatas
575°C akan tertutup dengan kerak berlapis, lapisan paling bawah adalah FeO, lapisan tengah
adalah Fe3O4, dan lapisan paling atas adalah Fe2O3. Akan tetapi, dibawah 575°C, FeO tidak
stabil, jadi hanya ada lapisan Fe3O4 dan Fe2O3. Pada temperatur yang lebih rendah lagi, hanya
ada lapisan Fe2O3. Adanya FeO pada kerak karat pada temperatur yang lebih tinggi membuat
proses descaling besi, melalui proses pickling dalam asam, cukup mudah karena akan terurai
menjadi Fe dan Fe3O4. Sebaliknya, kerak yang terbentuk pada temperatur yang lebih rendah
tidak mudah dihilangkan.
5-3 Korosi Basah
Korosi basah terjadi di lingkungan yang mengandung oksigen dan uap air. Korosi logam pada
lingkungan basah lebih umum terjadi dibandingkan dengan korosi kering. Korosi pada besi
113
adalah permulaan dari proses pembentukan karat yang membuat besi sebagai material
struktur menjadi tidak berguna, kecuali kalau dilakukan upaya pencegahan. Karat yang
terbentuk pada permukaan besi tidak melekat pada permukaan logam dan menyerap uap air,
dengan demikian maka dapat dikatakan bahwa karat tidak dapat digunakan sebagai pelindung
permukaan. Besi tidak akan berkarat pada udara kering atau dalam air yang benar-benar
bebas oksigen. Jadi, baik oksigen maupun air keduanya memegang peranan penting pada
proses korosi. Proses perkaratan ini juga dipercepat oleh adanya asam dan elektrolit, kontak
dengan logam yang lebih tidak reaktif, dan karat itu sendiri. Pada proses korosi, melalui
oksidasi, besi diubah menjadi senyawa dimana besi berada pada bilangan oksidasi yang lebih
tinggi. Karena oksidasi dan reduksi adalah proses yang berkesinambungan, maka di
lingkungan juga terjadi reduksi. Reaksi redoks sebagai dasar dari proses korosi merupakan
awal dari teori elektrokimia. Diatas sudah disebutkan bahwa perkaratan besi disebabkan
oleh kombinasi reaksi dari uap air, oksigen, dan CO2 pada besi, membentuk besi bikarbonat,
yang selanjutnya teroksidasi menjadi karat sebagai berikut :
2Fe + O2 + 4CO2 + 2H2O 2 Fe(HCO3)2
4Fe(HCO3)2 + O2 4Fe(OH)CO3 + 4CO2 + 2H2O
2Fe(OH)CO3 + 2H2O 2Fe(OH)3 atau Fe2O3.3H2O + 2CO2
karat
Teori ini didukung oleh fakta bahwa karat yang baru terbentuk mengandung besi (II) atau
besi (III) karbonat. Dalam tanah yang mengandung kapur atau NaOH, proses perkaratan akan
diperlambat dengan terserapnya CO2 menjadi Na2CO3.
Teori elektrokimia korosi
Menurut teori elektrokimia, korosi dari logam dalam larutan air merupakan proses dua tahap
yang berjalan pada saat yang sama, tahap satu melibatkan oksidasi dan tahap lainnya
melibatkan reduksi. Permukaan sepotong besi dapat digambarkan sebagai sederetan sel volta
atau sel galvani. Pada anoda dari masing-masing sel, Fe dioksidasi menjadi ion Fe2+, atom
logam pada kisi masuk ke larutan sebagai ion dan meninggalkan elektron pada logam itu
sendiri. Elektron-elektron ini mengalir ke daerah katoda melalui logam (konduktor listrik)
yang menghubungkan kedua sisi. Sirkuit listrik ini menjadi lengkap dengan konduksi ion
melalui larutan air dari elektrolit disekitar elektroda. Hal ini menjelaskan tentang peran dari
elektrolit dalam proses korosi. Dengan demikian terbentuklah sel galvani, dan aliran dari arus
114
positif melalui elektrolit dari anoda ke daerah katoda menyebabkan pelarutan atau korosi dari
anoda.
Pada katoda, apabila terdapat cukup tersedia ion hidrogen (medium asam) maka reaksi adalah
adalah sebagai berikut :
H+ + e – H dan H + H H2
Dalam larutan netral atau basa lemah, reaksi penyerapan oksigen menjadi lebih penting :
O2 + 2 H2O + 4 e – 4 OH –
Pada larutan asam, korosi besi dapat dipresentasikan sebagai berikut :
Anoda : 4 Fe 4 Fe2+ + 8 e – (1)
Katoda : 8 H+ + 8 e – + 2O2 4 H2O (2)
4 Fe2+ + O2 + 10 H2O 2 (Fe2O3.3H2O) + 8 H+ (3)
4 Fe + 3 O2 + 6 H2O 2 (Fe2O3.3H2O) (4)
karat
Apabila korosi disertai dengan evolusi hidrogen, maka reaksi secara keseluruhan adalah
sebagai berikut :
4 Fe + O2 + 10 H2O 2 (Fe2O3.3H2O) + 4 H2 (5)
karat
Reaksi (5) terjadi pada larutan yang agak asam. Ion-ion H+ yang dipakai dalam reaksi (2)
akan dihasilkan kembali pada reaksi (3), jadi ion-ion H+ sebetulnya adalah katalis sejati
untuk proses korosi, yang sangat mempercepat proses korosi.
Pada larutan netral atau basa lemah yang mengandung oksigen, reaksi : 2 H+ + 2 e– H2
dan seterusnya tidak terjadi, akan tetapi O2 akan tereduksi. Mekanisme korosi pada kondisi
ini dapat dipresentasikan sebagai berikut :
Anoda : 4 Fe 4 Fe2+ + 8 e – (1)
Katoda : 2 O2 + 4 H2O + 8 e – 8 OH– (6)
4 Fe2+ + 8 OH– 4 Fe(OH)2 (7)
4 Fe(OH)2 + 2 H2O + O2 2 (Fe2O3.3H2O) (8)
4 Fe + 3 O2 + 6 H2O 2 (Fe2O3.3H2O) (4)
karat
115
Pembentukan daerah anoda dan katoda pada permukaan logam dipengaruhi oleh beberapa
faktor seperti :
1. Kekasaran dari permukaan logam dan retakan pada permukaan lapisan
Pada permukaan logam yang kasar, apabila kekasaran digambarkan sebagai gelombang,
maka atom-atom di puncak gelombang dapat meninggalkan kisi lebih mudah
dibandingkan dengan atom-atom di dasar gelombang. Sebagai akibatnya, puncak
gelombang lebih bersifat anodik dibandingkan dengan dasar gelombang, maka puncak
gelombang akan terkorosi terlebih dahulu. Logam seperti Fe dan Zn, setelah terkena
udara akan mengandung lapisan oksida. Pada suatu waktu, mungkin saja oksida logam ini
berada pada kondisi yang lemah seperti retak, berpori, atau sangat tipis. Atom logam akan
lebih mudah meninggalkan kisi pada kondisi lemah tersebut. Ketika lembaran besi kontak
dengan elektrolit, maka daerah anoda akan terbentuk pada titik-titik di daerah yang lemah
dan reaksi katoda akan terbentuk pada daerah yang relatif tidak atau sedikit mengalami
kontak dengan elektrolit.
2. Adanya ketidakmurnian pada logam
Ketidakmurnian pada logam akan terkorosi atau tidak, tergantung pada harga potensial
elektroda standarnya. Logam dengan harga potensial elektroda standar lebih tinggi
disebut lebih mulia. Logam dengan harga potensial elektroda standar lebih tinggi (lebih
mulia) akan bertindak sebagai katoda dan terlindungi. Sedangkan logam dengan harga
potensial elektroda standar lebih rendah (lebih tidak mulia) akan bertindak sebagai anoda
dan mengalami korosi. Oleh karena itu, apabila ketidakmurnian pada logam mempunyai
harga potensial elektroda standar yang lebih rendah dari logamnya, maka bagian yang
tidak murni tersebut akan bertindak sebagai anoda dan terkorosi. Sebagai contoh, pada
sistem distribusi air biasanya digunakan gabungan pipa tembaga (Cu) dan pipa besi (Fe).
116
Karena logam Cu lebih mulia dari Fe, maka Cu akan bertindak sebagai katoda dan Fe
sebagai anoda. Maka Fe yang akan mengalami korosi, berdasarkan reaksi :
Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu
Akan tetapi, apabila ketidakmurnian logam adalah Zn atau Mg, maka Fe yang lebih mulia
dari Zn/Mg akan bertindak sebagai katoda dan Zn/Mg akan bertindak sebagai anoda dan
mengalami korosi. Sel yang terbentuk karena perbedaan harga potensial standar logam
disebut sel galvani.
3. Perbedaan konsentrasi oksigen sepanjang permukaan logam.
Sel galvani juga dapat terjadi ketika ada perbedaan konsentrasi oksigen pada permukaan
logam, terutama dalam larutan elektrolit yang netral. Bagian dari logam yang dikelilingi
oleh konsentrasi oksigen yang tinggi akan menjadi katoda dan terlindungi dari korosi.
Sedangkan bagian logam yang dikelilingi oleh konsentrasi oksigen yang lebih rendah
akan menjadi anoda dan mengalami korosi. Daerah dengan konsentrasi oksigen yang
lebih tinggi mungkin dibuat pasif oleh lapisan oksida yang terbentuk, sehingga menjadi
lebih mulia.
Beberapa contoh korosi karena perbedaan konsentrasi oksigen adalah sebagai berikut :
a. Drop corrosion (korosi tetes)
Korosi ini terjadi kalau setetes larutan elektrolit jatuh pada logam. Apabila setetes
larutan NaCl diletakkan pada lempengan besi, maka korosi langsung terjadi dibawah
pusat tetesan, dan lingkaran karat berkembang di sekitar daerah pusat tetesan.
Oksigen yang terlarut dalam tetesan didistribusi secara seragam, akan tetapi akan
dikonsumsi secara lambat oleh reaksi katodik. Penggantian oksigen dalam larutan
(dari udara) sangat cepat terjadi pada daerah pinggir, dan daerah ini menjadi katoda.
Sedangkan daerah pusat dibawah tetesan yang memiliki konsentrasi oksigen yang
lebih rendah menjadi anoda.
117
Pada anoda, Fe dioksidasi menjadi ion Fe2+, dan pada katoda, O2 direduksi menjadi
ion OH–. Pembentukan ion-ion ini dapat ditunjukkan dengan menggunakan indikator,
daerah pinggiran akan berwarna merah muda, dan daerah dibawah tetesan akan
berwarna biru. Ion-ion Fe2+ akan bergerak ke daerah anoda, dan ion-ion OH– akan
bergerak ke daerah anoda. Pada suatu tempat diantara kedua pergerakan ini, kedua ion
bertemu dan terbentuk endapan Fe(OH)2. Endapan Fe(OH)2 ini kemudian dioksidasi
lebih lanjut oleh oksigen terlarut dan terbentuklah karat.
b. Crevice corrosion (korosi celah)
Apabila celah antara obyek logam yang berbeda atau antara materi logam dengan non
logam, misal : baut, mur, paku keling, ring, bersentuhan dengan cairan, maka celah
tersebut menjadi daerah anoda karena distribusi oksigen di daerah ini lebih sedikit
dibandingkan dengan daerah yang berada di daerah terbuka, yang akan menjadi
daerah katoda. Korosi akan terjadi pada daerah celah.
Endapan karat terjadi kalau obyek logam yang bersentuhan dengan air berada di
bawah kotoran, pasir, sampah, dan lain-lain, karena kotoran ini akan menyebabkan
penggantian oksigen ke permukaan logam menjadi sulit. Daerah yang tertutup kotoran
akan menjadi anoda, sedangkan daerah yang lebih terbuka terhadap oksigen akan
menjadi katoda. Karat yang terbentuk pada permukaan besi akan memicu korosi lebih
lanjut dengan penyerapan uap air dan elektrolit.
c. Waterline attack corrosion (korosi batas air)
Sebagai contoh, sebatang besi yang tercelup dalam air. Posisi besi dekat batas air akan
sangat mudah bersentuhan dengan oksigen dari udara dan bertindak sebagai katoda.
Sedangkan posisi besi yang tercelup dalam air akan sukar memperoleh oksigen, dan
bertindak sebagai anoda.
118
Korosi akan terjadi di daerah anoda dan reduksi oksigen menjadi ion-ion OH– terjadi
di daerah katoda. Ion-ion Fe2+ dan OH– berinteraksi di daerah antara anoda dan katoda
menghasilkan Fe(OH)2, yang selanjutnya akan dioksidasi oleh oksigen terlarut
menjadi karat. Dengan berjalannya waktu, daerah anoda secara perlahan-lahan akan
bergerak ke atas sampai seluruh batang besi berkarat.
d. Pitting corosion (korosi sumur)
Korosi sumur merupakan bentuk korosi yang terlokalisasi, dimana korosi yang terjadi
tidak memiliki kemungkinan untuk menyebar keluar permukaan. Pembentukan sumur
dimulai dengan penyerapan anion-anion aktif seperti ion Cl–, khususnya yang
berkaitan dengan ion logam teroksidasi seperti Cu2+, Fe3+, dan lain-lain, pada bagian
yang cacat dari lapisan oksida.
Seperti terlihat pada gambar, daerah yang terbuka terhadap udara adalah katoda.
Perbedaan antara besarnya katoda dan sempitnya anoda menyebabkan korosi yang
parah di daerah anoda. Hal ini berlanjut dengan pindahnya ion-ion Cl ke daerah
tersebut. Hidrolisis ion logam menghasilkan pembentukan larutan asam, dan larutan
dengan konduktivitas tinggi terbentuk di daerah tersebut. Ini merupakan faktor-faktor
yang menyebabkan korosi. Ion Fe2+ dan OH– berinteraksi menghasilkan Fe(OH)2,
yang selanjutnya akan teroksidasi menjadi karat. Endapan karat ini secara efektif akan
menghalangi dasar sumur dari oksigen, sehingga terjadi korosi parah yang
terlokalisasi.
119
5-4 Korosi Atmosfer dan Korosi tanah
Korosi atmosfer
Korosi atmosfer merupakan hasil kerja gabungan dari dua faktor yaitu oksigen dan uap air.
Kalau salah satu dari faktor ini tidak ada, maka tidak akan terjadi korosi. Pada atmosfer
dengan kelembaban lebih besar dari 60% (kelembaban kritis), maka proses perkaratan
dimulai, dan kecepatan proses ini akan meningkat tajam dengan meningkatnya kelembaban.
Meskipun kelembaban relatif tinggi, proses korosi dapat diabaikan asalkan atmosfer bebas
dari debu. Selain itu, besi tidak akan berkarat kalau ditutup dengan es, karena serangan
elektrokimia memerlukan air dalam bentuk cair. Sebagai contoh, benda-benda besi yang
ditinggalkan oleh para penjelajah di kutub Artic terbukti tidak terkorosi. Korosi atmosfer
akan meningkat kalau udara terpolusi oleh asap atau gas seperti SO2 dan uap lingkungan laut.
Beberapa partikel debu yang mengandung arang mampu menyerap SO2 dan mempercepat
proses korosi. Partikel padat seperti amonium sulfat dan jelaga yang merupakan polutan yang
biasa ada di daerah industri, mempercepat serangan. Serangan korosi tergantung pada sifat
karakteristik dari logam, sejauh mana kemampuan melindungi dari lapisan oksida yang ada,
dan konduktivitas lapisan cair yang bersentuhan dengan permukaan logam. Hujan, meskipun
merupakan sumber uap air untuk terjadinya korosi elektrokimia, dapat menghilangkan
lapisan yang terbentuk, terutama kalau lapisan tersebut tidak melekat dengan kuat, sehingga
dapat terjadi percepatan serangan korosi. Hujan juga memiliki peran yang menguntungkan
yaitu menghilangkan kontaminan yang merugikan. Dibandingkan Fe dan Cr, stainless steel,
Al, dan Ni tahan terhadap korosi atmosfer, yang disebabkan oleh sifat melindungi dari
lapisan oksida pada permukaannya. Akan tetapi, di atmosfer di daerah industri berat dan
daerah pemukiman, stainless steel, Al, dan Ni dapat terkorosi. Pada logam Cu, korosi
atmosfer menyebabkan pembentukan lapisan Cu sulfat basa, (CuSO4).Cu(OH)2, atau Cu
karbonat basa, (CuCO3).Cu(OH)2, yang akan memberikan perlindungan yang cukup bagi
logam dari serangan korosi selanjutnya.
Korosi tanah
Sifat korosif dari tanah, diantaranya sifat menyerap dan degree of aeration (derajat
pengudaraan) tampaknya tergantung pada daya hantar listrik (ketahanan listrik) tanah
tersebut. Tanah dengan ketahanan listrik rendah memiliki sifat korosif yang tinggi. Hal ini
dapat dimengerti karena ketahanan rendah mencerminkan adanya uap air dan elektrolit
120
terlarut, dua faktor yang memicu korosi. Jadi, pada tanah yang basah, korosi relatif berjalan
lebih cepat dibandingkan dengan pada tanah yang kering dimana ketahanan listriknya tinggi.
Dengan adanya uap air dan elektrolit, aliran arus korosi juga menjadi lebih mudah. Pada
tanah yang lebih dalam, kecepatan korosi tampaknya tergantung pada sebaran oksigen
terlarut dalam air tanah, dan kadang-kadang tergantung pada bakteri penghilang sulfat. Arus
listrik dari sistem aliran listrik seperti kereta listrik, dapat bocor ke struktur pengantar listrik
yang terkait. Titik dimana arus meninggalkan struktur adalah anoda, dan merupakan tempat
terjadinya korosi. Serangan korosi ini disebut stary-current corrosion, yang dapat
menyebabkan korosi sumur dan berakibat pada kerusakan yang cukup serius pada struktur
bawah tanah. Adanya elektrolit terlarut akan lebih membantu terjadinya korosi ini. Korosi
bawah tanah perlu diperhatikan, karena minyak, gas, dan air disalurkan melalui pipa besi
cor/tuang yang dipendam dalam tanah. Korosi grafit dari besi cor yang menyebabkan besi
menjadi lunak (dapat dipotong dengan pisau), diyakini disebabkan oleh : aksi elektrokimia
dimana Fe dari besi cor bertindak sebagai anoda dan grafit sebagai katoda, stary-current
corrosion, dan bakteri penghilang sulfat anaerobik yang tumbuh subur pada kondisi netral
dan tanpa udara. Korosi besi karena mikrobiologi anaerobik terjadi melalui reduksi H+ pada
katoda.
8 H2O 8 H+ + 8 OH–
4 Fe + 8 H+ 4 Fe2+ + 8 H
8 H + CaSO4 Ca(OH)2 + H2S + 2 H2O
Fe2+ + H2S FeS + 2 H+
3 Fe2+ + 6 OH– 3 Fe(OH)2
Hasil utama dari korosi adalah FeS dan Fe(OH)2, dan karena hasil ini tidak melindungi
permukaan besi, maka terjadi korosi yang terlokalisasi.
5-5 Pencegahan Korosi
Metoda yang digunakan untuk melindungi logam dari korosi biasanya adalah mencegah
terjadinya proses korosi. Metoda ini sangat tergantung pada lingkungan dimana logam
berada. Pada metoda ini, perlu ada perlakuan awal, yaitu logam harus dibersihkan sebelum
metoda perlindungan diterapkan. Perlakuan awal biasanya terdiri atas dua proses yaitu
121
degreasing dan descaling. Degreasing adalah membersihkan permukaan logam dari lapisan
yang berminyak dan berlemak dengan cara dilarutkan dengan pelarut organik yang mudah
menguap seperti trikhloroetana (CHCl = CCl2), tetrakloroetilen (Cl2C = CCl2), dan lainnya.
Descaling dapat efektif secara mekanik ataupun kimia. Kedua metoda ini akan dipelajari
lebih lanjut pada bab tentang lapisan pelindung.
Karena oksigen dan air merupakan hal yang penting dalam korosi, maka cara yang terbaik
untuk mencegah terjadinya korosi adalah dengan melindungi logam dari kedua senyawa
tersebut. Beberapa cara melindungi diantaranya adalah : modifikasi lingkungan, modifikasi
sifat logam, menggunakan lapisan pelindung, dan proteksi katodik.
1. Modifikasi lingkungan
Dapat dilakukan dengan :
a. Menghilangkan semua senyawa yang mendorong terjadinya korosi diantaranya
oksigen, asam, garam, uap air, dan partikel padat. Menghilangkan oksigen terlarut
dalam air dapat dilakukan secara fisik yaitu deaerasi atau secara kimia yaitu dengan
menambahkan zat pereduksi seperti N2H4, Na2SO3, dan lainnya. Asam dapat
dinetralkan dengan kapur, sedangkan garam dapat dihilangkan dengan menggunakan
resin penukar ion. Uap air di udara dapat dihilangkan dengan menggunakan silica gel,
sedangkan partikel padat diudara dapat dihilangkan dengan menyaring dengan
saringan yang sesuai.
b. Menghambat reaksi korosi dengan menambahkan senyawa inhibitor ke dalam
lingkungan. Inhibitor adalah senyawa anorganik (anodik dan katodik) atau organik
yang ditambahkan dalam jumlah kecil ke lingkungan korosif di sekitar logam atau
kombinasi loham (alloy), dan inhibitor akan menghambat kecepatan korosi. Seperti
telah dibahas sebelumnya, bahwa reaksi korosi adalah reaksi redoks pada sel
elektrokimia yang menghasilkan arus listrik. Kecepatan reaksi elektrokimia korosi
(secara keseluruhan) secara prinsip dapat ditentukan oleh kecepatan reaksi anoda atau
katoda. Apabila suplai oksigen ke katoda bertambah, maka kecepatan reaksi katoda
akan meningkat, sebagai akibatnya kecepatan reaksi pada anoda juga bertambah.
Kecepatan reaksi korosi ditentukan oleh arus listrik yang mengalir dalam lingkaran
(sirkuit) arus listrik. Faktor apa saja yang mengambat sirkuit arus listrik atau
mengurangi perbedaan potensial antara anoda dan katoda, akan mengurangi aliran
arus listrik, dan mencegah terjadinya korosi. Inhibitor merupakan senyawa yang dapat
122
digunakan untuk mengurangi perbedaan potensial ini, apabila senyawa tersebut
menghambat arus listrik pada anoda maka disebut inhibitor anodik, sedangkan yang
menghambat arus listrik pada katoda disebut inhibitor katodik. Pada reaksi anoda,
digunakan inhibitor anodik seperti Na2CrO4 atau NaNO2 (zat pengoksidasi) untuk
mencegah pengendapan Fe(OH)2, dengan tidak terbentuknya endapan Fe(OH)2 maka
proses korosi berhenti. Pada reaksi katoda, digunakan inhibitor katodik seperti
ZnSO4 atau MgSO4 untuk mencegah reduksi O2 menjadi ion OH– pada katoda.
Inhibitor pengoksidasi dan indikator alkalin hanya efektif digunakan pada larutan
netral atau basa. Pada larutan asam dapat digunakan inhibitor organik seperti
senyawa organik yang mengandung sulfur atau nitrogen.
2. Modifikasi sifat logam
Memodifikasi lingkungan untuk mengurangi efek korosi tidak selalu merupakan cara
yang baik atau cara yang dapat dilakukan. Pada pabrik kimia, penggunaan inhibitor
mungkin akan menyebabkan masalah kontaminasi, yang mengakibatkan produk tidak
sesuai untuk dipasarkan atau digunakan. Untuk itu dapat dipilih logam atau alloy dengan
sifat yang sesuai, atau memodifikasi sifat logam melalui alloy-ing (penambahan logam
lain), refining (pemurnian), dan annealing (penguatan). Pada keadaan asam, alloy-ing
digunakan untuk mencegah korosi dengan cara mempasifkan, menetralkan, dan
menghambat.
a. Mempasifkan
Alloy-ing Al, Cr, Ti, Ni, dan Mo, karena lapisan-lapisan oksida pelindung akan
membuat baja lebih tidak korosif. Pada lingkungan yang mengandung khlorida,
lapisan oksida mungkin akan pecah. Alloy-ing dengan Ni dalam jumlah banyak akan
membuat baja tahan korosi dalam larutan asam.
b. Menetralkan
Alloy-ing Ti, Nb, dan Ta dikombinasikan dengan C akan membentuk karbida dan
membuat stainless steel tahan terhadap korosi. Atau dapat juga alloy-ing baja dengan
Mn dan Cu dikombinasi dengan S.
c. Menghambat
Alloy-ing As dan Sb pada kuningan akan mencegah de-zin-cificasi.
Metoda lain untuk meningkatkan ketahanan logam terhadap korosi adalah refining
(pemurnian) dan annealing (penguatan). Pada refining (pemurnian), dilakukan
123
pengurangan kandungan S dan P dalam baja atau kandungan C dalam baja tahan karat.
Sedangkan annealing adalah pemanasan untuk menghilangkan sisa partikel yang
membuat logam menjadi kaku. Pemanasan dilakukan untuk merubah struktur dari alloy.
3. Lapisan pelindung
Tujuan utama dari lapisan pelindung adalah melindungi permukaan logam dari kontak
dengan oksigen dan uap air di udara. Pembahasan yang lebih rinci akan dilakukan dalam
bab tersendiri.
4. Proteksi katodik
Metoda ini sesuai untuk struktur yang terendam dalam larutan atau terkubur dalam tanah
yang menghantar listrik. Metoda ini melibatkan perubahan potensial elektrokimia dari
logam untuk mencegah atau sekurang-kurangnya mengurangi pelarutan logam tersebut.
Logam yang akan dilindungi difungsikan sebagai katoda sehingga terlindungi dari proses
korosi. Dengan demikian perlu dicari logam yang lebih tidak mulia untuk dijadikan
anoda.
Untuk melindungi baja, digunakan Mg, Zn, Al, atau alloy sebagai logam yang
dikorbankan (anoda). Untuk melindungi Cu, dapat digunakan baja karbon sebagai anoda.
Pipa untuk mengalirkan air minum, minyak, dan gas, perlu dilindungi dengan
menyambungkan dengan logam yang lebih tidak mulia sebagai anoda pada tempat-tempat
sepanjang pipa.
5-6 Pencegahan Korosi Melalui Pemilihan Bahan dan Desain
Semua usaha untuk mencegah terjadinya korosi sebaiknya dimulai dari tahapan membuat
desain. Sebelum menetapkan desain, harus diperhitungkan terlebih dahulu dengan seksama
124
tentang material untuk konstruksi, kondisi atmosfer dan lingkungan, akses untuk
pemeliharaan dan perbaikan, dan lain-lain.
Prinsip-prinsip pemilihan desain dan materi adalah sebagai berikut :
1. Pada setiap desain, semakin banyak sudut, pojok, pinggiran, dan permukaan dalam,
semakin sulit untuk melakukan tindakan permukaan yang efisien. Oleh karena itu,
sedapat mungkin hindari profil dengan bentuk L, T, dan U dalam konstruksi.
2. Tidak ada korosi yang terjadi tanpa adanya uap air. Desain struktur sebaiknya sedemikian
rupa sehingga uap air tidak tinggal lama pada bahan yang di desain. Profil harus diatur
sedemikian rupa supaya air akan teralirkan sampai habis, dan sedapat mungkin hindari
crevice corrosion (korosi celah). Sebagai contoh, desain kotak listrik yang bersentuhan
dengan atmosfer harus sedemikian rupa sehingga air tidak tinggal diatas atau di celah.
Desain tempat penampungan air harus dapat dikeringkan dan dibersihkan dengan
sempurna.
125
Uap air yang mengembun yang terbentuk ketika ada kontak antara gas panas dengan
permukaan logam yang dingin akan menimbulkan masalah yang serius. Uap air yang
mengembun bukan air murni, dan mungkin mengandung elektrolit. Hal ini dapat
dihindari dengan membuat desain yang mengalirkan sampai habis uap air yang
mengembun atau dengan menghindari terjadinya pengembunan melalui pemasangan
isolasi panas.
3. Korosi galvani harus dihindari. Korosi jenis ini terjadi apabila logam-logam yang
berhubungan memiliki perbedaan potensial, hadirnya elektrolit, larutan mengandung
oksigen atau asam yang menyebabkan reaksi katoda. Pemilihan desain dan material harus
menghindari terjadinya hal-hal tersebut. Logam dan alloy yang berbeda jangan
disambungkan, terutama kalau logam/alloy tersebut berbeda jauh potensial elektrodanya.
Apabila hal ini tidak dapat dihindari, maka gunakan isolasi listrik yang efisien, yang tidak
menyerap uap air.
Kecepatan korosi juga tergantung pada besar relatif dari anoda dan katoda, kombinasi
antara anoda yang kecil dan katoda yang besar sedapat mungkin dihindari. Oleh karena
itu, pada pengelasan, baut, mur, dan sekrup sebaiknya dibuat dari logam yang lebih mulia
dari pada logam yang disambungkan. Cat anti korosi yang baik akan membuat proses
korosi pada tingkat yang minimum. Pengelasan yang tidak berkesinambungan tidak
disarankan, dilihat baik dari sudut pandang mekanika maupun korosi. Sisi las yang lebih
kecil sebaiknya yang diarahkan ke medium yang korosif.