腐蝕的電化學教案

　　腐蝕的電化學篇一：金屬材料的電化學腐蝕與防護

　　金屬材料的電化學腐蝕與防護

　　一、實驗目的

　　1.了解金屬電化學腐蝕的基本原理。

　　2.了解防止金屬腐蝕的基本原理和常用方法。

　　二、實驗原理

　　1． 金屬的電化學腐蝕類型

　　(1)微電池腐蝕

　　①差異充氣腐蝕

　　同一種金屬在中性條件下，如果不同部位溶解氧氣濃度不同，則氧氣濃度較小的部位作為腐蝕電池的陽極，金屬失去電子受到腐蝕；而氧氣濃度較大的部位作為陰極，氧氣得電子生成氫氧根離子。如果也有K3[Fe(CN)6]和酚酞存在，則陽極金屬亞鐵離子進一步與K3[Fe(CN)6]反應，生成藍色的Fe3[Fe(CN)6]2沉淀；在陰極，由于氫氧根離子的不斷生成使得酚酞變紅（亦屬于吸氧腐蝕）。兩極反應式如下：

　　陽極(氧氣濃度小的部位)反應式：

　　Fe = Fe2＋ ＋ 2e－

　　3Fe2＋ ＋ 2[Fe(CN)6]3－ = Fe3[Fe(CN)6]2 (藍色沉淀) 陰極(氧氣濃度大的部位)反應式：

　　O2 ＋ 2H2O ＋4e－ = 4OH－

　　②析氫腐蝕

　　金屬鐵浸在含有K3[Fe(CN)6]2的鹽酸溶液中，鐵作為陽極失去電子，受腐蝕，雜質作為陰極，在其表面H＋得電子被還原析出氫氣。兩極反應式為： 陽極：Fe = Fe2＋ ＋ 2e－

　　陰極：2H＋+2e－= H2↑

　　在其中加入K3[Fe(CN)6]，則陽極附近的Fe2＋進一步反應：

　　3Fe2＋ ＋ 2[Fe(CN)6]3－ = Fe3[Fe(CN)6]2 (藍色沉淀)

　　（2）宏電池腐蝕

　　①金屬鐵和銅直接接觸，置于含有NaCl、K3[Fe(CN)6]、酚酞的混合溶液里，由于?(Fe2/Fe)< ?（Cu2/Cu），兩者構成了宏電池，鐵作為陽極，失去電＋＋

　　子受到腐蝕（屬于吸氧腐蝕）。兩極的電極反應式分別如下：

　　陽極反應式：

　　Fe = Fe2＋ ＋ 2e－

　　3Fe2＋ ＋ 2[Fe(CN)6]3－ = Fe3[Fe(CN)6]2 (藍色沉淀) 陰極(銅表面)反應式：

　　O2 ＋ 2H2O ＋4e－ = 4OH－

　　在陰極由于有OH－生成，使c(OH－)增大，所以酚酞變紅。

　　②金屬鐵和鋅直接接觸，環境同上，則由于?(Zn2/Zn)< ?(Fe2/Fe)，＋＋

　　鋅作為陽極受到腐蝕，而鐵作為陰極，鐵表面的氧氣得電子后不斷生成氫氧根離子，導致酚酞變紅（屬于吸氧腐蝕）。兩極的電極反應式分別如下：

　　陽極反應式：

　　Zn = Zn2＋ ＋ 2e－

　　3Zn2＋＋ 2[Fe(CN)6]3－ = Zn3[Fe(CN)6]2 (黃色沉淀)

　　陰極（鐵表面）反應式：

　　O2 ＋ 2H2O ＋4e－ = 4OH－

　　2．金屬腐蝕的防護

　　防止金屬腐蝕的方法很多。如研制耐腐蝕的金屬材料、金屬表面涂覆保護層及陰極保護法等方法。金屬表面涂覆保護層的常用方法有油漆、電鍍、噴鍍、表面鈍化處理，緩蝕劑法等。

　　（1） 有機緩蝕劑作用機理

　　在金屬剛開始溶解時，金屬表面帶有的負電荷能吸附緩蝕劑的離子或分子，形成難溶且腐蝕介質很難穿透的保護膜。在酸性介質中，一般是含有N、S、O的有機化合物。常用的緩蝕劑有烏洛托品、若丁等。

　　（2） 無機緩蝕劑作用機理

　　在中性或堿性介質中可以采用無機緩蝕劑，如鉻酸鹽、重鉻酸鹽、

　　磷酸鹽、碳酸氫鹽等。主要是在金屬的表面形成的氧化膜或沉淀物能夠隔絕周圍介質侵蝕，起到保護的作用。

　　例如金屬表面的磷化，就是用磷酸鹽在金屬表面生成一層磷化膜的保

　　護層。其有關反應式如下：

　　Fe ＋ 2H+ = Fe2＋ ＋ H2（↑）

　　Fe2＋ ＋ HPO42－ = FeHPO4（暗灰色膜?）

　　3Zn2＋ ＋ 2PO43－= Zn3(PO4)2（白色?）

　　（3）3％的CuSO4檢驗液檢驗原理

　　磷化后的鐵釘表面： Fe2＋ ＋ HPO42－ = FeHPO4（暗灰色膜?）

　　Cu2＋ ＋ HPO42－ = CuHPO4（暗黑色?）

　　沒有磷化后的鐵釘表面：Fe ＋Cu2＋= Fe2＋＋ Cu（棕紅色?）

　　三、實驗用品

　　儀器： 0mL小燒杯，小試管（3支），10mL小量筒（1只）鐵片，銅絲，鋅絲，濾紙片（若干），塑料鑷子，洗瓶，細砂紙（約3×3cm2）。

　　藥品：NaCl（0.1 mo1·L－1），K3[Fe(CN)6（]0.1 mo1·L－1），烏洛托品(CH2)6N（，420％）CuSO4（0.1 mo1·L－1），HCl（0.1 mo1·L－1、6 mo1·L－1，濃），酚酞（0.5％），洗潔精，檢驗液（3％的CuSO4），磷化液（配方：H3PO4（85％）：45g·L－1，ZnO：28 g·L－1，Zn(NO3)2：28 g·L－1，NaF：2 g·L－1 ，HNO3（濃）：29 g·L－1）。

　　四、實驗內容

　　1． 金屬的電化學腐蝕

　　（1）準備鐵釘和混合溶液

　　①鐵釘表面除銹：取8枚小鐵釘浸在濃鹽酸中，除銹約1～2分鐘后用塑料鑷子取出，以自來水淋洗后放在潔凈的小燒杯中，再以去離子水浸泡備用。

　　②配制含有少量酚酞的混合溶液：取1支試管，加入6mL 0.1 mo1·L-1的NaCl溶液（增加導電性），加入4滴0.1 mo1·L-1K3[Fe(CN)6]溶液，再加入3滴酚酞溶液，混合均勻備用。

　　（2）微電池腐蝕

　　①差異充氣腐蝕

　　用細砂紙把一塊鐵片表面磨光，洗凈鐵銹并吸干水分，在其中心處滴上2滴含有少量酚酞的混合溶液，形成直徑約為2cm的圓斑，放置10 min后觀察現象，并用兩極反應式解釋之。

　　②析氫腐蝕

　　取1支潔凈的小試管，加入3mL的0.1 mo1·L-1HCl溶液，將一枚除銹鐵釘放入其中，觀察現象。

　　(3)宏電池的腐蝕

　　取2支潔凈的小試管，各加入3mL含有少量酚酞的混合溶液。取2枚除過銹的小鐵釘，經自來水沖洗，用濾紙吸干，分別在其中部緊密地纏上一段干凈的鋅絲和銅絲。然后再分別放在上述2支試管的溶液中，靜置數分鐘（不要晃動），觀察現象并用兩極反應式解釋之。

　　2．金屬腐蝕的防護

　　（1）有機緩蝕劑的作用

　　取2支試管，各加入3mL0.1 mo1·L-1HCl溶液，在某一試管中加入5滴20％的烏洛托品，在另1支試管中加入5滴水，將2枚清潔無銹的鐵釘分別放入其中。反應片刻后，分別在2支試管中各加入1滴0.1 mo1·L-1 K3[Fe(CN)6]溶液，觀察和比較出現的現象，并用兩極反應式解釋之。

　　（2）無機緩蝕劑的作用（金屬表面的磷化）

　　準備2支潔凈試管和2枚已用濃HCl溶液除過銹的并用水清洗干凈的鐵釘。將其中1根鐵釘放入試管，另1根鐵釘完全浸入磷化液磷化，約5～10min后用鑷子取出，用去離子水淋洗后將其放入空的潔凈試管中，觀察磷化膜。

　　（3）檢驗質量

　　向上述2支裝有鐵釘的試管中，分別加入3％的CuSO4檢驗液3mL，靜置2-3min后，觀察現象并用反應式解釋之。

　　五、注意事項

　　1. 鐵釘一定要事先算好需要幾個，然后集中除銹。

　　2. 需要靜置數分鐘的實驗，千萬不要晃動試管，以免現象觀察不明顯。

　　3. 用鋅絲纏鐵釘時要慢緩慢用勁纏緊，防止鋅絲折斷；不要纏滿鐵釘，只要鐵釘有一段被纏上就可觀察到現象。

　　4.鐵片，銅絲，鋅絲，鐵釘等用后洗凈回收至原處。所有試劑用后放回原處。

　　5．實驗中一定要仔細觀察現象有無變化，記錄現象要完整，并用學過的知識和有關反應方程式解釋之。

　　六、實驗記錄

　　七、思考題

　　1.吸氧腐蝕發生的條件是什么？兩極反應式分別如何？

　　2.析氫腐蝕的條件是什么？兩極反應式分別如何？

　　腐蝕的電化學篇二：腐蝕電化學

　　金屬的腐蝕速度與極化作用

　　文/林玉珍·北京化工大學

　　在實際中，人們不僅關心金屬設備和材料的腐蝕傾向，更重要的是關心腐蝕過程進行的速度。一個大的腐蝕傾向不一定對應著一個高的腐蝕速度。例如鋁,從熱力學角度看,它的腐蝕傾向很明顯,但在某些介質中,它的腐蝕速度卻極低,比那些腐蝕傾向較小的金屬更耐蝕。可見,腐蝕傾向并不能作為腐蝕速度的尺度。對于金屬設備來說,要設法來降低腐蝕反應的速度,以達到延長其使用壽命的目的。為此,必須了解腐蝕過程的機理,掌握不同條件下腐蝕的動力學規律以及影響腐蝕速度的各種因素,并尋求有效地解決方案。

　　腐蝕原電池

　　腐蝕發生的根本原因是由于環境中有氧化劑存在。而在工程中“材料/環境”組成的電極系統,由于種種原因(如材料成份等)使金屬表面各處的電位不相等,統稱為電化學不均勻性,從而形成腐蝕原電池,加速了腐蝕。例如工業鋅,因其中含雜質(如Cu),存在著腐蝕電池，所以它的腐蝕速度要比純鋅大的得多如圖1所示。

　　圖1鋅在稀酸中的腐蝕

　　腐蝕電池的工作歷程

　　腐蝕電池的工作原理與—般原電池相同

　　,如圖2所示。陽極(區)上發生失去電子的氧化反應(陽極反應),電位相對較低,是電池中的負極,也是發生腐蝕的地方。陰極(區)上發生接收電子的還原反應(陰極反應),電位相對較高,是電池中的正極。腐蝕電流Ic的流向是指正電荷流動的方向,電流從陽極流出進入溶液中,再從溶液中流入陰極。

　　圖2腐蝕電池的上作歷程

　　腐蝕電池中,這三部分工作,相互聯系,缺—不可。只要其中任何一個步驟停止,整個電池工作就停止,體系中的金屬腐蝕也就停止。

　　腐蝕電池的特點

　　①腐蝕電池是短路的原電池,它將化學能變成電能,但卻不能被利用,而是以熱的形式散失掉了。

　　②腐蝕電池的存在,只能加速腐蝕,而不是腐蝕發生的根本原因。如果環境中沒有氧化劑存在,即使有腐蝕電池的存在,也不會發生腐蝕。

　　③根據腐蝕電池中的電極大小,常把腐蝕電池分為宏觀腐蝕電池和微觀腐蝕電池兩類。

　　極化作用

　　極化作用及其表征

　　觀察一個簡化的腐蝕電池的工作,如圖3所示。

　　圖3腐蝕電池及其電流變化

　　當外電路未接通前,外電路的電阻相當于無窮大,電流為零。

　　當電池接通的瞬間,可觀察到一個很大的起始電流。根據歐姆定律,其電流為:

　　式中Ek°為陰極(銅)的開路電位;Ea°為陽極(鋅)的開路電位;R為電

　　池系統的總電阻。當電流瞬間達到最大值后,隨時間的增長電流卻很快減小,最后穩定在一個較小的電流值。

　　從歐姆定律可知,影響電流強度I的因素有二,電池兩極間的電位差和電池內外電阻的總和R。電池接通，總電阻R并沒有變化，那么電流I的減小只能是電池兩極間的電位差降低的結果。實驗測得的情況也完全證明了這一現象。

　　如圖4所示，當電路接通后,陰極(銅)的電位變得越來越負;而陽極(鋅)的電位變得越來越正;兩極間的.電位差變得越來越小,最后當電流減小并穩定在某值時,陰極的電位負移至Ek,而陽極的電位正移至Ea;兩極的電位差減小到Ek-Ea,由于Ek-Ea《Ek°-Ea° ,所以在R不變的情況下,I移要比I始小很多。

　　圖4

　　電極電位隨時間變化的示意圖

　　由于電流的通過而引起原電池兩極間電位差變小,導致電池工作電流強度降低的現象,稱為原電池的極化作用。隨電流通過,陽極的電位向正值方向移動的象稱為陽極極化。陰極的電位向負值方向移動的現象稱為陰極極化。

　　同時,消除或堿弱陽極和陰極極化作用的過程稱為去極化作用或去極化過程。能消除或減弱極化作用的物質稱為去極化劑。因此,可以認為環境中存在的氧化劑就是—種去極化劑。

　　可見,腐蝕電池的極化作用,導致腐蝕電流減小,從而降低了腐蝕速度。如果沒有極化作用,金屬材料和設備的腐蝕速度也將大得多。極化相當于—種阻力,增大極化有利防腐。 為便于準確理解極化作用,經常利用電位E-電流強度I或電流密度i圖來描述。如圖5所示。

　　圖5極化曲線

　　圖中ECu°和EZn°分別為銅電極和鋅電極的開路電位。隨著電流密度的增加,陽極電位沿曲線EZn° A向正方向移動,而陰極電位沿曲線ECu°K向負方向移動。

　　把表示電極電位與極化電流密度之間的關系曲線稱為極化曲線。圖

　　5中EZn° A為陽極極化曲線;而ECu° K為陰極極化曲線。ΔEa和ΔEk分別是在電流密度為i1時的陽極極化值和陰極極化值。

　　從極化曲線的形狀得知,電極極化的大小可判斷電極反應的難易程度。若極化曲線較陡,表明極化值較大,反應的阻力大,過程較難進行;若極化曲線較平坦,則表明極化值較小,阻力也小,反應容易進行。

　　極化產生的原因和類型

　　極化現象產生的實質在于電子的遷移速度比電極反應及其相關的步驟完成的速度快。進行陽極反應時,金屬離子轉入溶液的速度落后于電于從陽極流到外電路的速度,這就使陽極上積累起過剩的正電荷,導致陽極電位向正方向移動;在陰極反應中,接受電子的物質來不及與流入陰極的電子相結合,這就使電子在陰極上積累,導致陰極的電位向負方向移動。

　　任何一個電極反應的進行,都要經過—系列互相連續的步驟,其中阻力最大的、進行最困難的、決定整個電極過程速度的最慢步驟稱為控制步驟,電極的極化主要是電極反應過種中控制步驟所受阻力的反映。

　　極化主要分為兩類:電化學極化和濃度極化,其極化曲線的形狀如圖6所示。

　　圖6有極化時電極過程的極化曲線

　　電化學極化:如果電極反應所需的活化能較高,因而使有電荷轉移的電化學過程速度變得最慢,成了整個電極過程的控制步驟,由此導致的極化稱為電化學極化又稱活化極化。

　　腐蝕的電化學篇三：電化學腐蝕

　　2）電化學腐蝕速率的測定

　　金屬的腐蝕速度可用腐蝕失重或腐蝕深度表示，也可用腐蝕電流密度表示。

　　在電化學腐蝕過程中，一般以自腐蝕電流密度icorr的大小來衡量金屬的腐蝕速度。

　　測定腐蝕電流密度的方法很多，本實驗用塔費爾直線外推法來測定金屬電化學腐

　　蝕過程中的腐蝕電流密度，來衡量金屬的腐蝕速度。如圖2-1為塔費爾直線。

　　圖2-1極化曲線外延法測得金屬腐蝕速度

　　極化曲線的這一區段稱為塔費爾區，也叫強極化區。在極化曲線中，塔費爾

　　直線延長線的交點處，金屬陽極溶解的速度和陰極的去極化反應的速度相等。金

　　屬的腐蝕達到相對穩定，這時的電位即是自腐蝕電位，自腐蝕電位的高低反應了

　　材料發生腐蝕的難易程度，自腐蝕電位越高，材料越不容易發生腐蝕，自腐蝕電

　　位越低，材料就越容易發生腐蝕；所對應的電流就是金屬腐蝕電流，腐蝕電流反

　　應了金屬發生腐蝕的快慢程度，腐蝕電流越大，金屬發生腐蝕的速度就越大，腐

　　蝕電流越小，金屬發生腐蝕的速度就越小。根據這一原理，測定金屬的極化曲線。

　　將陽極或者陰極的塔費爾直線外推到與過電位為零的直線相交，交點對應的電流

　　為腐蝕速度。

　　3）實驗設備及條件

　　①實驗設備

　　實驗采用電化學測量系統對各試樣進行電化學腐蝕性能測試實驗。其裝置如

　　圖2-2所示：

　　圖2-2 電化學極化曲線測量裝置示意圖

　　實驗裝置中三電極體系中以飽和甘汞（SCE）電極作為參比電極（reference electrode）；Pt 電極作為輔助電極（auxiliary electrode）；代測試樣為研究電極（research electrode）。參比電極和研究電極間用鹽橋連接，魯金毛細管（capiliary）距研究電極1～2毫米。

　　電化學工作站部分參數如下：

　　初始電位(V)：-2；終止電位(V)：2.2；掃描段數：1；終止電位處保持時間：0；靜置時間：2s；電流靈敏度(A/V)： 1.e-0.04。

　　②實驗條件

　　a．腐蝕試樣：對1#到12#試樣進行蠟封，即：在試樣上用油性筆取1cm×1cm的面積，并在其上放置橡皮，而后將燒化的蠟汁快速滴于試樣表面，即蠟封處理。

　　b．腐蝕溶液：3.5%的NaCl水溶液（與浸泡實驗相對應）

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