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腐蝕的電化學(xué)教案
腐蝕的電化學(xué)篇一:金屬材料的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)
金屬材料的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
1.了解金屬電化學(xué)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(shí)驗(yàn)原理
1. 金屬的電化學(xué)腐蝕類(lèi)型
(1)微電池腐蝕
、俨町惓錃飧g
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(yáng)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(yáng)極金屬亞鐵離子進(jìn)一步與K3[Fe(CN)6]反應(yīng),生成藍(lán)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(yīng)式如下:
陽(yáng)極(氧氣濃度小的部位)反應(yīng)式:
Fe = Fe2+ + 2e-
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 (藍(lán)色沉淀) 陰極(氧氣濃度大的部位)反應(yīng)式:
O2 + 2H2O +4e- = 4OH-
、谖鰵涓g
金屬鐵浸在含有K3[Fe(CN)6]2的鹽酸溶液中,鐵作為陽(yáng)極失去電子,受腐蝕,雜質(zhì)作為陰極,在其表面H+得電子被還原析出氫氣。兩極反應(yīng)式為: 陽(yáng)極:Fe = Fe2+ + 2e-
陰極:2H++2e-= H2↑
在其中加入K3[Fe(CN)6],則陽(yáng)極附近的Fe2+進(jìn)一步反應(yīng):
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 (藍(lán)色沉淀)
(2)宏電池腐蝕
、俳饘勹F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(gòu)成了宏電池,鐵作為陽(yáng)極,失去電++
子受到腐蝕(屬于吸氧腐蝕)。兩極的電極反應(yīng)式分別如下:
陽(yáng)極反應(yīng)式:
Fe = Fe2+ + 2e-
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 (藍(lán)色沉淀) 陰極(銅表面)反應(yīng)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(huán)境同上,則由于?(Zn2/Zn)< ?(Fe2/Fe),++
鋅作為陽(yáng)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(dǎo)致酚酞變紅(屬于吸氧腐蝕)。兩極的電極反應(yīng)式分別如下:
陽(yáng)極反應(yīng)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(yīng)式:
O2 + 2H2O +4e- = 4OH-
2.金屬腐蝕的防護(hù)
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(hù)層及陰極保護(hù)法等方法。金屬表面涂覆保護(hù)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(jī)緩蝕劑作用機(jī)理
在金屬剛開(kāi)始溶解時(shí),金屬表面帶有的負(fù)電荷能吸附緩蝕劑的離子或分子,形成難溶且腐蝕介質(zhì)很難穿透的保護(hù)膜。在酸性介質(zhì)中,一般是含有N、S、O的有機(jī)化合物。常用的緩蝕劑有烏洛托品、若丁等。
。2) 無(wú)機(jī)緩蝕劑作用機(jī)理
在中性或堿性介質(zhì)中可以采用無(wú)機(jī)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?chē)橘|(zhì)侵蝕,起到保護(hù)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(hù)層。其有關(guān)反應(yīng)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(yàn)液檢驗(yàn)原理
磷化后的鐵釘表面: Fe2+ + HPO42- = FeHPO4(暗灰色膜?)
Cu2+ + HPO42- = CuHPO4(暗黑色?)
沒(méi)有磷化后的鐵釘表面:Fe +Cu2+= Fe2++ Cu(棕紅色?)
三、實(shí)驗(yàn)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(xì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1. 金屬的電化學(xué)腐蝕
(1)準(zhǔn)備鐵釘和混合溶液
、勹F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(lái)水淋洗后放在潔凈的小燒杯中,再以去離子水浸泡備用。
、谂渲坪猩倭糠犹幕旌先芤海喝1支試管,加入6mL 0.1 mo1·L-1的NaCl溶液(增加導(dǎo)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
、俨町惓錃飧g
用細(xì)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(guān)察現(xiàn)象,并用兩極反應(yīng)式解釋之。
、谖鰵涓g
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(guān)察現(xiàn)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(guò)銹的小鐵釘,經(jīng)自來(lái)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(shù)分鐘(不要晃動(dòng)),觀(guān)察現(xiàn)象并用兩極反應(yīng)式解釋之。
2.金屬腐蝕的防護(hù)
。1)有機(jī)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(wú)銹的鐵釘分別放入其中。反應(yīng)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(guān)察和比較出現(xiàn)的現(xiàn)象,并用兩極反應(yīng)式解釋之。
。2)無(wú)機(jī)緩蝕劑的作用(金屬表面的磷化)
準(zhǔn)備2支潔凈試管和2枚已用濃HCl溶液除過(guò)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(guān)察磷化膜。
。3)檢驗(yàn)質(zhì)量
向上述2支裝有鐵釘?shù)脑嚬苤校謩e加入3%的CuSO4檢驗(yàn)液3mL,靜置2-3min后,觀(guān)察現(xiàn)象并用反應(yīng)式解釋之。
五、注意事項(xiàng)
1. 鐵釘一定要事先算好需要幾個(gè),然后集中除銹。
2. 需要靜置數(shù)分鐘的實(shí)驗(yàn),千萬(wàn)不要晃動(dòng)試管,以免現(xiàn)象觀(guān)察不明顯。
3. 用鋅絲纏鐵釘時(shí)要慢緩慢用勁纏緊,防止鋅絲折斷;不要纏滿(mǎn)鐵釘,只要鐵釘有一段被纏上就可觀(guān)察到現(xiàn)象。
4.鐵片,銅絲,鋅絲,鐵釘?shù)扔煤笙磧艋厥罩猎。所有試劑用后放回原處?/p>
5.實(shí)驗(yàn)中一定要仔細(xì)觀(guān)察現(xiàn)象有無(wú)變化,記錄現(xiàn)象要完整,并用學(xué)過(guò)的知識(shí)和有關(guān)反應(yīng)方程式解釋之。
六、實(shí)驗(yàn)記錄
七、思考題
1.吸氧腐蝕發(fā)生的條件是什么??jī)蓸O反應(yīng)式分別如何?
2.析氫腐蝕的條件是什么??jī)蓸O反應(yīng)式分別如何?
腐蝕的電化學(xué)篇二:腐蝕電化學(xué)
金屬的腐蝕速度與極化作用
文/林玉珍·北京化工大學(xué)
在實(shí)際中,人們不僅關(guān)心金屬設(shè)備和材料的腐蝕傾向,更重要的是關(guān)心腐蝕過(guò)程進(jìn)行的速度。一個(gè)大的腐蝕傾向不一定對(duì)應(yīng)著一個(gè)高的腐蝕速度。例如鋁,從熱力學(xué)角度看,它的腐蝕傾向很明顯,但在某些介質(zhì)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?梢(jiàn),腐蝕傾向并不能作為腐蝕速度的尺度。對(duì)于金屬設(shè)備來(lái)說(shuō),要設(shè)法來(lái)降低腐蝕反應(yīng)的速度,以達(dá)到延長(zhǎng)其使用壽命的目的。為此,必須了解腐蝕過(guò)程的機(jī)理,掌握不同條件下腐蝕的動(dòng)力學(xué)規(guī)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(fā)生的根本原因是由于環(huán)境中有氧化劑存在。而在工程中“材料/環(huán)境”組成的電極系統(tǒng),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(tǒng)稱(chēng)為電化學(xué)不均勻性,從而形成腐蝕原電池,加速了腐蝕。例如工業(yè)鋅,因其中含雜質(zhì)(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(yáng)極(區(qū))上發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)(陽(yáng)極反應(yīng)),電位相對(duì)較低,是電池中的負(fù)極,也是發(fā)生腐蝕的地方。陰極(區(qū))上發(fā)生接收電子的還原反應(yīng)(陰極反應(yīng)),電位相對(duì)較高,是電池中的正極。腐蝕電流Ic的流向是指正電荷流動(dòng)的方向,電流從陽(yáng)極流出進(jìn)入溶液中,再?gòu)娜芤褐辛魅腙帢O。
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(lián)系,缺—不可。只要其中任何一個(gè)步驟停止,整個(gè)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(diǎn)
、俑g電池是短路的原電池,它將化學(xué)能變成電能,但卻不能被利用,而是以熱的形式散失掉了。
、诟g電池的存在,只能加速腐蝕,而不是腐蝕發(fā)生的根本原因。如果環(huán)境中沒(méi)有氧化劑存在,即使有腐蝕電池的存在,也不會(huì)發(fā)生腐蝕。
、鄹鶕(jù)腐蝕電池中的電極大小,常把腐蝕電池分為宏觀(guān)腐蝕電池和微觀(guān)腐蝕電池兩類(lèi)。
極化作用
極化作用及其表征
觀(guān)察一個(gè)簡(jiǎn)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(dāng)外電路未接通前,外電路的電阻相當(dāng)于無(wú)窮大,電流為零。
當(dāng)電池接通的瞬間,可觀(guān)察到一個(gè)很大的起始電流。根據(jù)歐姆定律,其電流為:
式中Ek°為陰極(銅)的開(kāi)路電位;Ea°為陽(yáng)極(鋅)的開(kāi)路電位;R為電
池系統(tǒng)的總電阻。當(dāng)電流瞬間達(dá)到最大值后,隨時(shí)間的增長(zhǎng)電流卻很快減小,最后穩(wěn)定在一個(gè)較小的電流值。
從歐姆定律可知,影響電流強(qiáng)度I的因素有二,電池兩極間的電位差和電池內(nèi)外電阻的總和R。電池接通,總電阻R并沒(méi)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(jié)果。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的情況也完全證明了這一現(xiàn)象。
如圖4所示,當(dāng)電路接通后,陰極(銅)的電位變得越來(lái)越負(fù);而陽(yáng)極(鋅)的電位變得越來(lái)越正;兩極間的.電位差變得越來(lái)越小,最后當(dāng)電流減小并穩(wěn)定在某值時(shí),陰極的電位負(fù)移至Ek,而陽(yáng)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(shí)間變化的示意圖
由于電流的通過(guò)而引起原電池兩極間電位差變小,導(dǎo)致電池工作電流強(qiáng)度降低的現(xiàn)象,稱(chēng)為原電池的極化作用。隨電流通過(guò),陽(yáng)極的電位向正值方向移動(dòng)的象稱(chēng)為陽(yáng)極極化。陰極的電位向負(fù)值方向移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為陰極極化。
同時(shí),消除或堿弱陽(yáng)極和陰極極化作用的過(guò)程稱(chēng)為去極化作用或去極化過(guò)程。能消除或減弱極化作用的物質(zhì)稱(chēng)為去極化劑。因此,可以認(rèn)為環(huán)境中存在的氧化劑就是—種去極化劑。
可見(jiàn),腐蝕電池的極化作用,導(dǎo)致腐蝕電流減小,從而降低了腐蝕速度。如果沒(méi)有極化作用,金屬材料和設(shè)備的腐蝕速度也將大得多。極化相當(dāng)于—種阻力,增大極化有利防腐。 為便于準(zhǔn)確理解極化作用,經(jīng)常利用電位E-電流強(qiáng)度I或電流密度i圖來(lái)描述。如圖5所示。
圖5極化曲線(xiàn)
圖中ECu°和EZn°分別為銅電極和鋅電極的開(kāi)路電位。隨著電流密度的增加,陽(yáng)極電位沿曲線(xiàn)EZn° A向正方向移動(dòng),而陰極電位沿曲線(xiàn)ECu°K向負(fù)方向移動(dòng)。
把表示電極電位與極化電流密度之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為極化曲線(xiàn)。圖
5中EZn° A為陽(yáng)極極化曲線(xiàn);而ECu° K為陰極極化曲線(xiàn)。ΔEa和ΔEk分別是在電流密度為i1時(shí)的陽(yáng)極極化值和陰極極化值。
從極化曲線(xiàn)的形狀得知,電極極化的大小可判斷電極反應(yīng)的難易程度。若極化曲線(xiàn)較陡,表明極化值較大,反應(yīng)的阻力大,過(guò)程較難進(jìn)行;若極化曲線(xiàn)較平坦,則表明極化值較小,阻力也小,反應(yīng)容易進(jìn)行。
極化產(chǎn)生的原因和類(lèi)型
極化現(xiàn)象產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)在于電子的遷移速度比電極反應(yīng)及其相關(guān)的步驟完成的速度快。進(jìn)行陽(yáng)極反應(yīng)時(shí),金屬離子轉(zhuǎn)入溶液的速度落后于電于從陽(yáng)極流到外電路的速度,這就使陽(yáng)極上積累起過(guò)剩的正電荷,導(dǎo)致陽(yáng)極電位向正方向移動(dòng);在陰極反應(yīng)中,接受電子的物質(zhì)來(lái)不及與流入陰極的電子相結(jié)合,這就使電子在陰極上積累,導(dǎo)致陰極的電位向負(fù)方向移動(dòng)。
任何一個(gè)電極反應(yīng)的進(jìn)行,都要經(jīng)過(guò)—系列互相連續(xù)的步驟,其中阻力最大的、進(jìn)行最困難的、決定整個(gè)電極過(guò)程速度的最慢步驟稱(chēng)為控制步驟,電極的極化主要是電極反應(yīng)過(guò)種中控制步驟所受阻力的反映。
極化主要分為兩類(lèi):電化學(xué)極化和濃度極化,其極化曲線(xiàn)的形狀如圖6所示。
圖6有極化時(shí)電極過(guò)程的極化曲線(xiàn)
電化學(xué)極化:如果電極反應(yīng)所需的活化能較高,因而使有電荷轉(zhuǎn)移的電化學(xué)過(guò)程速度變得最慢,成了整個(gè)電極過(guò)程的控制步驟,由此導(dǎo)致的極化稱(chēng)為電化學(xué)極化又稱(chēng)活化極化。
腐蝕的電化學(xué)篇三:電化學(xué)腐蝕
2)電化學(xué)腐蝕速率的測(cè)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(xué)腐蝕過(guò)程中,一般以自腐蝕電流密度icorr的大小來(lái)衡量金屬的腐蝕速度。
測(cè)定腐蝕電流密度的方法很多,本實(shí)驗(yàn)用塔費(fèi)爾直線(xiàn)外推法來(lái)測(cè)定金屬電化學(xué)腐
蝕過(guò)程中的腐蝕電流密度,來(lái)衡量金屬的腐蝕速度。如圖2-1為塔費(fèi)爾直線(xiàn)。
圖2-1極化曲線(xiàn)外延法測(cè)得金屬腐蝕速度
極化曲線(xiàn)的這一區(qū)段稱(chēng)為塔費(fèi)爾區(qū),也叫強(qiáng)極化區(qū)。在極化曲線(xiàn)中,塔費(fèi)爾
直線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)的交點(diǎn)處,金屬陽(yáng)極溶解的速度和陰極的去極化反應(yīng)的速度相等。金
屬的腐蝕達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定,這時(shí)的電位即是自腐蝕電位,自腐蝕電位的高低反應(yīng)了
材料發(fā)生腐蝕的難易程度,自腐蝕電位越高,材料越不容易發(fā)生腐蝕,自腐蝕電
位越低,材料就越容易發(fā)生腐蝕;所對(duì)應(yīng)的電流就是金屬腐蝕電流,腐蝕電流反
應(yīng)了金屬發(fā)生腐蝕的快慢程度,腐蝕電流越大,金屬發(fā)生腐蝕的速度就越大,腐
蝕電流越小,金屬發(fā)生腐蝕的速度就越小。根據(jù)這一原理,測(cè)定金屬的極化曲線(xiàn)。
將陽(yáng)極或者陰極的塔費(fèi)爾直線(xiàn)外推到與過(guò)電位為零的直線(xiàn)相交,交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流
為腐蝕速度。
3)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件
、賹(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)各試樣進(jìn)行電化學(xué)腐蝕性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。其裝置如
圖2-2所示:
圖2-2 電化學(xué)極化曲線(xiàn)測(cè)量裝置示意圖
實(shí)驗(yàn)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(cè)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(xì)管(capiliary)距研究電極1~2毫米。
電化學(xué)工作站部分參數(shù)如下:
初始電位(V):-2;終止電位(V):2.2;掃描段數(shù):1;終止電位處保持時(shí)間:0;靜置時(shí)間:2s;電流靈敏度(A/V): 1.e-0.04。
②實(shí)驗(yàn)條件
a.腐蝕試樣:對(duì)1#到12#試樣進(jìn)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(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng))
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