淺談電化學在的電廠金屬腐蝕與防護的應用.doc

淺談電化學在的電廠金屬腐蝕與防護的應用 1.腐蝕電池（原電池或微電池） 電廠金屬的電化學腐蝕是電廠金屬與介質(zhì)接觸時發(fā)生的自溶解過程在這個過程中電廠金屬被氧化，所釋放的電子完全為氧化劑消耗，構(gòu)成一個自發(fā)的短路電池，這類電池被稱之為腐蝕電池腐蝕電池分為三（或二）類：（1）不同電廠金屬與同一種電解質(zhì)溶液接觸就會形成腐蝕電池例如：在銅板上有一鐵鉚釘，其形成的腐蝕電池鐵作陽極（負極）發(fā)生電廠金屬的氧化反應：FeFe2+2e-；（FeFe2+2e）=-0.447V.陰極（正極）銅上可能有如下兩種還原反應：（a）在空氣中氧分壓=21kPa時：O2+4H+4e-2H2O；（O2+4H+4e-2H2O）=1.229V，（b）沒有氧氣時，發(fā)生2H+2e-H2；（2H+2e-H2）=0V，有氧氣存在的電池電動勢E1=1.229-（-0.447）=1.676V；沒有氧氣存在時，電池的電動勢E2=0-（-0.447）=0.447V可見吸氧腐蝕更容易發(fā)生，當有氧氣存在時鐵的銹蝕特別嚴重銅板與鐵釘兩種電廠金屬（電極）連結(jié)一起，相當于電池的外電路短接，于是兩極上不斷發(fā)生上述氧化還原反應Fe氧化成Fe2+進入溶液，多余的電子轉(zhuǎn)向銅極上，在銅極上O2與H+發(fā)生還原反應，消耗電子，并且消耗了H+，使溶液的pH值增大在水膜中生成的Fe2+離子與其中的OH離子作用生成Fe（OH）2，接著又被空氣中氧繼續(xù)氧化，即：Fe2+2OH-Fe（OH）24Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3Fe（OH）3乃是鐵銹的主要成分這樣不斷地進行下去，機械部件就受到腐蝕（2）電解質(zhì)溶液接觸的一種電廠金屬也會因表面不均勻或含雜質(zhì)微電池例如工業(yè)用鋼材其中含雜質(zhì)（如碳等），當其表面覆蓋一層電解質(zhì)薄膜時，鐵、碳及電解質(zhì)溶液就構(gòu)成微型腐蝕電池該微型電池中鐵是陽極：FeFe2+2e-碳作為陰極：如果電解質(zhì)溶液是酸性，則陰極上有氫氣放出（2H+2e-H2）；如果電解質(zhì)溶液是堿性，則陰極上發(fā)生反應O2+2H2O+4e-4OH- 總結(jié) 從上面的分析可以看出：所形成的腐蝕電池陽極反應一般都是電廠金屬的溶解過程：MMz+ze-陰極反應在不同條件下可以是不同的反應，最常見的有下列兩種反應：在缺氧條件下，H+離子還原成氫氣的反應（釋氫腐蝕）2H+2e-H2（=0.0V）該反應通常容易發(fā)生在酸性溶液中和在氫超電勢較小的電廠金屬材料上氧氣還原成OH-離子或H2O的反應（耗氧腐蝕）中性或堿性溶液中O2+2H2O+4e4OH-（=0.401V）在酸性環(huán)境中，O2+4H+4e-2H2（=1.229V）2.腐蝕電流一旦組成腐蝕電池之后，有電流通過電極，電極就要發(fā)生極化，因而研究極化對腐蝕的影響是十分必要在電廠金屬腐蝕文獻中，將極化曲線（電勢電流關系）繪成直線（橫坐標采用對數(shù)標度），稱為Evans（埃文斯）極化圖（圖108）在Evans極化圖中的電流密度j腐蝕表示了電廠金屬腐蝕電流，實際上代表了電廠金屬的腐蝕速率影響電廠金屬表面腐蝕快慢（即腐蝕電流j）的主要因素：腐蝕電池的電動勢兩電極的平衡電極電勢差越大，最大腐蝕電流也越大電廠金屬的極化性能在其它條件相同的情況下，極化程度愈大（即極化曲線的斜率），腐蝕電流愈小氫超電勢釋氫腐蝕時，氫在電廠金屬表面析出的超電勢逾大，極化曲線的斜率就逾大，腐蝕電流反而減小。 二、電廠金屬的穩(wěn)定性 “在所處環(huán)境下電廠金屬材料的穩(wěn)定性如何？”是研究電廠金屬腐蝕與防腐首先必須考慮的問題因此，電廠金屬-水系統(tǒng)的電勢pH圖無疑是很有用的工具1.電勢（E）pH關系的一般表達式 若有如下電極反應：xO（氧化態(tài)）+mH+ze-？-yR（還原態(tài)）+nH2O例如：Fe3O4+8H+2e-=3Fe2+4H2O式中O代表氧化態(tài)、R代表還原態(tài)；x，m，z，y，n為各反應物、產(chǎn)物的計量系數(shù)當T=298.15K時E=-（1014）因pH=-lga（H+），a（H2O）=1上式可寫成E=-（1015）在a（R），a（O）被指定時，電勢E與pH值成直線關系.電勢與pH無關的反應：.這些反應只有電子得失，沒有H+或OH-離子參加例如反應Zn2+（aq）+2e-=Zn（s）；E（Zn2+2e-Zn）=-0.762+0.0295lga（Zn2+）/a（Zn）當a（Zn2+）=10-6、a（Zn）=1.0時，E（Zn2+2e-Zn）=-0.939V3.水溶液中的氫、氧電極反應因為反應在水溶液中進行，反應與H2，O2，H+，OH-關所以凡是以水作為溶劑的反應系統(tǒng)都一定要考慮氫、氧電極反應氫電極反應（線）：電應式2H+（a）+2e-H2（p）；當p（H2）=時，有E（2H+2e-H2）=-0.0592pH（1013）在EpH圖上是一條截距為零的直線，斜率為-0.0592氧電極反應（線）：電極反應式O2（p）+2H+（a）+2e-H2O（l）在298.15K，a（H2O）=1、p（O2）=，E（O2+2H+2e-H2O）=1.229-0.0592pH該式表示氧電極反應的EpH直線與氫電極的EpH直線斜率相同，僅截距不同4.電勢-pH圖的應用（1）圖109中每條線上的點都表示ZnH2O系統(tǒng)的一個平衡狀態(tài)凡不在直線上的任何一點均為非平衡狀態(tài)，且每條線上方為該線所代表電極反應中氧化態(tài)穩(wěn)定區(qū)，下方為還原態(tài)穩(wěn)定區(qū)因此，在圖上分別得到Zn2+，Zn，Zn（OH）2的各自穩(wěn)定存在區(qū)線以上是O2（氧化態(tài)）的穩(wěn)定區(qū)，下方是H2O（還原態(tài)）的穩(wěn)定存在區(qū)；在線以上是H+（氧化態(tài)）的穩(wěn)定區(qū)、線以下是H2（還原態(tài)）的穩(wěn)定存在區(qū)（2）在EpH圖中任意兩條線所代表的電極反應都能構(gòu)成一個化學反應例如線與所代表的電極反應構(gòu)成的化學反應為：O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）該反應可視為氧電極和氫電極組成的燃料電池一般而言，高電勢區(qū)直線所代表電極反應中的氧化態(tài)能氧化低電勢區(qū)直線所代表反應中的還原態(tài)即：氧化態(tài)上+還原態(tài)下還原態(tài)上+氧化態(tài)下且二直線相距愈遠，以此二直線所代表電極反應組成電池時，電池的電動勢就愈大，因此該氧化還原反應的趨勢就愈大如Zn2+2e-=Zn是線段a代表的平衡系統(tǒng)，該平衡位于線下方，說明Zn在水溶液中是不穩(wěn)定的溶液中H+被還原成H2（g），Zn被氧化成Zn2+的反應2H+Zn=Zn2+H2是自發(fā)進行的又因Zn的穩(wěn)定區(qū)也在O2還原反應的線以下，Zn被氧化成Zn2的反應：0.5O2+2H+Zn=Zn2+H2O線與a線反應組成電池：線與a線組成電池，比線距離線a更遠，說明在含有O2的水溶液中Zn的熱力學穩(wěn)定性更差（3）EpH圖可用來指導防腐、電廠金屬保護等方面的研究從圖109可知，當E-0.9V時，Zn在酸性溶液中，既使在有氧存在的情況下都可以穩(wěn)定存在，這就是電廠金屬電化學防腐的陰極保護原理；（4）水-Fe的E-pH圖：Fe2+2e-Fe（1線Fe2O3+6H+2e=2Fe2+3H2O（2線）Fe3+e-=Fe2+（3線）Fe2O3+6H+=2Fe3+3H2O（4線）Fe3O4+8