金屬第三章電化學(xué)腐蝕演示課件

1、,第三章 電化學(xué)腐蝕,第一節(jié) 腐蝕電池 第二節(jié) 腐蝕程度的表示方法 第三節(jié) 極化作用 第四節(jié) 影響金屬腐蝕的因素,第一節(jié) 腐蝕電池 一 腐蝕電池 二 金屬腐蝕的電化學(xué)歷程 三 腐蝕電池的類型,一 腐蝕電池 丹尼爾電池 (-)Zn Zn2+( C1) Cu2+( C2) Cu(+) 伏打電池 (-)Zn Zn2+( C1) H+( C2) H2 (P)(Pt)(+) 在討論腐蝕問題時，稱原電池為腐蝕原電池或腐蝕電池。且規(guī)定： 電極電勢較低的電極陽極氧化反應(yīng) 電極電勢較高的電極陰極還原反應(yīng) 金屬在電解質(zhì)中的腐蝕是由于形成了腐蝕原電池而引起的。,二 金屬腐蝕的電化學(xué)歷程 化學(xué)腐蝕： (圖a)M +

2、1/2O2 = MO 電化學(xué)腐蝕 ： (圖b)(中性介質(zhì)） 陽極：M - 2e M2+ 陰極：1/2O2 + H2O +2e 2OH- 溶液中: M2+2OH- M(OH)2 MOH2O,基本特點(diǎn)： 、兩個半反應(yīng)在空間上是可分的。 、整個腐蝕反應(yīng)分成兩個既相互聯(lián)系又相對獨(dú)立的兩個半反應(yīng)。 電化學(xué)腐蝕過程是一個氧化還原反應(yīng)。,反應(yīng)歷程的三個環(huán)節(jié)： 、陽極過程： M - ne Mn+ 、電子從陽極陰極 、陰極過程：D + ne Dne 三個環(huán)節(jié)相互聯(lián)系缺一不可，如果其中一個環(huán)節(jié)受阻或停止，則整個腐蝕過程就減緩或停止。,總結(jié)： 腐蝕原電池的結(jié)構(gòu)和作用原理與一般原電池并無本質(zhì)的區(qū)別。腐蝕原電池的特點(diǎn)-

3、是一種短路了的原電池。工作時雖也產(chǎn)生電流，但其電能不能被利用，而是以熱的形式散失掉了，其工作的直接結(jié)果只是加速了金屬的腐蝕。,電化學(xué)腐蝕 當(dāng)金屬與電解質(zhì)溶液接觸時，由于電化學(xué)作用而引起的腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕。其腐蝕原理與化學(xué)腐蝕不同,它是以不同的金屬(或?qū)щ姺墙饘?為兩極形成腐蝕電池的結(jié)果。 金屬的電化學(xué)腐蝕的機(jī)理與原電池原理相同，通常把腐蝕中的電池，稱為腐蝕電池；同時把腐蝕電池的負(fù)極(失電子的電極)稱為陽極，把正極(得電子的電極)稱為陰極。,三 腐蝕電池的類型 根據(jù)腐蝕電池大小,宏觀電池 （）丹尼爾電池伏打電池 （）接觸腐蝕電偶腐蝕析氫腐蝕 （）濃差腐蝕（氧濃差腐蝕電池） (-)Zn Zn2+

4、( C1) Cu2+( C2) Cu(+) (-)Zn Zn2+( C1) H+( C2) H2 (P)(Pt)(+),宏觀電池 宏觀電池有獨(dú)立的兩極，可用肉眼分辨出來，如丹尼爾電池和電偶電池。 在潮濕空氣中，金屬的表面可覆蓋上一層極薄的水膜，溶解CO2等后會有下列反應(yīng)發(fā)生： CO2+H2O=H2CO3=HHCO3-,鋁和銅放在含有H、OH-、HCO3-電解質(zhì)溶液中形成腐蝕電池。鋁為陽極，銅為陰極，電極反應(yīng)如下： 陽極： Al3e Al3+ 陰極： (中性介質(zhì)）O2 十2H2O十4e 4OH- （酸性介質(zhì)） 2H+十2e H2 溶液中的 Al3+與OH-結(jié)合生成Al(OH)3沉淀，于是鋁很快地

5、遭到腐蝕。,析氫腐蝕 （酸性介質(zhì)） 腐蝕過程中的陰極上有氫氣析出的腐蝕。它常發(fā)生在酸洗或用酸浸蝕某種較活潑金屬的加工過程中。Fe作為腐蝕電池的陽極，鋼鐵中較Fe不活潑的其他雜質(zhì)作陰極，H+在陰極上獲得電子發(fā)生還原反應(yīng) 陽極(Fe)： Fe 2e Fe2+ 陰極(雜質(zhì))： 2H+十2e H2(g) 總反應(yīng)： Fe十2HFeH(g),吸氧腐蝕 （中性介質(zhì)） 在腐蝕過程中溶解于水膜中的氧氣在陰極上得到電子被還原生成OH的腐蝕。它常常是在中性、堿性或弱酸性的介質(zhì)中發(fā)生的。由于(OOH-)的代數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(H)的代數(shù)值，且空氣中的O2不斷溶入水膜中，所以大氣中鋼鐵等金屬的腐蝕主要形式是吸氧腐蝕。,反應(yīng)方

6、程式如下 陽極(Fe)： Fe 2e Fe 陰極(雜質(zhì))： O2十2H2O十4e 4OH- 總反應(yīng)： 2Fe十O2十2H2O 2Fe(OH)2 4Fe(OH)2十O2十2H2O 4Fe(OH) Fe2O3xH2O(鐵銹) 鍋爐、鐵制水管等系統(tǒng)常含有大量的溶解氧，故常發(fā)生嚴(yán)重的吸氧腐蝕。,（）濃差腐蝕（氧濃差腐蝕電池）,腐蝕過程的電極 陰極：(O2濃度較大的部位處) 陽極：(O2濃度較小的部位處) 氧濃差腐蝕（又稱差異充氣腐蝕）在生產(chǎn)中常常遇到，如金屬裂縫深處的腐蝕，浸入水中的支架埋入地里的鐵柱和水封式儲氣柜的腐蝕等等。,微觀電池 （）金屬表面成分不均勻性； （）金屬組織結(jié)構(gòu)的不均勻性； （）金

7、屬表面的物理狀態(tài)不均勻性； （）金屬表面膜不完整性。,微觀電池 微觀腐蝕電池中無明顯分立的兩極，肉眼不能分辨。如鋼鐵中的石墨和碳化物Fe3C等雜質(zhì)的電極電勢數(shù)值都比鐵大，表面吸潮后會覆蓋一層極薄的溶有CO2等的水膜，相當(dāng)于浸在電解質(zhì)溶液中，形成了微電池，此時，F(xiàn)e為陽極，失去電子變成Fe而進(jìn)入溶液；Fe失去的電子通過金屬內(nèi)部傳到雜質(zhì)(陰極)，液膜中的某種氧化態(tài)物質(zhì)(如H)在雜質(zhì)上得到電子，腐蝕電流源源不斷，鋼鐵即遭到腐蝕。 由于所形成的微電池數(shù)目很多，電極也很多，兩極間的距離又很近。所以其腐蝕速率很快，腐蝕程度嚴(yán)重。,腐蝕機(jī)理 化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕 介質(zhì)干燥氣體/非電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液 電子傳遞

8、直接，測不出電流 分別，測得出電流 反應(yīng)區(qū)在碰撞點(diǎn)瞬間完成 在陰陽極區(qū)同時完成 產(chǎn)物在碰撞點(diǎn)直接形成 一次產(chǎn)物在電極上形成 二次產(chǎn)物在一次產(chǎn)物相遇處形成 能量轉(zhuǎn)換化學(xué)能-機(jī)械力、熱能 化學(xué)能-電能 過程規(guī)律化學(xué)反應(yīng)動力學(xué) 電極過程動力學(xué) 溫度高溫為主 室溫/高溫,第二節(jié) 腐蝕程度的表示方法 一、由重量變化來評定(均勻腐蝕) 二、由腐蝕厚度來評定(均勻腐蝕) 三、電化學(xué)腐蝕速度,一、由重量變化來評定(均勻腐蝕),二、由腐蝕厚度來評定(均勻腐蝕) 考慮到金屬的比重 ex:當(dāng)重量損失 K- = 1.0g/m2hr時 鋼、生鐵、銅的腐蝕深度為1.1mm/年 鋁的腐蝕深度為3.4mm/年,均勻腐蝕密度相

9、近重量方法 密度不同厚度變化 晶間腐蝕、氫腐蝕(力學(xué)/電阻變化) 電化學(xué)腐蝕陽極電流密度,三 電化學(xué)腐蝕速度陽極電流密度 陽極：失電子數(shù)金屬溶解量 1 法拉第定律,2 腐蝕速度： 金屬在單位時間單位陽極表面積上所損失的重量。(如以克/米2小時),采用不同的單位，獲得不同的K表達(dá)式,第三節(jié) 極化作用 一、極化現(xiàn)象 二、極化作用 三、氫去極化腐蝕 四、氧去極化腐蝕 五、腐蝕極化圖,一、極化現(xiàn)象 例：Cu/Zn的表面積S=10cm2,浸入3%NaCl溶液中，R外=110，R內(nèi)=90，Cu和Zn在該溶液中的開路電勢分別為Cu+0.05伏和Zn-0.83伏。觀察該腐蝕電池在電路接通后其電流變化情況。,實

10、驗現(xiàn)象 外電路接通前，R外無窮大，電流為零； 外電路接通的瞬間，觀察到一個很大的起始電流I始=4.410-3安培； 在達(dá)到最大值I始后，電流很快變小到一個穩(wěn)定的電流值I穩(wěn)=1.510-4安培。 為什么腐蝕電流會減??？,二、極化作用 I = E / R 實驗測量證明I的降低是由于電池兩極間的電勢差發(fā)生變化的結(jié)果。 由于通過電流而引起電池兩極間的電勢差降低并因而引起電池工作電流強(qiáng)度降低的現(xiàn)象稱為極化作用。(圖) （沒有可察覺到的電流通過時的電極電勢稱為平衡電勢）,電池電路接通后,極化作用 腐蝕電池發(fā)生極化可使腐蝕電流強(qiáng)度減小，從而可降低金屬腐蝕速度。故研究產(chǎn)生極化的原因和影響因素，對探討金屬腐蝕具

11、有重要的意義。 （分為陽極極化、陰極極化),產(chǎn)生極化的原因 1)、濃差極化 由于離子向外擴(kuò)散速度 離子在電極上的放電速度引起的。,2)電化學(xué)極化 由于電化學(xué)反應(yīng)(如離子的放電、原子結(jié)合為分子、水化離子脫水等)的速度 小于 電流速度引起的。,3)電阻極化 當(dāng)電流通過電極時，有時在電極表面形成氧化膜或其他物質(zhì)，這些物質(zhì)具有一定的電阻，阻礙電子移動，使陰極降低，陽極升高。,1、陽極極化當(dāng)通過電流時陽極電勢向正的方向移動的現(xiàn)象。 原因： (1)陽極過程電化學(xué)極化 (2)濃差極化 (3)電阻極化鈍化 Fe鈍化前后的電勢 -0.5+0.2V / +0.5+1.0V Cr鈍化前后的電勢 -0.6-0.4V

12、/ +0.82+1.0V,產(chǎn)生陽極極化有利于防止腐蝕。 陽極極化曲線-電極電勢與電流密度之間的關(guān)系曲線?？捎脕砼袛嚓枠O極化程度的大小。 活性狀態(tài)的金屬/鈍態(tài)金屬(圖),陽極去極化-消除陽極極化的過程。能加速腐蝕進(jìn)行。 陽極去極化過程： 1)攪拌、加速擴(kuò)散； 2)使陽極產(chǎn)物形成沉淀并除去； 3)使陽極產(chǎn)物形成配位離子。,2、陰極極化當(dāng)通過電流時陰極電勢向負(fù)的方向移動的現(xiàn)象。 原因：(1)電化學(xué)極化電子過多 (2)濃差極化,陰極去極化-消除陰極極化的過程。能加速腐蝕進(jìn)行. 陰極去極化過程：,最常見最重要的陰極去極化過程： 1）氫去極化腐蝕 / 析氫腐蝕 Fe/Zn在酸性介質(zhì)中； Ca/Mg在中性介

13、質(zhì)中； 2）氧去極化腐蝕 / 吸氧腐蝕 很多金屬在大氣、土壤及中性介質(zhì)中。,三、氫去極化腐蝕/析氫腐蝕 常發(fā)生在酸洗或用酸浸蝕某種較活潑金屬的加工過程中?；?如工業(yè)用的鋼鐵，都是合金，內(nèi)含石墨、滲碳體(Fe3C)及其他金屬和雜質(zhì)。往往 雜 Fe2+/Fe，形成微電池， 反應(yīng)如下：,陰極過程-氫去極化過程主要步驟：,上述幾個步驟中,任一步驟進(jìn)行得遲緩,由陽極送來的電子會在陰極堆積,使陰極電勢向負(fù)移動。則整個氫去極化過程即陰極過程將會受到阻礙。陰極電勢變負(fù)程度與陰極電流密度有關(guān)。,通常在一定電流密度下，當(dāng)陰極電勢變負(fù)到一定數(shù)值時，才能看到陰極表面有氫氣持續(xù)逸出，此時的電勢總比H的平衡(理論)電勢值

14、理要負(fù)，通常稱為氫的實際析出電勢實。 見圖。其差值稱為氫超電勢H2,氫超電勢H2越大，氫的實際析出電勢實越小，腐蝕電池的電勢差E越小，腐蝕電流越小，腐蝕程度就越小。 (E= 實- 陽),不同雜質(zhì)對鋅在0.5N硫酸中腐蝕速度的影響,金屬上發(fā)生氫超電勢現(xiàn)象，對金屬腐蝕具有很重要的意義。在陰極上的氫超電勢愈大，陰極氫去極化過程就愈難進(jìn)行，腐蝕速度也就愈慢。 可利用提高氫超電勢的方法降低氫去極化過程，控制金屬的腐蝕速度。,常用方法： 1)提高金屬純度，消除或減少雜質(zhì)； 2)加入緩蝕劑，減小陰極面積，增加； 3)加入電勢大的合金組分，如Hg、Zn、Pb等； 4)降低活性陰離子成分等。,四、氧去極化腐蝕/

15、吸氧腐蝕 -溶液中有氧氣存在時 （中性、堿性介質(zhì)）,氧去極化過程主要步驟： 1、空氣中氧氣溶解到溶液中； 2、溶液中氧氣向陰極表面擴(kuò)散; 3、氧被吸附在陰極表面上; 4、氧氣分子在陰極放電。 在大多數(shù)情況下,氧向電極表面的擴(kuò)散決定整個吸氧腐蝕過程的速度，因為氧在水中的溶解度有限。,實際腐蝕過程中，不可能嚴(yán)格地區(qū)分氫/氧去極化腐蝕，很多場合是混合過程。一般， 酸性介質(zhì)中：以氫去極化為主 中性/堿性介質(zhì)中：以氧去極化為主,在實際腐蝕過程中，研究極化作用和去極化作用非常重要。在絕大多數(shù)情況下，陰極極化作用比較劇烈。 可利用腐蝕極化圖來討論一些腐蝕問題。,五、腐蝕極化圖 1、伊萬（文）思(Evans)極化圖,腐蝕極化圖的四種基本