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

　　金屬材料的電化學(xué)腐蝕與防護

　　一、實(shí)驗目的

　　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�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(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，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(yáng)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－

　�、谖鰵涓�蝕

　　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：

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

　�。�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）。兩極的電極反應式分別如下：

　　陽(yáng)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。

　�、诮饘勹F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，導致酚酞變紅（屬于吸氧腐蝕）。兩極的電極反應式分別如下：

　　陽(yáng)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(kāi)始溶解時(shí)，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(zhì)很難穿透的保護膜。在酸性介質(zhì)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(wú)機緩蝕劑作用機理

　　在中性或堿性介質(zhì)中可以采用無(wú)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?chē)�介質(zhì)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(guān)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(méi)有磷化后的鐵釘表面：Fe ＋Cu2＋= Fe2＋＋ Cu（棕紅色?）

　　三、實(shí)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(shí)驗內容

　　1． 金屬的電化學(xué)腐蝕

　�。�1）準備鐵釘和混合溶液

　�、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�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

　�、俨町惓錃飧�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(guān)察現象，并用兩極反應式解釋之。

　�、谖鰵涓�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(guān)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(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，靜置數分鐘（不要晃動(dòng)），觀(guān)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(wú)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(guān)察和比較出現的現象，并用兩極反應式解釋之。

　�。�2）無(wú)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(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）檢驗質(zhì)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(guān)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(gè)，然后集中除銹。

　　2. 需要靜置數分鐘的實(shí)驗，千萬(wàn)不要晃動(dòng)試管，以免現象觀(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(shí)驗中一定要仔細觀(guān)察現象有無(wú)變化，記錄現象要完整，并用學(xué)過(guò)的知識和有關(guān)反應方程式解釋之。

　　六、實(shí)驗記錄

　　七、思考題

　　1.吸氧腐蝕發(fā)生的條件是什么？?jì)蓸O反應式分別如何？

　　2.析氫腐蝕的條件是什么？?jì)蓸O反應式分別如何？

　　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應著(zhù)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。對于金屬設備來(lái)說(shuō),要設法來(lái)降低腐蝕反應的速度,以達到延長(cháng)其使用壽命的目的。為此,必須了解腐蝕過(guò)程的機理,掌握不同條件下腐蝕的動(dòng)力學(xué)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(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,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(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(zhù)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)上發(fā)生失去電子的氧化反應(陽(yáng)極反應),電位相對較低,是電池中的負極,也是發(fā)生腐蝕的地方。陰極(區)上發(fā)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(dòng)的方向,電流從陽(yáng)極流出進(jìn)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(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�蝕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�蝕電池的存在,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�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

　　當外電路未接通前,外電路的電阻相當于無(wú)窮大,電流為零。

　　當電池接通的瞬間,可觀(guān)察到一個(gè)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(kāi)路電位;Ea°為陽(yáng)極(鋅)的開(kāi)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(shí)間的增長(cháng)電流卻很快減小,最后穩定在一個(gè)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(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果。實(shí)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(lái)越負;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,最后當電流減小并穩定在某值時(shí),陰極的電位負移至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,導致電池工作電流強度降低的現象,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。陰極的電位向負值方向移動(dòng)的現象稱(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(jīng)常利用電位E-電流強度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(zhù)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的難易程度。若極化曲線(xiàn)較陡,表明極化值較大,反應的阻力大,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,反應容易進(jìn)行。

　　極化產(chǎn)生的原因和類(lèi)型

　　極化現象產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)在于電子的遷移速度比電極反應及其相關(guān)的步驟完成的速度快。進(jìn)行陽(yáng)極反應時(shí),金屬離子轉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,導致陽(yáng)極電位向正方向移動(dòng);在陰極反應中,接受電子的物質(zhì)來(lái)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(dòng)。

　　任何一個(gè)電極反應的進(jìn)行,都要經(jīng)過(guò)—系列互相連續的步驟,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:如果電極反應所需的活化能較高,因而使有電荷轉移的電化學(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。

　　測定腐蝕電流密度的方法很多，本實(shí)驗用塔費爾直線(xiàn)外推法來(lái)測定金屬電化學(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為塔費爾直線(xiàn)。

　　圖2-1極化曲線(xiàn)外延法測得金屬腐蝕速度

　　極化曲線(xiàn)的這一區段稱(chēng)為塔費爾區，也叫強極化區。在極化曲線(xiàn)中，塔費爾

　　直線(xiàn)延長(cháng)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的速度相等。金

　　屬的腐蝕達到相對穩定，這時(shí)的電位即是自腐蝕電位，自腐蝕電位的高低反應了

　　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；所對應的電流就是金屬腐蝕電流，腐蝕電流反

　　應了金屬發(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。根據這一原理，測定金屬的極化曲線(xiàn)。

　　將陽(yáng)極或者陰極的塔費爾直線(xiàn)外推到與過(guò)電位為零的直線(xiàn)相交，交點(diǎn)對應的電流

　　為腐蝕速度。

　　3）實(shí)驗設備及條件

　�、賹�(shí)驗設備

　　實(shí)驗采用電化學(xué)測量系統對各試樣進(jìn)行電化學(xué)腐蝕性能測試實(shí)驗。其裝置如

　　圖2-2所示：

　　圖2-2 電化學(xué)極化曲線(xiàn)測量裝置示意圖

　　實(shí)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(xué)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(shí)間：0；靜置時(shí)間：2s；電流靈敏度(A/V)： 1.e-0.04。

　�、趯�(shí)驗條件

　　a．腐蝕試樣：對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)驗相對應）

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