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第三章 电化学腐蚀的基本原理
• 阳极 • 阴极 • 电解质溶液(*) • 电池反应的推动力-电池两个电极的电
位差
电流流动:在金属中靠电子从阳极流向阴极;在 溶液中靠离子迁移;在阳、阴极区界面上分别发生氧 化还原反应,实现电子的传递。Fig.3-3。
从金属腐蚀历程也可看出化学腐蚀与电化学腐蚀 的区别,Fig.3-4。
金属腐蚀 的实质
如,当pH >5.5时,钢铁在水溶液中的腐蚀: Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓
pH>5.2时,锌在水溶液中的腐蚀: Zn2++2OH-→Zn(OH)2↓
若金属有更高价态时,则腐蚀产物可能被进一步氧化。
4 Fe(OH)2+O2+2H2O→4 Fe(OH)3
盐水滴实验
3%NaCl+铁氰化钾+酚酞
电极反应进行时,电极材料必须释放或接纳电子。 2. 电极反应必须发生在电极材料表面上,因此具有表面反应特点 3. 不管有几个阳极反应或阴极反应在进行,腐蚀时总的氧化速度等于总的还
原速度。
腐蚀原电池产生的电流是由于它的两个电极在电解质 中的电位不同产生的电位差引起的,该电位差是电池 反应的推动力
构成腐蚀原电池的基本要素(*)
(2)组成 阳极、阴极、电解质溶液、电路。
2.不同点 原电池:电子在外电路中;化学能转为电能,对外做 有用功。 腐蚀原电池:电子自耗于腐蚀电池内;不对外做有用 功。
3.2 腐蚀原电池类型
根据构成腐蚀电池的电极尺寸大小,可以把腐蚀电池分 为两类:
1. 宏观腐蚀电池——电极尺寸相对较大(肉眼可 以分辨阴极和阳极)
粘土
砂土
铜器上的铁铆钉为什么特别容易生锈?
腐蚀电池和原电池的异同
1.相同点 (1)电化学过程
腐蚀电池和原电池的电化学过程是由阳极的氧化过程、阴极 的还原过程、离子的迁移、电子流动过程组成,整个电池体系 形成一个回路。
电池中离子的迁移和电子的流动,其动力是电池电动势。金 属发生电化学腐蚀的难易,在热力学上取决于腐蚀原电池的电 动势。
化学成分不均匀
组织结构不均匀
微观腐蚀电池 金属表面的物理状态不均匀
金属表面膜的不完整
(2)液相不均匀性
离子浓度(质子或氧离子浓度)
(3)系统外界条件不均匀性
温差、光照等分布不均匀
3.3 电极与电极电位
电极
电极的概念——电子导体(金属等)与离子导体(电 解质)相互接触,并有电子在两相之间迁移而发生氧 化还原反应的体系。
[初始外观]
Fe
[其后外观]
蓝色: 显示 Fe2+(阳极区) 红色: 显示OH(阴极区) 棕色: 铁锈
形成腐蚀电池的原因
金属方面 • 成分不均匀 • 组织结构不均匀 • 表面状态不均匀 • 应力和形变不均匀 • 热处理差异
环境方面 金属离子浓度差异 氧含量的差异 温度差异
腐蚀电池形成原因举例
应力集中
原电池的电化学过程是由阳极的氧化过程,阴极的还原过程以及 电子和离子的输送过程组成。其中电子和离子的运动构成了电回路。
原电池的来源:
1800年,Volta发现用一对锌盘和银盘固定在含有盐水的硬纸板上, 当用双手接触锌盘和银盘时,感觉有微电流通过。
1836年,英国化学家Daniel 发明以其名字命名的丹聂尔电池Fra bibliotek腐蚀原电池
腐蚀原电池工作的三个必须的环节: (1)阳极过程 (2)阴极过程 (3)电流的流动(其中电子和离子的运动构成了 电回路)
腐蚀原电池过程
阳极过程:金属溶解以离 子形式溶液,同时把等量 电子留在金属中。
阴极过程:阳极迁移过来 的电子与溶液中可以接受 电子的物质D反应。
电极反应的重要特点: 1. 电极反应是伴随着两类不同导体相之间的电荷转移过程发生的,也就是说
腐蚀电池 (腐蚀原电池) 只导致金属材料破坏而不能对外界作有用功的短路原电池称为
腐蚀电池。
(a)Zn块和Cu块通 过导线连接
(b)Zn块和Cu块直 接接触(短路)
c)Cu作为杂质分 布在Zn表面
阳极Zn: 阴极Cu:
Zn → Zn2++2e (氧化反应) 2H++2e → H2 ↑(还原反应)
图3-1 腐蚀电池的构成
较活泼金属被腐蚀
腐蚀 速度
联系
电化学腐蚀>化学腐蚀 往往同时发生,但电化学腐蚀更普遍,危害更大
电化学腐蚀的次生反应 腐蚀过程中,阳极和阴极反应的直接产物称为一次产物(Primary
Product)。 一次产物在浓差作用下扩散和迁移,当阴、阳极产物相遇时,可
能生成难溶的金属氢氧化物,称为二次产物或次生产物(Secondary Product)。
材料腐蚀与防护
贵州大学材料与冶金学院
第三章 电化学腐蚀的基本原理
3.1 腐蚀电池 3.2 腐蚀原电池类型 3.3 电极与电极电位 3.4 腐蚀过程热力学判据 3.5 电位-pH图
金属的腐蚀在生活中非常普遍
3.1 腐蚀电池
3.1.1 电化学腐蚀(湿腐蚀)
1.现象
各种介质中的腐蚀现象。 2.定义
金属材料与电解质溶液接触时,在界面上有自 由电子参加的氧化和还原反应,致使接触面处的 金属离子化,从而破坏金属材料特性的过程称为 电化学腐蚀,也称为湿腐蚀。
除了极度干燥的情况(如干燥沙漠),一般 在常温下发生的均是电化学腐蚀。
3.1.2 腐蚀原电池
原电池
原电池:能把化学能转为电能,做有用功的装置。
金属原子失去电子被氧化而消耗的过程: M-ne-=Mn+
种类
化学腐蚀
电化学腐蚀
不纯金属或合金发生原电池反
金属和其它物质直接接触发生
原理 氧化还原反应而引起的腐蚀
应,使较活泼的金属失电子被 氧化而引起的腐蚀
金 属 的 区别 腐 蚀
直接发生氧化还原反应 腐蚀过程无电流产生 金属直接被腐蚀
发生原电池反应 有电流产生
2. 微观腐蚀电池——电极尺寸微小
宏观腐蚀电池
铜铆钉 铝板
1. 异种金属相接触
如 电偶腐蚀
2. 浓差电池
(1)金属离子浓度不同, 浓度低电位低,容易腐蚀 (2)氧浓度不同 氧浓度低电位低,更容易腐蚀 3. 温差电池
粘
沙
土
土
如金属所处环境温度不同,高温 电位低,更容易腐蚀
微观腐蚀电池 (1)材料本身的不均匀性
电极一般分为单电极和多重电极
单电极是指电极的相界面上发生唯一的电极反应 多重电极则可能发生多个电极反应
单电极
(1)金属电极
金属在含有自己离子的溶液中构成的电极
(2)气体电极
某些贵金属在不含有自己离子的溶液中,它们既不能以离子 形式进入到溶液中去,溶液中也没有能沉积到电极上的物质, 只有溶于溶液中的一些气体吸附到电极上,并使气体离子化, 电极上只有电子交换,没有离子交换,这类电极叫气体电极。 常用的气体电极包括,氢电极、氧电极和氯电极等