No.3模块一任务三腐蚀电池、任务四电极动力学.ppt

1,知识回顾,1、写出金属电化学腐蚀的通式，常见的去极剂有那几类？ 2、写出能斯特方程式的表达式？ 3、如何判断金属腐蚀的倾向？,2,教学任务,任务三 腐蚀电池 一、必要条件 二、工作过程及类型 任务四 金属电化学腐蚀的电极动力学 一、腐蚀速度与极化作用 二、极化的原因及类型 三、金属的钝化,3,【知识目标】 1、掌握构成腐蚀电池的必要条件、腐蚀电池的工作过程； 2、掌握金属全面腐蚀评定方法，掌握电极的极化和去极化概念，掌握金属钝化的相关知识。 【能力目标】 1、能分析腐蚀电池的构成、工作过程及形成原因； 2、能通过相关测量与计算对化工生产实际中的金属全面腐蚀程度进行评定。 【素质目标】 1、培养严谨求实、勤奋好学、团结协作精神； 2、培养理论联系实际的观念。,教学目标,4,一、必要条件 1、原电池的构成 1）定义：能使氧化还原反应产生的化学能转化为电能的装置，称为原电池。 2）原电池的构成：将两个不同的电极分别用盐桥和导线连接起来，就可以构成原电池。 3）比较熟悉的原电池装置：丹尼尔电池。 a.构成:将锌和硫酸锌水溶液、铜与硫酸铜水溶液这两个电极分别用盐桥和导线连接起来构成的原电池,标态下。 b.盐桥：内装有琼脂与饱和KCl溶液制成的冻胶，其作用在于维持溶液的电中性，确保原电池装置构成通路。,铜锌原电池装置示意图,5,1、原电池的构成 c.电子流动方向、电流方向、原电池电动势 电子：阳极流到阴极 电流：阴极流到阳极 注：阴极为正极，阳极为负极。 E0E0（+） E0（一）即 E0 E0Cu /Cu E0Zn /Zn d.铜锌原电池的表达形式 负极反应（阳极）：Zn2e Zn2 正极反应（阴极）：Cu22e Cu 电池离子反应 ： Cu2 Zn CuZn2 原电池符号可表示为：（ ）ZnZnSO4CuSO4Cu（） “”表示盐桥，“”表示电极中两相界面。,6,2、腐蚀电池的构成 电极金属浸入含有该金属离子的水溶液中； 两种电极金属浸入同一种电解质溶液中或金属浸在电解质溶液中。 电极反应： Zn2e Zn2 （阳极反应） 2H 2e H2（阴极反应） 总反应：Zn2 HZn2H2 表示形式：（阳极）ZnH2SO4Cu（阴极） 注：腐蚀电池中电极不用正、负极表示，而用阴、阳极表示 结论：腐蚀电池使阳极的溶解加快了，阴极的还原也加快了，即：腐蚀电池使阳极的金属腐蚀加大，而阴极的金属腐蚀减少或停止。,腐蚀电池示意图,7,3、腐蚀电池与原电池的比较 相同点：都有阴（正）、阳（负）极，都有电子通道和离子通道。 不同点：原电池末短路，电化学能可以做有用功，腐蚀电池是短路电池，不可做有用功，反应的化学能都以热能的形式散发了。 4、构成腐蚀电池的必要条件 存在电位差，即要有阴、阳极存在。 要有电解质溶液存在 要有连续传递电子的回路。 结论：一个腐蚀电池必须包括阳极、阴极、电解质溶液和电路四个部分。 【练习】把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡；b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱正确的是 A、abcd B、acdb C、cabd D、bdca,（B）,8,二、工作过程及作用 1、腐蚀电池的工作过程 阳极过程 M Mn+ne 阴极过程 DneDne 电流流动过程 在金属中依靠电子从阳极流向阴极，在电解质溶液中依靠离子的定向迁移形成回路，从而形成电流。 注： 腐蚀电池的这三个过程缺一不可，只要那个过程受到阻碍，那么金属电化学腐蚀过程就会停止。 2、腐蚀电池的作用 【思考】怎么理解不利作用和有利作用？,腐蚀电池工作示意图,9,三、腐蚀电池的类型 (一）、宏观腐蚀电池 1、电偶腐蚀 同一电解质溶液中，两种具有不同电极电位的金属或合金通过电连 接形成的腐蚀电池。如：碳钢-黄铜冷凝器、船舶中的钢外壳-铜合 金推进器、不同材质的法兰-螺母-螺栓的连接等。 注：两种金属的电极电位相差越大，电池中阴阳极的面积比越大、电介质的电导率越大则阳极的金属腐蚀也快。 2 、浓差电池 同一金属的不同部位所接触的介质具有不同的浓度，引起的电 极电位差。,10,结论：溶液中金属离子的浓度越稀，电极电位越低，浓度越大，电极电位越高，因此电子由金属离子的低浓度区（阳极）流向高浓度区（阴极）。 在一些设备的缝隙、疏松沉积物下部、滞流区容易产生盐浓差腐蚀。 b、氧浓差电池： 定义：指由于金属与含氧量不同的溶液相接触而引起的电位差所构成的腐蚀电池 。,2、浓差电池 a、盐浓差电池 定义： 指同一金属浸在不同盐浓度的溶液中构成的腐蚀电池。 以铜浸在硫酸铜溶液为例说明浓度与电极的关系。,11,结论：介质中溶解氧浓度越大，氧电极电位越大，成为腐蚀电池的阴极，介质中溶解氧浓度越低，氧电极电位越小，成为腐蚀电池的阳极。 【讨论】化工生产中由于大修，有一碳钢水贮槽，其中有一定量的中性水长久没动，大修后启动开车时，发现贮槽靠近水线的下方有一圈沟槽，分析这是什么原因造成的。 一般规律：电位较负的金属（如Fe）易受氧浓差电池腐蚀，电位较正的金属（如Cu）易受盐浓差电池腐蚀。 （二）微观腐蚀 微观腐蚀电池是指金属表面存在许多肉眼难以看见的极微小的电极构成的腐蚀电池，这是由于金属表面存在电化学不均一性所造成的。,E O / OHE0 O / OH（0.059/n）lg氧化态/还原态 E0 O / OH （0.059/4）lgPO /COH4,2、浓差电池 b、氧浓差电池 金属浸入含有溶解氧的中性溶液中形成氧电极：O22H2O4e 4OH,12,2、微观腐蚀电池 （1）化学成份的不均一性 例如锌中含有杂质元素铁、锑、铜等 （2）组织结构的不均一性 例如：金属的晶界是原子排列较疏松而紊乱的区域，这个区域容易富集杂质原子，一般而言，导致晶界的电极电位比晶粒低，容易遭到腐蚀。 （3）物理状态的不均一性 例如，钢板在弯曲部位和铆钉头的地方容易发生腐蚀就是这个原因。 （4）表面膜的不均一性 例如：当金属表面膜不完整，存在孔隙或破损时，在空隙和破损的部位就容易被腐蚀。 结论：电化学不均一性即金属表面的物理和化学性质存在差异，从而使金属表面各部位的电位不相等，这是形成腐蚀微电池的基本原因。,13,一、金属腐蚀速度 1、全面腐蚀程度的评定 通常是用腐蚀前后金属质量或厚度的变化，电极的电流密度来表示其平均腐蚀率。 （1）根据质量的变化来评定 以被腐蚀的金属在单位面积（ m2）单位时间（h）内由于腐蚀而引起的质量（g）变化来评定其腐蚀程度，有失重法和增重法。当腐蚀产物能很好的除去而不损伤主体金属时用失重法，反之用增得法。 公式：Km（m前m后）/（St） 失重法 Km（m后m前）/（St） 增重法,14,（2）根据厚度变化来评定 根据单位时间（a：年）内金属因腐蚀而减薄的尺寸（mm）来评定其腐蚀程度。 公式： 见教材P22式（1-22） 三个等级：耐蚀、可用、不可用（详见P22：表1-4）。 （3）电流密度法 电化学腐蚀过程，是由于金属与电解质溶液进行了电化学反 应，腐蚀速率可用电流密度来表示。 公式：Ki(Aia104)/(nF) 在这三种速度中用电流密度表示的腐蚀速度使用较方便。,15,二、极化与去极化（教材P23） 极化现象：由于通过电流而引起原电池两极间电位差减小，并引起电池工作电流强度降低的现象，称为原电池的极化现象。 阳极极化：当通过电流时阳极电位向正的方向移动的现象。 阴极极化：当通过电流时阴极电位向负的方向移动的现象。 去极化：能消除或减弱极化的现象。 去极剂：引起去极化发生的物质。 极化作用：极化的作用总是使得反应的速度下降，对于防腐蚀而言，极化是有利的。如金属的钝化就是阳极极化的一个典型应用。 去极化作用：消除或减弱阳极和阴极的极化作用的电极过程。 极化曲线：表示电极电位与极化电流或极化电流密度之间关系的曲线。,16,三、金属的钝化（教材P29） 1、钝化现象 【思考分析】 1）Al电极电位为-1.66V，在腐蚀环境中很易被腐蚀，但却耐腐蚀，如：铝合金属门窗。 2）法拉第铁钝化实验（教材P29图1-21） 金属由于表面形成了保护膜，在介质中没有发生腐蚀的现象叫钝化现象。 2、钝化定义 某些活泼金属或其合金，由于它们的阳极过程受到了阻滞，因而在很多环境中的电化学性能接近贵金属，这种性能叫做金属的钝性，金属具有钝性的现象叫做钝化。 注：钝性金属一般有两个电位，活性电位和钝性电位，也叫活性-钝性金属。如不锈钢、铬、镍、铝等金属或合金。,17,3、钝化的特性（教材P30） 阳极极化曲线（S形曲线） 活化区 曲线a一b段。 b过渡区 曲线b-c段。 C钝化区 曲线c-d段。 d过钝化区 曲线d一e段。,【分析讨论】 各区电位和电流变化的情况。,金属钝化过程典型阳极极化曲线,E临、i临、i维是三个重要的特性参数。,18,4、活性一钝性金属的耐蚀性 （教材P31） 单一的还原反应，可能具有三种不同的交换电流密度。 有一个稳定的交点A，如：钛在无空气的稀硫酸或盐酸中迅速溶解不能钝化的情况。 有三个交点B、C、D，如：在浓硝酸中钝化后的铁即属于此种情况，一旦钝化膜被破坏，则由钝态转变为活态，即D点转变到B点。 只有一个稳定的交点F，如：不锈钢在含氧化剂（溶解氧）的酸溶液中以及铁在