普通化学教学课件 电化学与金属腐蚀.ppt

普通化学 第四章 电化学与金属腐蚀 电极电势的概念以及理解能斯特方程及其应用电动势与 rG之间的关系电极电势的应用元素电势图及其应用了解电解池中电解产物一般规律 明确电化学腐蚀及其防止的原理 普通化学 氧化还原反应的概念 化学反应可分为两大类 一类是在反应过程中 反应物之间没有电子的转移 如中和反应 沉淀反应 配位反应等 另一类 反应物之间发生了电子的转移 这一类就是氧化还原反应 普通化学 氧化还原反应的概念 氧化还原的表象 化合价的升降氧化还原的本质 电子的转移 即电子的得失或者偏移Zn Cu2 Zn2 Cu 电子的得失 H2 Cl2 2HCl 电子的偏移 普通化学 氧化还原反应方程式的配平 氧化还原反应方程式的配平常用的两种方法 氧化数法和离子电子法 氧化数法 简便 中学所学离子电子法 可以更清楚地反映水溶液中氧化还原反应的本质 需要掌握 普通化学 离子电子法配平氧化还原反应方程式 1 定义 任何氧化还原反应都可以看作由两个半反应组成 一个半反应代表氧化 另一个代表还原 例如 钠与氯直接化合生成NaCl的反应的两个半反应为 氧化半反应2Na 2e 2Na 还原半反应Cl2 2e 2Cl 2 规则 电荷守恒 反应过程中氧化剂所得的电子数必须等于还原剂失去的电子数 质量守恒 反应前后各元素的原子总数相等 普通化学 2 把方程式分成两个半反应 氧化反应和还原反应 配平步骤 1 根据实验现象 写出主要产物 以离子方程式表示 MnO4 H H2C2O4 Mn2 CO2 离子电子法配平氧化还原反应方程式 普通化学 离子电子法配平氧化还原反应方程式 3 配平两个半反应 氧化反应 H2C2O4 2CO2 2H 还原反应 MnO4 8H Mn2 4H2O 4 配平两个半反应的电荷数 氧化反应 H2C2O4 CO2 2H 2e 还原反应 MnO4 8H 5e Mn2 4H2O 普通化学 离子电子法配平氧化还原反应方程式 5 两离子电子式各乘以适当系数 使得失电子数相等 将两式相加 消去电子 必要时消去重复项 即得到配平的离子方程式 2 MnO4 8H 5e Mn2 4H2O 5 H2C2O4 2CO2 2H 2e 2MnO4 6H 5H2C2O4 2Mn2 10CO2 8H2O 普通化学 离子电子法配平氧化还原反应方程式 配平步骤 用离子式写出主要反应物和产物 分别写出氧化剂被还原和还原剂被氧化的半反应 分别配平两个半反应方程式 等号两边的各种元素的原子总数各自相等且电荷数相等 确定两半反应方程式得 失电子数目的最小公倍数 普通化学 4 1原电池 没有盐桥 Zn s Cu2 aq Zn2 aq Cu s 这是一个可自发进行的氧化还原反应 由于氧化剂与还原剂直接接触 电子直接从还原剂转移到氧化剂 无法产生电流 普通化学 原电池 盐桥存在 普通化学 原电池 原电池 由两个电极浸在相应的电解质溶液中 再用盐桥连接两溶液而构成的装置 电极 在原电池中 组成原电池的导体 如铜片和锌片 称为电极 电子流出的电极称为负极 负极上发生氧化反应 失去电子 电子进入的电极称为正极 正极上发生还原反应 得到电子 普通化学 原电池 Cu Zn原电池的表示符号 一 Zn ZnSO4 cl CuSO4 c2 Cu A 把负极 写在左边 正极 写在右边 B 表示金属和溶液两相之间的界面 表示盐桥C c表示溶液的浓度 当溶液浓度为1mol L 1时 可不写 D 应注明溶液的浓度 气体的压力 反应的温度 如不注明则为标准状态 即浓度为1mol L 压力为100kPa 温度为25 普通化学 原电池 氧化还原电对 由同一种元素的氧化态物质和其对应的还原态物质所构成的整体 常用符号氧化态 还原态来表示 如氧化还原电对可写成Cu2 Cu Zn2 Zn Cl2 Cl Cr2O72 Cr3 H H2 普通化学 电极类型电对电极符号Me Men 电极Zn2 ZnZn Zn2 A An 电极Cl2 Cl Cl Cl2 Pt氧化还原电极Fe3 Fe2 Fe2 Fe3 PtMe 难溶盐电极AgCl AgAg AgCl Cl 四类常见电极 原电池 普通化学 原电池 电极反应 表示氧化态物质和还原态物质之间相互转化的关系式 电极反应包括参加反应的所有物质 不仅仅是有氧化数变化的物质 如电对Cr2O72 Cr3 对应的电极反应为 Cr2O72 6e 14H 2Cr3 7H2O 任一自发的氧化还原反应都可以组成一个原电池 例 将下列反应设计成原电池并以原电池符号表示 普通化学 普通化学 电极电势 氧化还原电对的电极电势 金属与其盐溶液接触界面之间的电势差 简称为该金属的电极电势 影响电极电势的因素 A 电极的本性 即金属的活泼性B 温度C 介质 溶液的酸碱性 D 溶液中离子的浓度将两种不同电极电势的氧化还原电对以原电池的方式联接起来 两极之间有一定的电势差 会产生电流 这是原电池之所以会有电流通过的原因 普通化学 电极电势 标准电极电势 1 标准氢电极 Pt H2 100KPa H 1mol L 1 普通化学 电极电势 被铂吸附的H2与溶液中的H 离子键建立了如下平衡 H2 g 2H aq 2e 标准氢电极的电极电势 在标准氢电极和具有标准浓度的H 离子之间的电极电势 规定 标准氢电极的电极电势为零 即 H H2 0 0000V 普通化学 电极电势 标准电极电势的测定 1 标准态的定义 所有的离子浓度都为1mol L 气体压力为100kPa 固体 液体为纯物质 此时的状态称为标准状态 2 标准电极电势用 表示 标准电池电动势用E 表示 根据物理学可知 E 标准氢电极 待定电极 普通化学 电极电势 1 电极电势代数值 越小 电对的还原态物质还原能力越强 氧化态物质氧化能力越弱 2 电极电势代数值 越大 电对的还原态物质还原能力越弱 氧化态物质氧化能力越强 3 代数值是反映物质得失电子倾向的大小 它与物质的数量无关 电极反应式乘以任何常数 代数值不变 代数值与半反应写法无关 4 标准电极电势表分为酸表和碱表 Fe3 e Fe2 只能存在于酸性溶中MnO4 e MnO42 只能存在于碱性溶液中 普通化学 E与 rG之间的关系 在恒温恒压下 反应体系吉布斯函数变的降低值等于体系所能作的最大有用功 rG Wmax原电池在恒温 恒压条件下 所作的最大有用功即为电功 电功 W电 等于电动势 E 与通过的电量 Q 的乘积 W电 E Q E nF rG 一E Q nFE式中F为法拉第常数 等于96485C mol 1 n为电池反应中转移电子数 在标准态下 rG E Q nFE 例 计算 Ag Ag 1mol L 1 Cu2 1mol L 1 Cu 的电动势并判断反应方向 普通化学 2Ag Cu2 2Ag Cu该反应逆向自发进行 普通化学 能斯特方程 A 氧化型 ne A 还原型 R为气体常数 F为法拉弟常数 96485C mol 1 T为热力学温度 n为电极反应得失的电子数 氧化型 和 还原型 分别表示电极反应式中氧化态和还原态物质的活度 普通化学 能斯特方程 在温度为298 15K时 将各常数值代入得 1 稀溶液 c c c 1mol L 1 低压气体 p p p 100kPa 固体或者纯液体 1 2 组成电对的物质为固体或纯液体时 它们的浓度不列入方程式中 3 气体物质用相对压力p p 表示 4 电极反应中的H 或OH 也应根据反应式代入能斯特公式 普通化学 能斯特方程 Zn2 aq 2e Zn Zn2 Zn Zn2 Zn Br2 l 2e Br aq Br2 Br Br2 Br 2H aq 2e H2 g H H2 H H2 MnO4 5e 8H Mn2 4H2O 普通化学 1 浓度对电极电势的影响 例 计算25 c Zn2 0 001mol L 1时锌电极的电极电势 解 Zn 2e Zn2 普通化学 2 酸度对电极电势的影响 例 计算25 时 MnO4 Mn2 电极在c MnO4 c Mn2 1mol L c H 10mol L时的电极电势 解 MnO4 5e 8H Mn2 4H2O 普通化学 3 生成沉淀对电极电势的影响 解 电极反应AgI e I 1mol L Ag反应实质AgIAg I Ag e Ag 普通化学 c I c Ag Ksp c Ag Ksp c I Ksp AgI 1 56 10 16 0 7996 0 0592 lg1 56 10 1 0 137 V 普通化学 电极电势的应用 1 比较氧化剂和还原剂的相对强弱 小的电对对应的还原型物质还原性强 大的电对对应的氧化型物质氧化性强 普通化学 电极电势的应用 2 计算原电池的电动势 1 在组成原电池的两个半电池中 电极电势代数值较大的一个半电池是原电池的正极 代数值较小的一个半电池是原电池的负极 原电池的电动势等于正极的电极电势减去负极的电极电势 E 2 E E RT nF lnQ 普通化学 电极电势的应用 3 判断氧化还原反应进行的方向 1 利用氧化还原反应的 rG 或者 rG来进行判断在氧化还原反应组成的原电池中 使反应物中的氧化剂电对作正极 还原剂电对作负极 比较两电极的电极电势值的相对大小即可判断氧化还原反应的方向 rG E Q nFE E 0 rG E Q nFE 0 则氧化还原反应逆向进行 普通化学 例 判断以下反应在标准状态下及在c Pb2 0 1mol L 1 c Sn2 2mol L 1时的自发反应方向 Pb2 SnPb Sn2 在标准状态下正反应自发进行 普通化学 c Pb2 0 1mol L 1 c Sn2 2mol L 1 0 13 0 0592 2lg0 1 0 16 V 0 14 0 0592 2lg2 0 13V E 0 16 0 13 0 03 V 0逆反应自发 普通化学 电极电势的应用 大多数情况下 可以直接用E 值来判断 当E 0 2V 一般不会因浓度变化而使E值改变符号 当E 0 2V 离子浓度改变时 氧化还原反应的方向常因反应物的浓度和酸度的变化 可能产生逆转 当电极反应中包含H 或者OH 时 介质的酸碱性对E的影响很显著 普通化学 电极电势的应用 4 选择合适的氧化剂和还原剂在一定条件下 氧化还原反应先发生在电极电势差值最大的两个电对之间 当体系中各氧化剂 或还原剂 所对应电对的电极电势相差很大时 控制所加入的还原剂 或氧化剂 的用量 可以达到分离体系中各氧化剂 或还原剂 的目的 分步氧化 还原 例 在含Cl Br I 三种离子的混合溶液中 欲使I 氧化为I2 而不使Br Cl 氧化 在常用的氧化剂Fe2 SO4 3和KMnO4中 选择哪一种能符合上述要求 普通化学 解 I2 I 0 5355V Br2 Br 1 087V Cl2 Cl 1 358V Fe3 Fe2 0 771V MnO4 Mn2 1 507V从上述各电对的 值可以看出 I2 I Fe3 Fe2 Br2 Br Cl2 Cl MnO4 Mn2 如果选择KMnO4作氧化剂 MnO4 Mn2 I2 I Br2 Br 和 Cl2 Cl 在酸性介质中 KMnO4能将Cl Br I 氧化成I2 Br2 Cl2 如果选用Fe2 SO4 3作氧化剂 只有 Fe3 Fe2 I2 I Fe2 SO4 3只能将I 氧化成I2 能符合题目要求 普通化学 电极电势的应用 5 判断氧化还原反应进行的次序一种氧化剂可以氧化几种还原剂时 首选氧化最强的还原剂 一种还原剂可以还原几种氧化剂时 首选还原最强的氧化剂例 如果水溶液中同时存在Fe2 和Cu2 且都能和加入的还原剂Zn发生氧化还原反应 Zn s Fe2 aq Zn2 aq Fe s Zn s Cu2 aq Zn2 aq Cu s 上述两种离子是同时被还原 还是按一定的次序先后被还原呢 普通化学 从标准电极电势数据看 Zn2 Zn 0 7631V Fe2 Fe 0 447V Cu2 Cu 0 3419VFe2 被Zn还原的E 1 Cu2 被Zn还原的E 2E 1 0 447 0 7631 0 316vE 2 0 3419 0 7631 1 105v由于E 2 E 1 Cu2 首先被还原 普通化学 电极电势的应用 6 判断氧化还原反应进行的程度氧化还原反应是可逆反应 反应进行的程度用平衡常数来衡量 rG RTlnK rG nFE RTlnK nFE E 越大 K 越大 一般K 107时 反应进行得很彻底 普通化学 电极电势的应用 例 计算下列反应 Ag aq Fe2 aq Ag s Fe3 aq 在298 15K时的平衡常数K 反应开始时 c Ag 1 0mol L 1 c Fe2 0 10mol L 1 求达到平衡时的Fe3 浓度 已知 Ag Ag 0 7996V Fe3 Fe2 0 771V 普通化学 解 1 lgK 0 7996 0 771 0 0592 0 483故K 3 04 普通化学 2 设达到平衡时c Fe3 xmol L 1Ag aq Fe2 aq Ag s Fe3 aq 初始浓度 mol L 1 1 00 100平衡浓度 mol L 1 1 0 x0 10 xxK c Fe3 x 0 074mol L 1 普通化学 A V Fe3 0 771Fe2 0 440Fe 0 0363 元素电势图 元素电势图 拉提默 Latimer 的表示方法 各物种按氧化数从高到低自左向右排列 各物种间用直线相连接 直线上方标明相应电对的 A 或者 B 普通化学 元素电势图的应用 1 比较元素各氧化态的氧化还原能力根据元素电势图 可以全面地描绘出某一元素的一些氧化还原性 2 判断歧化反应能否发生歧化过程是一种自身氧化还原反应 例如 2Cu Cu Cu2 在这一反应过程中 一部分Cu 被氧化为Cu2 另一部分Cu 被还原为金属Cu 当一种元素处于中间氧化态时 它一部分向高氧化态变化 即被氧化 另一部分向低氧化态变化 即被还原 这类反应称为歧化反应 普通化学 铜的元素电势图为Cu2 0 153Cu 0 521Cu0 337因为 Cu Cu 大于 Cu2 Cu 即 Cu Cu Cu2 Cu 0 521 0 153 V 0 368V 0 所以Cu 在水溶液中能自发歧化为Cu2 和Cu 普通化学 发生歧化反应的规律是 当电势图 左 右 M2 M M 中 右 左 时 M 容易发生歧化反应 2M M2 M反之 当 左 右 时 M 虽处于中间氧化值 也不能发生歧化反应 M2 M2M 普通化学 3 计算标准电极电势利用元素电势图 根据相邻电对的已知 来计算未知电对的 假如有下列元素电势图 1 2 An1Bn2C 3 n3将这三个电对分别与氢电极组成原电池 运用电池反应的标准摩尔吉布斯函数变进行推导 元素电势图的应用 普通化学 得到下列关系式 3 n1 1 n2 2 n1 n2 若有i个相邻的电对 则 n1 1 n2 2 ni i n1 n2 ni 式中的n1 n2 ni分别代表各电对内转移的电子数 普通化学 例题 已知Br的元素电势图如下 0 6126 普通化学 解 1 0 6126 普通化学 0 5196 0 7665 2 普通化学 普通化学 电解 利用外加电能的方法迫使反应进行的过程叫电解 在电解过程中 电能转变为化学能 电解池 外电源 正极负极 电解池 阳极 阴极 反应类型 氧化还原 阳极 阴极 H2 g H 2H aq 2e H2 g 在电解池的两极反应中氧化态物质得到电子或还原态物质给出电子的过程都叫做放电 通过离子放电这一特殊过程将一类导体和二类导体联系起来 普通化学 1分解电压和超电势 实际分解电压 使电解顺利进行的最低电压 以铂作电极 电解0 100mol dm 3Na2SO4溶液为例 阳极反应 4OH 4e 2H2O O2算得 阳 0 815V 阴极反应 2H 2e H2算得 阴 0 414V 普通化学 由电解产物组成的氢氧原电池 H2为负极 O2为正极 E 1 23V 该原电池的电子流方向与外加直流电源电子流的方向相反 因而至少需要外加一定值的电压以克服该原电池所产生的电动势 才能使电解顺利进行 表明分解电压是由于电解产物在电极上形成某种原电池 产生反向电动势而引起的 普通化学 因此 上述实验至少外电源提供的电动势 1 23V电解才可发生 此值 1 23V 称理论分解电压E 理 事实上 上述实验至少需1 7V才能使其发生电解 此值 1 7V 称实际分解电压E 实 电解时电解池的实际分解电压E 实 与理论分解电压E 理 之差称为超电压E 超 即 E 实 E 理 原因 有电流 偏离平衡电势 引起 极化 普通化学 电极电势偏离了没有电流通过时的平衡电极电势值的现象 在电化学上称为极化 其中 浓差极化是由于离子扩散速率缓慢所引起的 可设法消除 电化学极化是由电解产物析出过程中某一步骤 如离子的放电 原子结合为分子 气泡的形成等 反应速率迟缓而引起电极电势偏离平衡电势的现象 即电化学极化是由电化学反应速率决定的 无法消除 普通化学 影响超电势的因素有三个方面 电解产物 金属的超电势一般很小 气体的超电势较大 而氢气 氧气的超电势则更大 超电势导致 阳极析出电势升高 即 析 阳 阳 阴极析出电势降低 即 析 阴 阴 电极材料和表面状态 同一电解产物在不同的电极上的超电势数值不同 且电极表面状态不同时超电势数值也不同 电流密度 随着电流密度增大超电势增大 在表达超电势的数据时 必须指明电流密度的数值或具体条件 普通化学 2电解池中两极的电解产物 在阴极上进行还原反应的首先是析出电势代数值较大的氧化态物质 综合考虑电极电势和超电势的因素得出 在阳极上进行氧化反应的首先是析出电势 考虑超电势因素后的实际电极电势 代数值较小的还原态物质 普通化学 简单盐类水溶液电解产物归纳如下 阳极析出的物质 还原态物质金属电极X S2 OH 含氧酸根电极反应M ne Mn 2X 2e X24OH 4e 2H2O O2 氧化态物质K Ca2 Na Mg2 Al3 Mn2 Zn2 H Cu2 Hg2 电极反应2H 2e H2M2 2e M 阴极析出的物质 普通化学 3电解的应用 1 电镀 电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程 既可防腐蚀又可起装饰的作用 在电镀时 一般将需要镀层的零件作为阴极 连接电源负极 而用作镀层的金属 如Ni Cr合金 Au等 作为阳极 连接电源正极 电镀液一般为含镀层金属配离子的溶液 普通化学 在适当的电压下 阳极发生氧化反应 金属失去电子而成为正离子进入溶液中 即阳极溶解 阴极发生还原反应 金属正离子在阴极镀件上获得电子 析出沉积成金属镀层 如 电镀锌 被镀零件作为阴极材料 金属锌作为阳极材料 在锌盐 如Na2 Zn OH 4 溶液中进行电解 阴极 Zn2 2e Zn 阳极 Zn Zn2 2e 普通化学 2阳极氧化 用电解的方法通以阳极电流 使金属表面形成氧化膜以达到防腐耐蚀目的的一种工艺 以铝的阳极氧化为例 在阳极铝表面上 一种是Al2O3的形成反应 另一种是Al2O3被电解液不断溶解的反应 当Al2O3的生成速率大于溶解速率时 氧化膜就能顺利地生长 并保持一定的厚度 阳极 Al 2Al 3H2O 6e Al2O3 6H 主要反应2H2O 4e 4H O2 次要反应阴极 Pb 2H 2e H2 阳极氧化可采用稀硫酸或铬酸或草酸溶液 普通化学 阳极氧化膜 厚度可达5 300 m 靠近基体 纯度较高的致密Al2O3膜 厚度0 01 0 05 m 称阻挡层 靠近电解液 由Al2O3和Al2O3 H2O所形成的膜 硬度较低 有松孔 可使电解液流通 如图所示 普通化学 3电刷镀 电刷镀是把适当的电镀液刷镀到受损的机械零部件上使其回生的技术 几乎所有与机械有关的工业部门都在推广应用 能以很低的成本换得较大的经济效益 电刷镀的电镀液不是放在电镀槽中 而是在电刷镀过程中不断滴加电镀液 使之浸湿在棉花包套中 在直流电的作用下不断刷镀到工件阴极上 这样就把固定的电镀槽改变为不固定形状的棉花包套 从而摆脱了庞大的电镀槽 使设备简单而操作方便 用镀笔作阳极 工件作阴极 并在操作中不断旋转 普通化学 化学电源 借自发的氧化还原反应将化学能直接转变为电能的装置称为化学电源 1 锌 锰干电池 电池符号 Zn ZnCl2 NH4Cl 糊状 MnO2 C 电极反应 Zn s Zn2 aq 2e 2MnO2 2NH4 aq 2e Mn2O3 2NH3 g 2H2O l 电动势1 5V 它携带方便 但反应不可逆 寿命有限 普通化学 2锌 氧化汞电池 电池符号 Zn Hg KOH 糊状 含饱和ZnO HgO C 电极反应 Zn 2OH 2e ZnO H2O HgO s H2O 2e Hg l 2OH 锌 氧化汞电池体积小能量高 贮存性能优良 是常用电池中放电电压最平稳的电源之一 缺点是使用汞不利于环保 普通化学 3锂 铬酸银电池 以锂为负极的还原剂 铬酸银为正极的氧化剂 其导电介质为含有高氯酸锂 LiClO4 的碳酸丙烯酯 PC 溶液 电池符号 Li LiClO4 PC Ag2CrO4 Ag 电极反应 Li e Li Ag2CrO4 2Li 2e 2Ag Li2CrO4 优点 单位体积所含能量高 稳定性好 电池电压高 2 8 3 6V 普通化学 2 二次电池 放电后通过充电使其复原的电池 铅蓄电池电池符号 Pb H2SO4 PbO2 电极反应 负极 Pb SO42 2e PbSO4正极 PbO2 4H SO42 2e PbSO4 2H2O 普通化学 在放电后 可以利用外界直流电源进行充电 输入能量 使两电极恢复原状 充电时 两极反应为放电时的逆反应 正常蓄电池中硫酸密度在1 25 1 30g cm 3之间 若低于1 20g cm 3 则表示已部分放电 需充电后才能使用 具有原料易得 价格低廉 技术成熟 使用可靠 又可大电流放电等优点 所以使用很广泛 其中约80 用于汽车工业 发动马达 缺点太笨重 载重2t的搬运车电池自重0 5t 普通化学 3连续电池 在放电过程中可以不断地输入化学物质 通过反应把化学能转变成电能 连续产生电流的电池 燃料电池就是一种连续电池 燃料电池是名符其实的把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的 能量转换机器 能量转换率很高 理论上可达100 实际转化率约为70 80 燃料电池由燃料 氢 甲烷 肼 烃 甲醇 煤气 天然气等 氧化剂 氧气 空气等 电极和电解质溶液等组成 燃料 如氢 连续不断地输入负极作还原活性物质 把氧连续不断输入正极 作氧化活性物质 通过反应连续产生电流 普通化学 氢 氧燃料电池 第四类发电 优点 a 能量转换效率高 运行寿命长 b 无噪声 无污染c 可连续大功率供电 燃料电池汽车 我国和世界正在大力发展的绿色汽车 20世纪90年代已可取代中等容量火电 现场使用 分散配制 目前实用较大的磷酸型很有前途的甲醇 氧燃料电池 Pt CH3OH l KOH aq O2 g Pt 普通化学 氢 氧燃料电池 电池符号 C H2 KOH 35 O2 C 电池反应 H2 2OH 2e 2H2O O2 2H2O 4e 4OH 2H2 O2 2H2O 每个电池可产生1 23V的电压 优点 生成物不污染环境 且热能转化率高 达80 左右 普通化学 普通化学 4化学电源与环保 在一次电池和二次电池中 含有汞 锰 镉 铅 锌等重金属 使用后如果随意丢弃 就会造成环境污染 研究无污染电池和无害化处理是目前亟需解决的两个方面 重金属通过食物链后在人体内聚积 就会对健康造成严重的危害 重金属聚积到一定量后会使人发生中毒现象 严重的将导致人的死亡 因此 加强废电池的管理 不乱扔废电池实现有害废弃物的 资源化 无害化 管理 已迫在眉睫 普通化学 金属的腐蚀与防止 当金属与周围介质接触时 由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀 估计每年腐蚀而报废的钢铁设备相当于钢铁年产量的1 4 发达国家年经济损失占GDP的3 4 因此在了解金属腐蚀机理的基础上懂得如何防止金属腐蚀和了解如何进行金属材料的化学保护十分必要 金属腐蚀的本质都是金属原子失电子被氧化的过程 普通化学 1腐蚀的分类 金属与周围介质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀叫化学腐蚀 1化学腐蚀 化学腐蚀发生在非电解质溶液中或干燥的气体中 在腐蚀过程中不产生电流 如 钢铁的高温氧化脱碳 石油或天然气输送管部件的腐蚀等 化学腐蚀原理比较简单 属于一般的氧化还原反应 普通化学 化学腐蚀化学反应例 1 钢铁的高温氧化 2 钢的脱碳 普通化学 金属与周围介质发生电化学作用而引起的金属腐蚀 例如 钢铁在潮湿的环境中生锈 发生的就是电化学腐蚀 较小的金属易失电子 被氧化而腐蚀 是腐蚀电池的阳极 也称负极 电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多 腐蚀的速率一般也快得多 2电化学腐蚀 普通化学 1 析氢腐蚀 在酸性较强的条件下钢铁发生析氢腐蚀 电极反应为 阳极 Fe 2e Fe2 阴极 2H 2e H2 在弱酸性或中性条件下钢铁发生吸氧腐蚀 电极反应为 阳极 Fe 2e Fe2 阴极 2H2O O2 4e 4OH 吸氧腐蚀比析氢腐蚀更为普遍 2 吸氧腐蚀 普通化学 3 差异充气腐蚀 光滑金属片也会因电解质溶液中溶解O2量不同而引起电化学腐蚀 普通化学 2腐蚀电池的非平衡电势和腐蚀速率 腐蚀速率一般以每单位表面积 在单位时间内金属的失重表示 测量腐蚀速率最直接的方法是经典的失重法 影响金属腐蚀速率的因素较多 包括金属的活泼性 金属在特定介质中的电极电势和环境的酸度 湿度及污染物等 在讨论腐蚀电池时 要注意腐蚀电池的电极电势与前面所介绍的平衡电势是不相同的 普通化学 在腐蚀电池中 金属通常不是在含有该金属离子的溶液中 电极电势的建立并不表示电极反应已达到平衡状态 因而称为非平衡电势 非平衡电势最后能达到一个恒定的数值 称为稳定电势 稳定电势与溶液的成分 浓度 温度 搅拌情况以及金属表面状态有关 且不服从能斯特方程式 当有可觉察量的电流通过电极时 将发生电极的极化 极化作用使腐蚀电池阴极 正极 的电极电势代数值变得更小 阳极 负极 的电极电势代数值变得更大 普通化学 在接通电路后 腐蚀电池的电动势比未接通电路前减小 这就使腐蚀电池的电流减小 因而降低了金属的腐蚀速率 如果没有极化作用 金属腐蚀速率将会大几十倍甚至几百倍 所以极化作用是减缓金属腐蚀的一个重要因素 普通化学 3金属腐蚀的防止 1 改变金属的内部结构 例 把铬 镍加入普通钢中制成不锈钢 2 保护层法 例 在金属表面涂漆 电镀或用化学方法形成致密而耐腐蚀的氧化膜等 如白口铁 镀锌铁 马口铁 镀锡铁 3 缓蚀剂法 在腐蚀介质中 加入少量能减小腐蚀速率的物质以防止腐蚀的方法 1 无机缓蚀剂 在中性或碱性介质中主要采用无机缓蚀剂 如铬酸盐 重铬酸盐 磷酸盐 碳酸氢盐等 主要是在金属的表面形成氧化膜或沉淀物 2 有机缓蚀剂 在酸性介质中 一般是含有N S O的有机化合物 常用的缓蚀剂有乌洛托品 若丁等 普通化学 有机物 如胺类 吡啶类 硫脲类等 3 气相缓蚀剂 如亚硝酸二环乙烷基胺 给机器产品 尤其是精密仪器 的包装技术常带来重大革新 普通化学 4阴极保护法 将被保护的金属作为腐蚀电池或电解池的阴极而不受腐蚀 它一般分为牺牲阳极保护法和外加电流法 1 牺牲阳极保护法 用较活泼的金属或其三元合金如 Zn Al 连接在被保护的金属上 被保护的金属作为腐蚀电池阴极而达到不遭腐蚀的目的 普通化学 选读材料电解加工和非金属电镀 电解加工是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理 将工件加工成型 电解加工时 工件作为阳极 模件 工具 作为阴极 两极之间保持很小的间隙 0 1 1mm 使高速流动的电解液从中通过以达到输送电解液和及时带走电解产物的作用 使阳极金属能较大量地不断溶解 最后成为与阴极模件工作表面相吻合的形状 1电解加工 普通化学 2电抛光 电抛光原理 在电解过程中 利用金属表面上凸出部分的溶解速率大于金属表面上凹入部分的溶解速率 从而使金属表面平滑光亮 普通化学 电抛光时 将工件 钢铁 作为阳极材料 用铅板作为阴极材料 在含有磷酸 硫酸和铬酐 CrO3 的电解液中进行电解 工件 阳极 铁的表面将 被 氧化而溶解 阳极Fe Fe2 2e 6Fe2 Cr2O72 14H 6Fe3 2Cr3 7H2O 阴极Cr2O72 14H 6e 2Cr3 7H2O和2H 2e H2 g 电抛光结果 能获得平滑及有光泽的金属表面 普通化学 3非金属电镀 化学镀 利用化学反应进行沉积金属的方法 如银镜反应 塑料的化学镀可将塑料件的重量轻 抗腐蚀与金属的导电性 耐磨性 装饰性结合起来 步骤 除油 粗化 敏化 活化和化学镀 以ABS化学镀Cu为例 主要步骤 1 粗化使塑料表面蚀刻出一些微观粗糙不平状态 粗化液可使高分子链断裂 同时发生反应 提高表面的亲水性 提高金属与塑料的结合力 普