金属腐蚀原理.doc

3 33 3 金属腐蚀原理金属腐蚀原理 3 3 13 3 1 概述概述 从腐蚀的定义及分类 我们知道腐蚀主要是化学过程 我们可 以把腐蚀过程分为两种可能的主要机理 化学机理和电化学机理 化学腐蚀是根据化学的多相反应机理 金属表面的原子直接与 反应物 如氧 水 酸 的分子相互作用 金属的氧化和氧化剂的 还原是同时发生的 电子从金属原子直接转移到接受体 而不是在 时间或空间上分开独立进行的共轭电化学反应 金属和不导电的液体 非电解质 或干燥气体相互作用是化学 腐蚀的实例 最主要的化学腐蚀形式是气体腐蚀 也就是金属的氧 化过程 与氧的化学反应 或者是金属与活性气态介质 如二氧 化硫 硫化氢 卤素 蒸汽和二氧化碳等 在高温下的化学作用 电化学腐蚀是最常见的腐蚀 金属腐蚀中的绝大部分均属于电 化学腐蚀 如在自然条件下 如海水 土壤 地下水 潮湿大气 酸雨等 对金属的腐蚀通常是电化学腐蚀 图 3 11 铁的电化学 腐蚀模型 电化学腐蚀机理与纯化学腐蚀机理 的基本区别是 电化学腐蚀时 介质与 金属的相互作用被分为两个独立的共轭 反应 阳极过程是金属原子直接转移到 溶液中 形成水合金属离子或溶剂化金 属离子 另一个共轭的阴极过程是留在 金属内的过量 电子被溶液中的电子接受体或去极化剂接受而发生还原反应 左图即是铁的电化学腐蚀模型 点击放大播放 flash 3 3 23 3 2 金属腐蚀的电化学概念金属腐蚀的电化学概念 1 1 电极反应及电极电极反应及电极 相 由化学性质和物理性质一致的物质组成的 与系统的其他 部分之间有界面隔开的集合叫做相 电极系统 如果系统由两个相组成 一个相是电子导体 叫电 子导体相 另一个相是离子导体 叫离子导体相 且通过它们互 相接触的界面上有电荷在这两个相之间转移 这个系统就叫电极系 统 将一块金属 比如铜 浸在清除了氧的硫酸铜水溶液中 就构 成了一个电极系统 在两相界面上就会发生下述物质变化 Cu M Cu2 sol 2e M 这个反应就叫电极反应 也就是说在电极系统中伴随着两个非 同类导体相 Cu 和 CuSO4溶液 之间的电荷转移而在两相界面上发生 的化学反应 称为电极反应 这时将 Cu 称为铜电极 同样我们将一块金属放入某种离子导体相中 也会发生类似的 电极反应 Me Men ne 但是大家注意 在电化学中 电极系统和电极反应这两个术语 的意义是很明确的 但电极这个概念的含义却并不很肯定 在多数 场合下 仅指组成电极系统的电子导体相或电子导体材料 而在少 数场合下指的是某一特定的电极系统或相应的电极反应 而不是仅 指电子导体材料 图 3 12 氢电极示意 图 如一块铂片浸在 H2气氛下的 HCl 溶 液中 此时构成电极系统的是电子导体 相 Pt 和离子导体相的水溶液 其电极 反应是 1 2H2 H sol e M 我们称之为氢电极而不是铂电极 如左上图 点击放大 电极反应的特点是 所有电极反应都是化学反应 因此所有关于化学反应的一些 基本定律 如当量定律 质量作用定律 都适用于电极反应 但它 又不同于一般的化学反应 电极反应必须发生在电极表面上 两个共轭的氧化还原反应 2 2 电极电位电极电位 金属作为一个整体是电中性的 当金属与溶液接触时 由于其 具有自发腐蚀的倾向 金属就会变成离子进入溶液 留下相应的电 子在金属表面上 结果使得金属表面带负电 而与金属表面相接触 的溶液带正电 这就使得在电极材料与溶液之间的相界区不同于电 极材料或溶液本身 该相界区通常称为双电层 由于双电层的建立 使金属与溶液之间产生了电位差 这种电位差就叫电极电位 随着 时间的推移 进入溶液的离子越来越多 留在表面的电子也越来越 多 由于电子对离子的吸引力 金属的离子化倾向愈来愈困难 最 后达到平衡 此时就有一个不变的电位量 称为平衡电位 当温度 为 25 C 金属离子的有效浓度是 1 克离子 升 即活度为 1 时的 平衡电位叫标准电极电位 图 3 13 电双层结构示意图 电极电位 金属与溶液的电位差 其绝对值即 E金 E液 我们 是无法测量出来的 这个我们从下左图中 点击放大 可以清楚地看到 我们要测如图中的 Ecu Esol 就要 图 3 14 一个电极 系统的绝对 电位无法测量示意图 将电表连接到此电位的两端 为此必须引入 金属 Me 所以实际上我们测得的电位是 E Ecu Esol Esol EMe EMe Ecu 也就是 由 Cu 水溶液和 Me 水溶液两个电极系统所 组成的原电池的电动势 而这个为了测量而 使用的电极系统 Me 水溶液 叫参考电极 对参考电极的要求是 电极反应应保持平 衡 且与该电极反应有关的各反应物的化学 位应保持恒定 因此 确切地说我们测得的电极电位应是待测电极系统与参考 电极系统组成的原电池的电动势 在各种参考电极中 有一个电极最重要 这就是标准氢电极 它是镀了铂黑的 Pt 浸在压力为 1 个大气压的 H2气氛下的 H 离子活 度为每升 1 克离子的溶液中构成的电极系统 其电极反应为 1 2H2 g H sol e pt 按化学热力学中规定 该电极的标准电极电位为零 所以用标 准氢电极与待测电极系统组成的原电池的电动势即电极电位就可以 认为是等同于待测系统的电极电位绝对值 如果我们采用别的参考电极 用饱和甘汞电极等 那么所测 得的电极电位与用标准氢电极所测得的电极电位之间就有一个差值 这个差值只决定于参考电极系统 而与待测电极系统无关 测定了 这些差值后 用不同的参考电极测出的电极电位值之间可以互相换 算 故我们指某个电极系统的电极电位时一定要指明所用的参考电 极类型 一般来说 我们可以用一个通式来表示一个电极反应 R R 1 S1 2 S2 oO lSl mSm Ze 其中 R 还原体 O 氧化体 S 氧化状态没有发生变化的物质 j 第 j 种物质的化学计量系数 Z 电极反应中电子 e 的化学计量系数 这个电极系统其平衡电极电位与温度和浓度的关系可用能思特 Nernst 方程式表明 以标准氢电极作为参考电极 Ee E RT ZF j aj E RT ZF aj j 其中 Ee 平衡电极电位 即该电极在不通电时所具有的 电极电位 E 标准电位 E 1 ZF j j j j 种物 质的标准化学位 R 气体常数 8 313 焦耳 度 Z 参加电极反应的电子数 T 绝对温度 273 t oC F 法拉第常数 96500 库仑 a 金属离子活度 如对电极系统 Cu M Cu2 sol 2e M Ee E RT 2F aCu2 当 Cu2 的活度等于 1 时 Ee E 将标准电极电位按次序排列的表格叫做电化序 如下表为在水 溶液中某些电极的标准电极电位 电化序 表 3 1 水溶液中某些电极的标准电极