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安庆师范学院电化学反应及其腐蚀 09级化学化工学院化学教育（3）班武超婷 160109183摘 要：氧化还原反应是普遍存在的一类重要的反应。金、 锈蚀及许多化工生产都涉及到氧化还原反应。氧化还原反应的本质是电子得失或偏移，如何通过化学能转变为电能，使氧化还原反应获得或失去电子，利用电化学的知识来解释一些电化学腐蚀现象。关键词：氧化还原反应；电化学；原电池；电化学腐蚀人们对氧化还原概念的认识经历了一个漫长的过程。最终把与氧结合的过程称为氧化；把含氧物失去氧的过程称为还原反应。这一直观的定义迄今仍然是有用的，但覆盖范围显然较小。随着对化学反应的进一步研究，人们认识到，在许多与氧无关的反应中，原子之间也发生了较强烈的电子偏移、引起氧化数的改变。由此产生了电子得失，即电化学。电化学是化学学科中的一个重要内容，电化学原理及其应用被划为教材中的重点。电化学现象在工农业生产和生活中随处可见，如铁会生锈1，而用铁制造的船则不会被腐蚀等。本文就原电池、电化学腐蚀的有关问题对氧化还原反应阐述一些粗浅的认识。 1 电化学及原电池的组成 我们通常把化学能与电能的相互转换称之为电化学。把化学能转变为电能的装置叫做原电池，是自发的氧化还原反应产生的电流装置，同时证明氧化还原反应中有电子转移。原电池的原理是化学反应中的氧化还原反应。例如，将Zn片放在CuSO4溶液中，发生氧化还原反应。反应方程式为： Zn + Cu2+ Zn2+ Cu （1） 此反应中Zn被氧化为Zn2+，Cu2+被还原成Cu，也就是说Zn原子将2 个电子转移给了Cu2+ ，单质Zn变成Zn2+发生了氧化反应，Cu2+变成Cu发生了还原反应，而且在反应过程中一直有电子转移，我们即可将此反应设计成原电池。 正极反应：Zn Cu2+ Zn2+ Cu （1）半电池符号： Cu(s) | Cu2+ (aq) (2)负极反应：Zn Zn2+ 2e （3） 盐桥半电池符号： Zn(s) | Zn2+ (aq) 饱和KCl 溶液一般电极反应式通常书写为还原过程，即： 氧化态 + ne 还原态2正、负极反应之和称为电池反应，即： 电池反应正极反应负极反应（2 ）（3）得：Zn(s) Cu2+ (aq) Zn2+ (aq) Cu(s) （4）电池符号：（）Zn| Zn2+ (c/molL-1)Cu2+ (c/molL-1) | Cu （）组成原电池有三要素：第一，氧化还原反应是自发的；第二，有电解质溶液；第三，至少有两个电极且连成回路。以下根据一个氧化还原反应设计一个原电池 。3以实验室用高锰酸钾与盐酸发生反应制取氯气的反应为例： 2KMnO4+16HCl 2MnCl2 2KCl 5Cl2 8H2O Cl- Cl2 10e- 设计成原电池，步骤如下：1）根据反应中各元素氧化数的变化标出正、负的氧化还原电对。2KMnO4+16HCl 2MnCl2 2KCl 5Cl2 8H2O Cl- Cl2 为负极氧化还原对； MnO4- Mn2+ 为正极氧化还原对。2）根据正、负极的“氧化还原对”写出电极反应和电极符号。 负极反应： 10Cl- (aq) 5Cl2 10e- 半电池符号： （p）Cl2 (g)| Cl- (aq) 正极反应：2MnO4-(aq)16H+(aq)10e-2Mn2+ (aq)+8H2O 半电池符号: Mn2+(aq) | MnO4-(aq)3）写出电池符号。(-)(p)Cl2(g)|Cl-(aq)Mn2+ (aq)| MnO4-(aq), H+(aq)(p)(+)4）验证：根据电极的反应写出电池反应，看是否与给出的氧化还原反应一致。 10Cl-2MnO4-16H+5Cl2Mn2+8H2O (5) 4 式（5）是给出方程的离子方程式，与原方程是一致的 。 2 电化学腐蚀众所周知，铁放在潮湿的空气中会被腐蚀，这就是通常所说的电化学腐蚀。以下以铁的腐蚀为例分析电化学腐蚀的种类和规律。2.1 析氢腐蚀当生铁的表面吸附一层呈酸性的水膜时（水膜中溶有SO2 或CO2），铁溶解并放出H2，这相当于Fe的酸液界面上形成了“短路电池”，这种腐蚀通常被称为析氢腐蚀。正极反应：Fe(s)Fe2+ (aq)2e- Fe(s)/ Fe(aq)0.4402 V负极反应：2H+ (aq) H2(g)-2e- H+ (aq)/ H2(g)0 V 电池反应：Fe(s)2H+(aq) Fe2+(aq)H2(g) 1 H+(aq)/H2(g) Fe(s)/ Fe(aq)0.4402+（2.303 RT2F）lg（ c2 (H+ )c(Fe2+) ）故只要10，铁就会被腐蚀，且腐蚀速度随T和c(H+)的的升高而变快，即使在c(H+)10-7，c(Fe2+)10-6，T253 K时， 1仍大于0，反应仍可进行。所以，不含氧的酸性（甚至中性）水膜中铁会发生析氢腐蚀。52.2 吸氧腐蚀 如上所述，若水膜中含有氧，上述的正极会变成： O2(P)4H+ (aq)2H2O4e- O2 /H2O1.229 V 电池反应：2Fe(s)+ O2(P)4H+ (aq)2Fe2+(aq)2H2O此时 O2/H2O- Fe(aq)/Fe(s)（2.303 RT4F）lg（ c4(H+ )c2 (Fe2+) ） 6若在酸性或中性水膜中，有氧存在时，则发生吸氧腐蚀，铁的腐蚀会更严重 。3 电化学腐蚀实例解析 根据上面的分析，铁放在潮湿的空气中会被腐蚀，用铁制造的船情况如何呢？铁是较活泼的金属，在水中当然会被腐蚀，但我们所见到的轮船长期在水中却安然无恙。这是因为造船时在船底放了足够的金属锌块，金属锌的活泼性比铁更强，在发生电化学腐蚀时锌首先被腐蚀，因此铁得到保护。 7 正极反应：Fe2+ (aq)Fe(s)2e-半电池符号及标准电动势：Fe(s) / Fe2+ (aq) Fe(s)/ Fe(aq)0.4402 V负极反应：Zn(s)Zn2+(ag)2e-半电池符号及标准电动势：Zn(s)/ Zn2+(aq) Zn(s)/ Zn2+(aq)0.762 V电池符号：（-）Zn(s)|Zn2+ (aq)|Fe 2+ (aq)| Fe(s)（） Fe(s)/ Fe2+ Zn(s)/ Zn2+ (aq) （2.303 RT2F）lg（ c(Fe2+)c（Zn2+） 0人们往往认为“纯金属不含杂质，不能构成原电池，所以纯金属不能发生电化学腐蚀”。实这是一种误解。当金属表面的水膜含氧或酸的浓度不同时，会由于浓差而生成浓差电池，引起金属的腐蚀。其中氧浓差电池引起的腐蚀在金属腐蚀中最普遍，这种腐蚀并不需要活泼性不同的金属做电极8。一般情况下，由于金属表面的水膜含氧浓度不同引起的这种浓度差电池可用以下通式表示：M(s),O2(P) Mn+(aq) ,H2O (1) O2 (P), M(s) 负极反应：M(s)4OH-(n4)e-Mn+(aq)2H2O +O2(P1/ P)正极反应：Mn+(aq)2H2O O2 (P2/ P) M(s)4OH- 电极反应：O2 (P2/ P ) O2 (P1/ P ) RTnF lg（c(P2)/c（P1）0 (P2P1) （6） 电池电动势只与氧有关，即 0，说明纯金属也能发生电化学腐蚀。纯铜在潮湿空气中“长”出铜绿就是一个很好的例证 。94 结语用上述腐蚀原理同样可以解释为什么纱窗上铁丝相交处生锈最严重，为什么铁锈下的金属吸氧腐蚀会不断继续进行直到完全锈蚀为止等一系列问题。因此，电化学现象在工农业和生活中随处可在。参考文献： 1 董元彦. 机及分析化学M. 第二版. 北京: 科学出版社, 2005. 2 呼世斌，黄蔷蕾. 无机及分析化学M. 北京: 中国高等教育出版社, 2001. 3 赵士铎. 普通化学M. 北京: 中国农业出版社, 1988. 4 黄尚勋.无机及分析化学M. 北京: 中国农业出版社, 2005. 5 王德明，孝熔. 氧化还原滴定中计算等量点电位及其在突跃曲线上的位置的讨论J. 化学教育, 1982(5): 5-9.