金属第三章电化学腐蚀ppt课件

1、第一节第一节 腐蚀电池腐蚀电池第二节第二节 腐蚀程度的表示方法腐蚀程度的表示方法第三节第三节 极化作用极化作用第四节第四节 影响金属腐蚀的因素影响金属腐蚀的因素第一节第一节 腐蚀电池腐蚀电池一一 腐蚀电池腐蚀电池 二二 金属腐蚀的电化学历程金属腐蚀的电化学历程三三 腐蚀电池的类型腐蚀电池的类型 一一 腐蚀电池腐蚀电池 丹尼尔电池丹尼尔电池 (-)Zn (-)Zn Zn2+( C1)Zn2+( C1) Cu2+( C2) Cu2+( C2) Cu(+) Cu(+)伏打电池伏打电池 (-)Zn (-)Zn Zn2+( C1)Zn2+( C1) H+( C2) H+( C2) H2 H2 (P)(P

2、t)(+)(P)(Pt)(+)在讨论腐蚀问题时，称原电池为在讨论腐蚀问题时，称原电池为腐蚀原电池或腐蚀电池。且规定：腐蚀原电池或腐蚀电池。且规定：电极电势较低的电极阳极氧电极电势较低的电极阳极氧化反应化反应电极电势较高的电极阴极还电极电势较高的电极阴极还原反应原反应金属在电解质中的腐蚀是由于形金属在电解质中的腐蚀是由于形成了腐蚀原电池而引起的。成了腐蚀原电池而引起的。 二二 金属腐蚀的电化学历程金属腐蚀的电化学历程化学腐蚀：化学腐蚀： ( (图图a)M + 1/2O2 = MOa)M + 1/2O2 = MO电化学腐蚀电化学腐蚀 ： ( (图图b)(b)(中性介质）中性介质） 阳极：阳极：M

3、- 2e M - 2e M2+ M2+阴极：阴极：1/2O2 + H2O +2e 1/2O2 + H2O +2e 2OH-2OH-溶液中溶液中: M2+2OH- : M2+2OH- M(OH)2 M(OH)2 MOH2OMOH2O 基本特点：基本特点：、两个半反应在空间上是可分、两个半反应在空间上是可分的。的。、整个腐蚀反应分成两个既相、整个腐蚀反应分成两个既相互联系又相对独立的两个半反应。互联系又相对独立的两个半反应。电化学腐蚀过程是一个氧化电化学腐蚀过程是一个氧化还原反应。还原反应。反应历程的三个环节：反应历程的三个环节：、阳极过程：、阳极过程： M - ne Mn+、电子从阳极、电子从阳

4、极阴极阴极、阴极过程：、阴极过程：D + ne Dne 三个环节相互联系缺一不可，三个环节相互联系缺一不可，如果其中一个环节受阻或停止，如果其中一个环节受阻或停止，则整个腐蚀过程就减缓或停止。则整个腐蚀过程就减缓或停止。总结：总结： 腐蚀原电池的结构和作用原理与一腐蚀原电池的结构和作用原理与一般原电池并无本质的区别。腐蚀原电池般原电池并无本质的区别。腐蚀原电池的特点的特点-是一种短路了的原电池。工是一种短路了的原电池。工作时虽也产生电流，但其电能不能被利作时虽也产生电流，但其电能不能被利用，而是以热的形式散失掉了，其工作用，而是以热的形式散失掉了，其工作的直接结果只是加速了金属的腐蚀。的直接结

5、果只是加速了金属的腐蚀。电化学腐蚀电化学腐蚀 当金属与电解质溶液接触时，由于电化学当金属与电解质溶液接触时，由于电化学作用而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀。其腐蚀作用而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀。其腐蚀原理与化学腐蚀不同原理与化学腐蚀不同, ,它是以不同的金属它是以不同的金属( (或或导电非金属导电非金属) )为两极形成腐蚀电池的结果。为两极形成腐蚀电池的结果。 金属的电化学腐蚀的机理与原电池原理相金属的电化学腐蚀的机理与原电池原理相同，通常把腐蚀中的电池，称为腐蚀电池；同，通常把腐蚀中的电池，称为腐蚀电池；同时把腐蚀电池的负极同时把腐蚀电池的负极( (失电子的电极失电子的电极) )称为称为阳极，把正

6、极阳极，把正极( (得电子的电极得电子的电极) )称为阴极。称为阴极。三三 腐蚀电池的类型腐蚀电池的类型 根据腐蚀电池大小根据腐蚀电池大小 宏观电池宏观电池（丹尼尔电池伏打电池（丹尼尔电池伏打电池（接触腐蚀电偶腐蚀析氢腐（接触腐蚀电偶腐蚀析氢腐蚀蚀（浓差腐蚀氧浓差腐蚀电池）（浓差腐蚀氧浓差腐蚀电池） (-)Zn (-)Zn Zn2+( C1) Zn2+( C1) Cu2+( C2)Cu2+( C2) Cu(+) Cu(+) (-)Zn (-)Zn Zn2+( C1) Zn2+( C1) H+( C2)H+( C2) H2 (P)(Pt)(+) H2 (P)(Pt)(+)宏观电池宏观电池 宏观电

7、池有独立的两极，可用肉眼分宏观电池有独立的两极，可用肉眼分辨出来，如丹尼尔电池和电偶电池。辨出来，如丹尼尔电池和电偶电池。 在潮湿空气中，金属的表面可覆盖上在潮湿空气中，金属的表面可覆盖上一层极薄的水膜，溶解一层极薄的水膜，溶解CO2等后会有下等后会有下列反应发生：列反应发生： CO2+H2O=H2CO3=HHCO3- 铝和铜放在含有铝和铜放在含有H、OH-、HCO3-电解质溶液中电解质溶液中形成腐蚀电池。铝为阳极，铜为阴极，电极反应如下：形成腐蚀电池。铝为阳极，铜为阴极，电极反应如下： 阳极：阳极： Al3e Al3+ 阴极：阴极： (中性介质中性介质O2 十十2H2O十十4e 4OH- （

8、酸性介质）（酸性介质） 2H+十十2e H2 溶液中的溶液中的 Al3+与与OH-结合生成结合生成Al(OH)3沉淀，于是沉淀，于是铝很快地遭到腐蚀。铝很快地遭到腐蚀。 析氢腐蚀析氢腐蚀 （酸性介质）（酸性介质） 腐蚀过程中的阴极上有氢气析出的腐蚀。腐蚀过程中的阴极上有氢气析出的腐蚀。它常发生在酸洗或用酸浸蚀某种较活泼金它常发生在酸洗或用酸浸蚀某种较活泼金属的加工过程中。属的加工过程中。Fe作为腐蚀电池的阳极，作为腐蚀电池的阳极，钢铁中较钢铁中较Fe不活泼的其他杂质作阴极，不活泼的其他杂质作阴极，H+在阴极上获得电子发生还原反应在阴极上获得电子发生还原反应阳极阳极(Fe)： Fe 2e Fe2

9、+阴极阴极(杂质杂质)： 2H+十十2e H2(g) 总反应：总反应： Fe十十2HFeH(g) 吸氧腐蚀吸氧腐蚀 （中性介质）（中性介质） 在腐蚀过程中溶解于水膜中的氧气在在腐蚀过程中溶解于水膜中的氧气在阴极上得到电子被还原生成阴极上得到电子被还原生成OH的腐的腐蚀。它常常是在中性、碱性或弱酸性的蚀。它常常是在中性、碱性或弱酸性的介质中发生的。由于介质中发生的。由于(OOH-)的的代数值远远大于代数值远远大于(H)的代的代数值，且空气中的数值，且空气中的O2不断溶入水膜中，不断溶入水膜中，所以大气中钢铁等金属的腐蚀主要形式所以大气中钢铁等金属的腐蚀主要形式是吸氧腐蚀。是吸氧腐蚀。反应方程式如

10、下反应方程式如下阳极阳极(Fe)： Fe 2e Fe 阴极阴极(杂质杂质)： O2十十2H2O十十4e 4OH- 总反应：总反应： 2Fe十十O2十十2H2O 2Fe(OH)24Fe(OH)2十十O2十十2H2O 4Fe(OH) Fe2O3xH2O(铁锈铁锈) 锅炉、铁制水管等系统常含有大量的溶锅炉、铁制水管等系统常含有大量的溶解氧，故常发生严重的吸氧腐蚀。解氧，故常发生严重的吸氧腐蚀。 （浓差腐蚀氧浓差腐蚀电池）（浓差腐蚀氧浓差腐蚀电池） 2 .3 0 3lg0 .0 5 9lgaobaobR Tn FnCTCC氧 化 态还 原 态氧 化 态还 原 态、有 关小 处小 阳 极 , 被 腐 蚀

11、大 处大 阴 极腐蚀过程的电极腐蚀过程的电极 阴极：阴极：(O2浓度较大的部位处浓度较大的部位处) 阳极：阳极：(O2浓度较小的部位处浓度较小的部位处) 氧浓差腐蚀又称差异充气腐蚀氧浓差腐蚀又称差异充气腐蚀在生产中常常遇到，如金属裂缝深处的在生产中常常遇到，如金属裂缝深处的腐蚀，浸入水中的支架埋入地里的铁柱腐蚀，浸入水中的支架埋入地里的铁柱和水封式储气柜的腐蚀等等。和水封式储气柜的腐蚀等等。2224222223232440.059lg4244- 2()()OoOH OeO HPO HOH OeO HF eeF eF eO HF e O HF e O HF e O 空 气脱 水氧 电 极 ：阴

12、极 ：阳 极 ：微观电池微观电池（金属表面成分不均匀性；（金属表面成分不均匀性；（金属组织结构的不均匀性；（金属组织结构的不均匀性；（金属表面的物理状态不均匀性；（金属表面的物理状态不均匀性；（金属表面膜不完整性。（金属表面膜不完整性。 微观电池微观电池 微观腐蚀电池中无明显分立的两极，肉眼不能分辨。微观腐蚀电池中无明显分立的两极，肉眼不能分辨。如钢铁中的石墨和碳化物如钢铁中的石墨和碳化物Fe3C等杂质的电极电势数值等杂质的电极电势数值都比铁大，表面吸潮后会覆盖一层极薄的溶有都比铁大，表面吸潮后会覆盖一层极薄的溶有CO2等等的水膜，相当于浸在电解质溶液中，形成了微电池，的水膜，相当于浸在电解质

13、溶液中，形成了微电池，此时，此时，Fe为阳极，失去电子变成为阳极，失去电子变成Fe而进入溶液；而进入溶液；Fe失去的电子通过金属内部传到杂质失去的电子通过金属内部传到杂质(阴极阴极)，液膜中的，液膜中的某种氧化态物质某种氧化态物质(如如H)在杂质上得到电子，腐蚀电在杂质上得到电子，腐蚀电流源源不断，钢铁即遭到腐蚀。流源源不断，钢铁即遭到腐蚀。 由于所形成的微电池数目很多，电极也很多，两极由于所形成的微电池数目很多，电极也很多，两极间的距离又很近。所以其腐蚀速率很快，腐蚀程度严间的距离又很近。所以其腐蚀速率很快，腐蚀程度严重。重。 腐蚀机理化学腐蚀电化学腐蚀介质干燥气体/非电解质溶液电解质溶液电

14、子传递直接，测不出电流 分别，测得出电流反应区在碰撞点瞬间完成 在阴阳极区同时完成产物在碰撞点直接形成 一次产物在电极上形成 二次产物在一次产物相遇处形成能量转换化学能-机械力、热能 化学能-电能过程规律化学反应动力学 电极过程动力学温度高温为主 室温/高温第二节第二节 腐蚀程度的表示方法腐蚀程度的表示方法一、由重量变化来评定一、由重量变化来评定( (均匀腐蚀均匀腐蚀) )二、由腐蚀厚度来评定二、由腐蚀厚度来评定( (均匀腐蚀均匀腐蚀) )三、电化学腐蚀速度三、电化学腐蚀速度一、由重量变化来评定一、由重量变化来评定( (均匀腐蚀均匀腐蚀) )20102200/)/)ggKg mhrS tggK

15、g mhrS t重量重量(单位：(单位：二、由腐蚀厚度来评定二、由腐蚀厚度来评定( (均匀腐蚀均匀腐蚀) ) 考虑到金属的比重考虑到金属的比重ex:ex:当重量损失当重量损失 K- = 1.0g/m2 K- = 1.0g/m2hrhr时时 钢、生铁、铜的腐蚀深度为钢、生铁、铜的腐蚀深度为1.1mm/1.1mm/年年 铝的腐蚀铝的腐蚀深度为深度为3.4mm/3.4mm/年年38.76()/()/KDdD m mdgcm重 量厚 度年均匀腐蚀密度相近重量方法均匀腐蚀密度相近重量方法 密度不同厚度变化密度不同厚度变化晶间腐蚀、氢腐蚀晶间腐蚀、氢腐蚀( (力学力学/ /电阻变化电阻变化) )电化学腐蚀

16、阳极电流密度电化学腐蚀阳极电流密度三三 电化学腐蚀速度阳极电流密度电化学腐蚀速度阳极电流密度 阳极：失电子数金属溶解量阳极：失电子数金属溶解量 1 1 法拉第定律法拉第定律()()/96500()QAItAItWgNFnFnFQItWNAnF电 量 电 流 强 度时 间金 属 的 溶 解 量原 子 量价 数克 当 量 法 拉 第 常 数库 仑 安 培秒2 2 腐蚀速度：腐蚀速度： 金属在单位时间单位阳极表面金属在单位时间单位阳极表面积上所损失的重量。积上所损失的重量。( (如以克如以克/ /米米22小时小时) )3600/WIAiNKStSnFFIiKSKSK影 响 因 素 ：越 大 ，越 大

17、越 大 ，越 小越 小 ，越 大采用不同的单位，获得不同的采用不同的单位，获得不同的K表达式表达式3423242233.7310(/)8.9510(/)8.9510(/)/3.2710/)/(/KiNgmhKiNgmdDiNKiN mgdmdimAcmd mmdgcm厚 度；年233232:-227.92;7.8/;110;10/27.921087609.1 /26.8/0.1/1.17(/)FeeFeNdg cmImAAScmKDKItN FAhgA hiI SmA cmDmm厚度已知，克当量。求 、解：年年 第三节第三节 极化作用极化作用一、极化现象一、极化现象二、极化作用二、极化作用三、

18、氢去极化腐蚀三、氢去极化腐蚀四、氧去极化腐蚀四、氧去极化腐蚀五、腐蚀极化图五、腐蚀极化图一、极化现象一、极化现象 例：例：Cu/Zn的表面积的表面积S=10cm2,浸入浸入3%NaCl溶液中，溶液中，R外外=110，R内内=90，Cu和和Zn在该溶液中的开路电势分别为在该溶液中的开路电势分别为Cu+0.05伏和伏和Zn-0.83伏。观察该腐蚀伏。观察该腐蚀电池在电路接通后其电流变化情况。电池在电路接通后其电流变化情况。实验现象实验现象 外电路接通前，外电路接通前，R R外无穷大，电流为零；外无穷大，电流为零； 外电路接通的瞬间，观察到一个很大的外电路接通的瞬间，观察到一个很大的起始电流起始电流

19、I I始始=4.4=4.410-310-3安培；安培； 在达到最大值在达到最大值I I始后，电流很快变小到一始后，电流很快变小到一个稳定的电流值个稳定的电流值I I稳稳=1.5=1.510-410-4安培。安培。 为什么腐蚀电流会减小？为什么腐蚀电流会减小？ 34.4 10CuZnIRR始内外安培二、极化作用二、极化作用 I = E / R I = E / R 实验测量证明实验测量证明I I的降低是由于的降低是由于电池两极间的电势差发生变化的结果电池两极间的电势差发生变化的结果。 由于通过电流而引起电池两极由于通过电流而引起电池两极间的电势差降低并因而引起电池工作间的电势差降低并因而引起电池工

20、作电流强度降低的现象称为极化作用。电流强度降低的现象称为极化作用。( (图图) )（没有可察觉到的电流通过时的电极（没有可察觉到的电流通过时的电极电势称为平衡电势）电势称为平衡电势）电池电路接通后电池电路接通后()()(-)ZnZnCuCuCuZnZnCuEEIR稳总阳极变正阴极变负两极间电势差降低使降低极化作用极化作用 腐蚀电池发生极化可使腐蚀电流腐蚀电池发生极化可使腐蚀电流强度减小，从而可降低金属腐蚀速强度减小，从而可降低金属腐蚀速度。故研究产生极化的原因和影响度。故研究产生极化的原因和影响因素，对探讨金属腐蚀具有重要的因素，对探讨金属腐蚀具有重要的意义。意义。（分为阳极极化、阴极极化（分

21、为阳极极化、阴极极化) )产生极化的原因产生极化的原因1)1)、浓差极化、浓差极化 由于离子向外扩散速度由于离子向外扩散速度 Fe2+/Fe，形成微电池，形成微电池，反应如下：反应如下：2222():-2():222FeFeeFeHeHFeHFeH阳极阴极 杂质总反应：2222-7/26/10/0.4140.587 (10/)HHFeFeHHFeFeHmol LVVFemol L 在中性溶液中，则如果某金属电势 -0.414V，则有可能产生氢去极化腐蚀。如理论上阴极有氢析出，(但此时阴极表面并无气体逸出。)阴极过程阴极过程- -氢去极化过程主要步骤：氢去极化过程主要步骤：2221234H nH

22、OHnHOHHH HH、水合氢离子脱水、氢离子阴极放电成氢原子、氢原子结合成氢分子、氢分子形成气泡从表面逸出。 上述几个步骤中上述几个步骤中, ,任一步骤进行任一步骤进行得迟缓得迟缓, ,由阳极送来的电子会在阴极由阳极送来的电子会在阴极堆积堆积, ,使阴极电势向负移动。则整个使阴极电势向负移动。则整个氢去极化过程即阴极过程将会受到氢去极化过程即阴极过程将会受到阻碍。阴极电势变负程度与阴极电阻碍。阴极电势变负程度与阴极电流密度有关。流密度有关。 通常在一定电流密度下，当阴极通常在一定电流密度下，当阴极电势变负到一定数值时，才能看到阴电势变负到一定数值时，才能看到阴极表面有氢气持续逸出，此时的电势

23、极表面有氢气持续逸出，此时的电势总比总比H H的平衡的平衡( (理论理论) )电势值电势值理要负理要负，通常称为氢的实际析出电势，通常称为氢的实际析出电势实。实。见图。其差值称为氢超电势见图。其差值称为氢超电势H2H2 氢超电势氢超电势H2H2越大，氢的实际越大，氢的实际析出电势析出电势实越小，腐蚀电池的电实越小，腐蚀电池的电势差势差EE越小，腐蚀电流越小，腐越小，腐蚀电流越小，腐蚀程度就越小。蚀程度就越小。 (E= (E= 实实- - 阳阳) )2(0)H理实2222tan2.3( 1.0 1.l g2)oHHHiRTbnabiFa阴阴塔菲尔直线关系：-氢超电势； -阴极电流密度；单位电流密

24、度下的超电势。与电极材料性质、表面状态、溶液成分及温度有关。221)2)( )( )HHiiSRaiaaa阴阴阴与 有关: 越大，越大,呈直线关系。设计小或 大与 有关： 一定， 越大， 越大。不同电极材料上的不同，选大的材料。杂质的超电势越大，腐蚀越小。不同杂质对锌在不同杂质对锌在0.5N硫酸中腐蚀速度的影响硫酸中腐蚀速度的影响22/( )4)HHSSiiSSSTT光光粗粗光阴阳阴3)表面状态：光滑的 粗糙的表面，则，大，腐蚀小。选小的宏观电池设计：尽可能小图： 升高，促进结合速度，降低 金属上发生氢超电势现象，对金属金属上发生氢超电势现象，对金属腐蚀具有很重要的意义。在阴极上的腐蚀具有很重

25、要的意义。在阴极上的氢超电势愈大，阴极氢去极化过程就氢超电势愈大，阴极氢去极化过程就愈难进行，腐蚀速度也就愈慢。愈难进行，腐蚀速度也就愈慢。 可利用提高氢超电势的方法降低氢可利用提高氢超电势的方法降低氢去极化过程，控制金属的腐蚀速度。去极化过程，控制金属的腐蚀速度。常用方法：常用方法：1)1)提高金属纯度，消除或减少杂质提高金属纯度，消除或减少杂质；2)2)加入缓蚀剂，减小阴极面积，增加入缓蚀剂，减小阴极面积，增加加；3)3)加入电势大的合金组分，如加入电势大的合金组分，如HgHg、ZnZn、PbPb等；等；4)4)降低活性阴离子成分等。降低活性阴离子成分等。四、氧去极化腐蚀四、氧去极化腐蚀/

26、 /吸氧腐蚀吸氧腐蚀 - -溶液中有氧气存在时溶液中有氧气存在时 （中性、碱性介质）（中性、碱性介质）222222():2-42():24422()FeFeeFeOH OeOHFeOH OFe OH阳极阴极 杂质总反应：222224/-7/0.0590.401lg410/0.805()OOOHOOHHHPOHHmolLV氧电极在中性溶液中，则远大于如果某金属电势 0.805V，则有可能产生氧去极化腐蚀。氧去极化过程主要步骤：氧去极化过程主要步骤：1 1、空气中氧气溶解到溶液中；、空气中氧气溶解到溶液中；2 2、溶液中氧气向阴极表面扩散、溶液中氧气向阴极表面扩散; ;3 3、氧被吸附在阴极表面上、氧被吸附在阴极表面上; ;4 4、氧气分子在阴极放电。、氧气分子在阴极放电。 在大多数情况下在大多数情况下, ,氧向电极表面氧向电极表面的扩散决定整个吸氧腐蚀过程的速的扩散决定整个吸氧腐蚀过程的速度，因为氧在水中的溶解度有限。度，因为氧在水中的溶解度有限。222250.116logOOOiabbVaai阴阴塔菲尔直线关系：-氧超电势；-阴极电流密度；与电极材料无关， 时约为单位电流密度下的超电势。与电极材料性质、表面状态、溶液成分及温度有关