金属腐蚀理论及腐蚀控制答案

1、金属腐蚀理论及腐蚀控制（跟着剑哥走，有肉吃。）习题解答第一章1. 根据表 1 中所列数据分别计算碳钢和铝两种材料在试验介质中的失重腐蚀速度V- 和年腐蚀深度 V p，并进行比较，说明两种腐蚀速度表示方法的差别。表 1碳钢和铝在硝酸中的腐蚀试验数据试验介质30% HNO 3 ，25 C试样材料碳钢铝矩形薄板试样尺寸 (mm)2040 330405腐蚀前重 W 0(g)18.715316.1820浸泡时间 t (hr)4545腐蚀后重 W 1(g)18.673916.1347解：由题意得：（ 1）对碳钢在 30%HNO3( 25)中有：V=W/st=(18.7153-18.6739)/45 2(2

2、0 402034030) 0.000001=0.4694g/ m?h又有 d=m/v=18.7154/20 400.003=7.798g/cm2?hVp=8.76V /d=8.76 0.4694/7.798=0.53mm/y对铝在 30%HNO3(25)中有：V=W铝 /st- 1 -=(16.1820-16.1347)/2 (3040305405) 4510-6=0.3391g/?hd=m 铝/v=16.1820/30 4050.001=2.697g/cm3说明：碳钢的 V比铝大，而 Vp 比铝小，因为铝的密度比碳钢小。（2）对不锈钢 在 20%HNO 3( 25)有：表面积 S=20.01

3、5 2 20.015 0.004=0.00179 m2V=W /st=(22.3367-22.2743)/0.00179 400=0.08715 g/ m2?h试样体积为： V=1.520.4=2.827 cm3d=W/V=22.3367/2.827=7.901 g/cm3Vp=8.76V /d=8.76 0.08715/7.901=0.097mm/y对铝有：表面积 S=20.02 2 20.02 0.005=0.00314 m2 V=W /st=(16.9646-16.9151)/0.00314 20=0.7882 g/ m2?h 试样体积为： V= 2 2 0.5=6.28 cm3 d=W

4、/V=16.9646/6.28=2.701 g/cm3Vp=8.76V /d=8.76 0.7882/2.701=2.56mm/y试样在 98% HNO3(85)时有：对不锈钢： V= W/st=(22.3367-22.2906)/0.00179 2=12.8771 g/ m2?hVp=8.76V /d=8.76 12.8771/7.901=14.28mm/y对铝： V= W/st=(16.9646-16.9250)/0.00314 40=0.3153g/ m2?hVp=8.76V /d=8.76 0.3153/2.701=1.02mm/y- 2 -说明：硝酸浓度温度对不锈钢和铝的腐蚀速度具有

5、相反的影响。3. 镁在 0.5mol/L NaCl 溶液中浸泡 100 小时，共放出氢气 330cm3。试验温度 25 C，压力760mmHg ；试样尺寸为 20 20 0.5 (mm) 的薄板。计算镁试样的失重腐蚀速度 V p。（在 25 C 时水的饱和蒸汽压为 23.8mmHg ）解：由题意得：该试样的表面积为：66S=2(20 20200.5200.5) 10 =84010m2压力 P=760mmHg-23.8 mmHg =736.2 mmHg=98151.9Pa根据 PV=nRT则有放出的氢气的物质的量为：6/8.315 (25273.15)=0.01307moln=PV/RT=981

6、51.9 33010又根据 Mg 2 H Mg2H2Mg 腐蚀的量为 n(Mg) =0.01307mol所以： V=nM(Mg) /St=0.01307 24.3050/840 1062?h100=3.7817 g/ m查表得： dMg =1.74 g/cm3有： Vp=8.76V/d=8.76 3.7817/1.74=19.04mm/y4. 表面积 4cm2 的铁试样，浸泡在 5%盐酸溶液中，测出腐蚀电流为 Icor = 0.55mA 。计算铁试样的腐蚀速度 V- 和 V p。解：由题意得：根据 V=A/nF=i cor 可知V=（A/nF）I cor/s=55.845 0.55 0.001

7、/2 26.8 40.0001=1.4326g/ m2?h查表得 d(Fe)= 7.8g/ cm3Vp=8.76V /d=8.76 1.4326/7.8=1.61mm/y- 3 -即铁试样的腐蚀速度V=1.4326 g/*hVp =1.61mm/y第二章1. 将铜片和锌片插在3%NaCl 溶液中，测得铜片和锌片未接通时的电位分别为+0.05V和0.83V 。当用导线通过电流表把铜片和锌片接通，原电池开始工作， 电流表指示的稳定电流为 0.15mA 。已知电路的欧姆电阻为 200。(1)原电池工作后阳极和阴极的电位差Ec Ea = ？(2)阳极极化值Ea 与阴极极化值Ec 的绝对值之和Ea +

8、Ec 等于多少 ?(3) 如果阳极和阴极都不极化，电流表指示应为多少？(4) 如果使用零电阻电流表， 且溶液电阻可以忽略不计， 那么电流达到稳态后， 阳极与阴极的电位差Ec Ea、阳极极化值与阴极极化值的绝对值之和Ea +Ec等于多少？电流表的指示又为多少？解：由题意得：（ 1）：根据 Ec-Ea=IR 则有：Ec-Ea=IR=0.51mA200 欧=30mV=0.03V即原电池工作后阳极和阴极的电压差Ec-Ea=0.03V（ 2）：Ea=Ea-Eoa | Ec|=Eoc-Ec Ea| Ec|=Ea-Eoa+Eoc-Ec=(Eoc-Eoa)-(Ec-Ea)=0.050.83-0.03=0.85

9、V即阳极极化值 Ea 与阴极极化值 Ec 的绝对值之和为0.85V。（3）：如果阳极和阴极都不极化，则有Pc=0 ，Pa=0I cor=(Eoc-Eoa)/R=(0.050.83)/200=0.0044A=4.4mA即电流表指示应为4.4mA。（ 4）：当使用零电阻电流表时有，阳极与阴极的电位差 Ec=Ea，则有：电位差 Ec-Ea=0由（ 2）知： Ea| Ec|=(Ea-Ec)-(Eoa-Eoc)=0-(-0.83-0.5)=0.88V3Pc+Pa=(Eoc-EcEa-Eoa)/ Icor=(0.88-0.03)/0.15 10 =5666.7 - 4 -I=(Eoc-Eoa)/ (Pc+

10、Pa)=(0.050.83)/5666.7=0.000155A2. 某腐蚀体系的参数为：E 0a = -0.4V ，E0c = 0.8V ，Ecor = -0.2V 。当 R = 0 时， Icor = 10mA ，该腐蚀电池属于什么控制类型？如果欧姆电阻 R = 90 ，那么 I cor =？ 腐蚀电池又属于什么控制类型？解：由题可知：当R=0 时有：I cor=(Eoc-Eoa)/ （Pc+Pa）Pc+Pa=(Eoc-Eoa)/ I =（0.8+0.4）/10 102=120cor3Pc=(Eoc-Ec)/ Icor=(0.80.2)/10 10=100则有 Pa=120-100=20因为

11、 PcPa，所以该电池属于阳极极化控制。当欧姆电阻 R=90 时有：Icor=(Eoc-Eoa)/(Pc+Pa+R)=(0.8+0.4)/(120+90)=5.71mA因为 R 与 Pc 接近，所以该腐蚀电池为欧姆电阻和阳极极化共同控制。第三章1. 在下列情况下，氧电极反应的平衡电位如何变化：(1) 温度升高 10 C ( 取 Po2 =1atm， pH = 7) 。(2) 氧压力增大到原来的10 倍 (温度 25 C)。(3) 溶液 pH 值下降 1 单位 (温度 25 C)。解：在中性溶液中，阴极的反应为：O2+2H2O+4 e=4OH-0RT4其平衡位则为 Ee=E （ OH-/O2 ）

12、 +nF(Po2/ aOH -)（1）当温度升高 10后有：- 5 -0（OH-/O2）+ R(T10) 2a4Ee = EnF(Po /OH -)=E+ RT (Po2/ aOH4)+ 10R Po2/ aOH4 -nFnF则平衡电位变化量 Ee1= Ee-Ee=10R (Po2/ aOH4 -)nF= 10R Po2 10R aOH4 -nFnF又因 aOH4 =2.3lg aOH4，则有 lg a=pH14OH所以： Ee1=108.314/(4 96500) Po2-10 8.314/(4 96500)42.3 (7-14)=0+0.01387=0.0139V0即：温度升高 10后平衡

13、电位正移0.0139V。（2）当氧压力增加到原来的10 倍时 =ERT4RTln10RT4Ee(10Po / aOH )=E (Po / aOH -)2nF2nFnF2 E2= EeEe = RT ln10nF=(8.314 298.15)/(4 96500) 2.3=0.0148V0即氧压力增大到原来的10 倍时有氧电极平衡电位正移0.0148V（3）当溶液 pH 值下降 1 时有Ee =E RT (Po2/ aOH4-)=E RT ln Po2 4RT aOH -3nFnFnFE3= Ee Ee=E RTln Po2 4RT aOH(E RT ln Po2 4RT nFnFnFnFaOH

14、)= 4RT 2.3( PH 14) 4RTnFnF= RT 2.3=8.315 298.15 2.3F965002.3(pH14)=0.0591V0即 pH 值下降 1 个单位，氧电压反应平衡电位正移0.0591V。- 6 -2. 将铁置于饱和空气的碱溶液(pH = 10) 中，按阳极反应为2+(1) Fe + Fe+ 2e(2) Fe + 2OH - = Fe(OH) 2 + 2e计算腐蚀倾向，二者是否相同？为什么？解：在 pH=10 的碱溶液中，去极化还原反应为：O2+2H2O+4 e =4OHEe=E0（ OH-/O2 ）+ RT (Po2 / aOH4 -)=0.401nF10)0.

15、0591 lg(0.21/164=0.627V2(1) 当阳极反应为 Fe= Fe2 e2=Fe(OH)有 Fe2OH215查得 Ksp Fe(OH) 2=1.87 1022 =1.87 101587a( Fe )=Ksp Fe(OH)/aOH / 10=1.87 10 mol/L由： Fe= Fe22 e2又有 Eea= -0.4400.02955lg a(Fe)7= -0.4400.02955lg1.8 10= -0.639V（2）当阳极反应为Fe2 OH=Fe(OH)22 e查表有 Ee=-0.875VOH= 104mol/LFe /(OH ) 2)Ee=E0 + RT (1/a OH

16、4nF4= -0.875(8.315 298.15)/(2 96500) 22.3lg10= -0.639V综上则有两种计算所得结果相同，即二者的腐蚀倾向一样。- 7 -3. 将两根铜棒分别浸于 0.01mol/L CuSO 4 溶液和 0.5mol/L CuSO 4 溶液，组成一个金属离子浓差电池。(1) 哪一根铜棒是阳极，哪一根铜棒是阴极？(2) 写出阳极反应和阴极反应，计算其平衡电位。该金属离子浓差电池的腐蚀倾向是多少伏？22 e解：（1）铜棒在 0.01 mol/LCuSO4 溶液中时有： Cu=Cu2)=0.41查表得： ( Cu又根据 Ee=E0 RT a(Cu )2Cu / cu

17、 2nF=0.337 0.059 lg(0.01 0.41)=0.266V2当铜棒在0.5mol/LCuSO42溶液中时有： (Cu )=0.0668EeCu / cu2= E0 RT a(Cu2) nF=0.337 0.059 lg(0.5 0.0668)2=0.293V因为 EeEe4溶液中的电位比在，即铜在 0.01 mol/LCuSOCu / cu 2Cu / cu 20.5mol/LCuSO4溶液中电位低。故有铜在0.01 mol/LCuSO4 溶液中作阳极，而在 0.5mol/LCuSO4 溶液中的铜棒作阴极。2（ 2）阳极反应： Cu= Cu2 e其平衡电位 Eea=0.266V

18、阴极反应2=Cu ，其平衡电位 EeCu2 e=0.293V（3）Eec= Ee=0.293VCu / cu 2= 0.266V而 Eea=EeCu / cu 2有腐蚀倾向 EecEea=0.2930.266=0.027V=27mV即该金属离子浓差电池的腐蚀倾向是27mV- 8 -第四章1表面积为 20cm2 的铁样品浸泡在 PH=1 的除氧酸溶液中，经过 50h 试验，测得了铁样品的损失质量为 0.1g，已知在铁的表面上析氧反应符合Tafel公式 =-0.64-0.125lg|i| ， 的单位为 V ，i 的单位为 A/cm 2 ，试计算：（ 1） 样品厚度的减少 h(mm);（ 2） 铁电

19、流的腐蚀电流密度 i cor(A/m 2);（ 3） 铁试样的腐蚀电位 Ecor 。解：（ 1） 根据失重腐蚀 V - =w0.1501g / m2 .hst2010 4V Vp=8.76=8.76 1/7.8=1.12 mm/yd fc有 h=Vp.t=1.1250/(365 24)=0.0064mm即样品的厚度加少量为0.0064mm(2)根据 vA i cor可知有：nFicor = nFV226.8 10.9606 A / m2A55.8阴极反应2H+ +2e=H 2当 pH=1 时其平衡电位Eec=-0.0591pH= -0.0591 1= -0.059 (V)在腐蚀电位下，阴极反应

20、过电位：c = Ecor Eec = -0.64 0.125 lg icor (V)所以 Ecor = -0.64 0.125 lg icor + Eec= -0.64 0.125（ lg0.9606 10-4） 0.059= -0.707V (vs SHE)= -0.707V 0.242 = 0.949 (vs SCE)2.海水中的含氧量为3.2mg/L, 求一年中锌的消耗量？（氧的扩散层厚度为10 2 cm ，扩散系数为 D=1.910-5cm2/s,Zn 的原子量为65.4）。解：由题知有：在海水中阴极反应为2-:O +2H O+4e=4OH2- 9 -在稳定条件时有： |i|=Nf|d

21、Ncbcs|=nFDcdt当 cs 减小到零时有 | ic |=id=nFDc b-523.2mg / L2cm=426.8A.h/mol 1.9 10cm /s/1032 g / mol-5-3-4-3= 4 26.8 1.9 103.2 10/(3210) 3600 10102=0.7332A/m icor=id=0.7332A/m 232+查表得 dZn=7.1g/cmZn-2e=Zn有腐蚀深度V8.76AVp=8.76di cordznnF8.76 65.4 0.7332 /(7.1 226.8)1.104mm / a失重腐蚀速度 :V -=A i cor 65.40.7332 / 2

22、 26.80.8956g / m 2 .hnF3 对如下两个电极系统：(a) Hg 0.1mol/L HCl(b) Pt 1mol/L H 2SO4分别进行阴极极化，测量数据列于表1。要求：(1) 分别画出在汞电极上和铂电极上析氢反应的阴极极化过电位曲线。(2)图上求 Tafel 斜率 bc 和交换电流密度 i 0。(3)为了使电位偏离平衡电位+10mV ，需要通入多大的外加极化电流(取 n = 1) ？比较两个电极的极化性能。表 1阴极极化实验数据(25 C)极化电流密度 ic极化电位 E (V, vs SCE)(A/m 2)Hg 电极Pt 电极5 103-0.53703-0.49912.5

23、10-10-103-1.6164-0.45115 102-1.5780-0.40402-1.5085-0.33621010-1.38151-1.2665+-解：（ 1）对于 Hg 电极有：阴极反应：2H +2e =H 2有 Y=0.796Eec=RT ln( 2H)20.0591lg( 0.1 0.796)0.065( )nFV当|ic|=103A/ 即 lg|ic|=3 时有yEEec1.6164(VsSce)0.065( 1.61640.242)0.0651.311(V )同理有：当 |ic|= 5102 A/ 时， lg|ic|=2.7 时有：y1.57800.2420.0641.272

24、(V )当 |ic|= 10 2 时， lg|ic|=2,y1.50850.2420.0651.202(V )当 |ic|=10 时， lg|ic|=1, y1.38150.2420.0651.080(V )当 |ic|=1 时， lg|ic|=0,y1.26650.2420.0650.961(V )对于 Pt 电极有 :2H +2e=H2,当HSO为 1mol/L 时 Y=0.1324 Eec= RT ln( 2H) 20.0591lg( 20.13)0.035(V )nF3即 lg|ic|=3 时有 :当 |ic|=5 10 A/ yEEec0.5370(VsSce)0.035( 0.53

25、700.242) 0.0350.26(V ) 当|ic|=530.49910.2420.0350.222(V )10 时， lg|ic|=3.4, y当 |ic|=103 时， lg|ic|=3,y0.45110.2420.0350.171(V )当 |ic|= 510 2 时， lg|ic|=2.7,y0.33620.2420.0350.059(V )当 |ic|= 10 2 时， lg|ic|=2,y0.33620.2420.0350.059(V )极化曲线如下：-11-V/位电过氢0.0-0.2Hg 电极Pt 电极-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.401234lgic / （

26、A/ m 2）(2) 由图知直线斜率即为 Tafel 斜率 bc，截距为氢过电位 a。对于 Hg-0.1mol/LHCl 有：斜率1.311( 0.961)0.1173 0 Tafel 斜率 bc=- =0.117V当 |ic|取 1 时有c = - 0.961V ，即氢过电位a= - 0.961V由塔菲尔公式：cbclg i 0 ，得：0-0.961= 0.117lg i则： lg i 0=-7.265即 i0=5.4 10-8A/m 2对于 Pt-1mol/L HSO4有：2斜率0.26(0.176)3.7530.112 Tafel 斜率 bc=0.112 V当 |ic|取 1 时有c =

27、 0.180V ，即氢过电位a= 0.180V由塔菲尔公式：cbclg i 0 ， 代入有： 0.180= -0.112lg i 0得 i 0 =40.46A/ m 2(3 ) 当极化值 E=10mv 时，属于微极化范畴，由 Fanardy 方程式 ： i= /Rf 对于 Hg-0.1mol/LHCl 有：Rf=RT/ （ i0nF）=8.314 298/（ 96500 10-7.265） =4.755 105-12-i Hg= /Rf =0.01/4.7555-8210=2.110A/m对于 Pt-1mol/L HSO4有：2Rf=RT/ （ i0nF）=8.314 298/（ 96500

28、101.607） =6.346 10-4-42i Pt= /Rf =0.01/6.346 10=16 A/m4. 铂电极在充氧的中性水溶液中进行阴极极化，电极表面发生氧离子化反应。利用氧离子化反应的动力学参数(bc = 0.110V ，i0 = 1.198 10-6mA/cm 2 = 1.198 10-5 A/m 2)，计算当 i c =-227 10mA / cm 时，阴极极化过电位，其中浓度极化过电位浓和活化极化过电位活各占多大比例？扩散层厚度取= 10 -2cm，水中溶解氧浓度为3.2mg/L 。比较氢电极反应和氧电极反应的阴极极化特征。解： 浓度极化时有：C b3.2mg / L3.2

29、10 3 g / L3.2 10 3g / L10 4 mol / L32g / mol极限扩散电流密度idnFDC b时代入数据，则有：i d426.8A / mol1.9 10 510 4 m 2 / h360010 4 10 3 mol / m30.733A / m210 210 2 m| i c|0.7Vyc浓bclg(1)0.110lg(1)id0.5250.733活化极化时有：yc活| ic|0.110lg0.70.110lg( 0.58 105)0.525Vbc lg01.19810 5i阴极极化的过电位yc y浓y活0.148（0.525）0.673Vyc活0.525100%7

30、8%有： Wy活yc0.673yc活0.14822%Wy浓yc100%0.673所以氧电极受浓度极化与活化极化共同控制，其中活化极化占大部分，而氢电极主要受活化极化控制。5. 一个活化极化控制腐蚀体系，阴极反应和阳极反应的交换电流密度为i c0 、 i a0 ；Tafel 斜率为 bc、 ba；腐蚀电位满足条件 Eea Ecor Eec。-13-设加入阴极性缓蚀剂，使阴极反应受到抑制，阴极反应交换电流密度改变为(i c0 ) 。假定其他参数都不改变，此时腐蚀电位负移到E cor，腐蚀电流密度下降到i cor。(1) 作加入缓蚀剂前后腐蚀体系的极化曲线图。(2)用图解法求腐蚀电流密度的变化r =

31、 i cor / icor 和腐蚀电位的变化E = E cor Ecor。解：极化曲线如右图；由（ 1）的极化曲线利用图解法求解得：在ABC 中， 1.2 直线段位两平行线，则有：ba tanCD ,bc tanCDDBADba , bc 分别为未加入缓蚀剂时阳极反应和加入缓蚀剂后阴极反应的Tafel 斜率：根据DBDBCDbcDBABAB(DC)1)1ABCDAB,即DB (AD DBCDbcADBD由图可知有：DB(lg | i cor |lg | icor|)icor1, AB0|0|)ic0)1(lg)(lg | i clg | i c(lg0i corici corCD| ic0 |

32、i cor bcic0 CD1BD11(lg i cor)( CDCD )(lg | ic0|),lg icorbcba lg ic0 ,又 Ecor Ecor CDBDBD ,ADBDbcic0babc0EEcor Ecorbalgi cbabc0babclg0i cic6. 一个阳极反应受活化极化控制、阴极反应受浓度极化控制的腐蚀体系，阴极反应的极限扩散电流密度为i d，腐蚀电位为Ecor 。由于搅拌使阴极反应的极限扩散电流密度上升到 i d，阳极反应参数不变；腐蚀电位正移到E cor。(1) 作腐蚀体系的极化曲线图。(2 ) 用图解法求腐蚀电位变化E = E cor Ecor。解：（ 1

33、）极化曲线如右图；（ 2）由（ 1）极化曲线可知，在ABC 中AC阳极反应的 Tafel 斜率 batanAB-14-腐蚀电位变化 E Ecor EcorACAB tan(lg | id | lg | id |) tanba lg | id | i d |第五章思考题：1.交换电流密度的概念及意义，与电极反应极化性能的关系；过电位和电极反应速度的关系。动力学方程的一般表达式；Tafel 方程式的数学形式、图形表示以及适用条件；极限扩散电流密度的计算。答：析氢腐蚀的阴极反应是氢离子的还原反应，发生电学腐蚀的条件是Eea Eec，所以铜不可能发生析氢腐蚀生成2Cu。（2）由题意可知，铜的氧化反应为

34、Cu2 CN=Cu (CN )2 e该电极反应的标准电位oE =-0.446V则铜氧化反应的平衡电位为Eea=E RT ln Cu(CN )2/(CN CN )oF=-0.4460.0591lg1042/0.5=-0.647V在 PH=10 的除氧硫酸铜溶液中有2 H2e = H2析氢反应的平衡电位Eec=0.0591 PH=-0.059110=-0.591V-16-由电位比较准则知EecEea， 所以铜能发生析氢腐蚀。其腐蚀倾向 E=EecEea=-0.591-(-0.647)=0.056V=56mV2. (1)推导氢电极反应交换电流密度i0 与溶液 pH 值的关系式。(2)在 1mol/L 盐酸溶液中， Fe 表面上氢电极反应的i0 = 2.5 10-6A/cm2 ，在 0.01mol/L 盐酸溶液中 Fe 表面上氢电极反应的i0 = ?( 取 Tafel 斜率 b = 0.118V) 。(3)当酸溶液的 pH 值改变一个单位，氢电极反应的Tafel 公式中的 a 的绝对值a 改变多少伏？解：（1）由 i o =nF kO CHexp(-Eec/ )两边同时去对数得 ln io =lnnF kO CHexp(-