第1章 金属电化学腐蚀基本原理
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化工设备腐蚀与防护技术思考题绪论1. 什么是金属的腐蚀?金属腐蚀的根本原因是什么?2. 腐蚀的危害体现在哪些方面?3. 为什么说腐蚀与防护科学是一门边缘科学?4. 什么是化学腐蚀?什么是电化学腐蚀?二者的区别与联系是什么?5. 常见的局部腐蚀有几种?6. 腐蚀过程的共同特性是什么?第一章化学腐蚀1. 什么是金属的氧化?2. 金属的化学腐蚀有什么特点?3. 金属氧化的热力学判据?4. 影响金属氧化膜形成的因素有哪些?5. 金属的氧化属于化学腐蚀,却又由电化学模型来解释之为什么?6. 满足哪些条件的金属氧化膜才有保护作用?7. N型氧化物和P型氧化物的导电机理是什么?如何用哈菲原子价规律解释合金化提高金属耐蚀性的原理?8. 金属氧化的动力学曲线有几种类型?9. 钢铁高温氧化时的氧化产物组成是什么?氧化膜增长机理又是什么?10. 铸铁肿胀的实质是什么?11. 什么是氢腐蚀?处于氢脆和氢腐蚀状态的金属材料有什么特性?12. 为什么说金属的硫化比氧化更严重?13. 加工高硫原油的减压填料塔停工处理不当可能会出现自燃,试分析其原因?如何防止自燃发生?14. 什么是高温烟气的硫酸露点腐蚀?如何防止之?第二章电化学腐蚀的理论基础5. 金属发生电化学腐蚀的热力学条件是什么?6. 电位-pH图中的三类曲线各代表什么含义?7. 氢电极和氧电极的电位-pH 图中氢、氧平衡线把图分成哪三个区域?8. Fe-H 2O 系的电位-pH 图被各条曲线分成几类区域?其在腐蚀科学研究中有什么作用?9. 什么是腐蚀电池?腐蚀电池的组成条件是什么?10.简述腐蚀电池的工作历程?11. 微观腐蚀电池形成的原因有哪些?12. 什么是极化现象、阳极极化、阴极极化?13. 电化学极化形成的原因是什么?14. 埃文斯极化图有什么作用?15. 什么是共轭体系?16. 什么是腐蚀电位?17. 什么是金属的钝化?金属钝化的特征是什么?18. 金属钝化曲线有几个特征电位?这些特征电位将曲线分成几部分?19. 什么金属钝化理论的成相膜理论及吸附膜理论?20. 什么是析氢腐蚀?什么是吸氧腐蚀?21. 氧电极的极化曲线可分成哪几个区域?22. 工程结构中对同时存在由不同材料构成的阴、阳极时,如何确定阴阳极的相对面积?为什么?23. 衡量金属钝化性能好坏的电化学参数是什么?其物理意义是什么?24. 影响电化学腐蚀的因素有哪些?25. 在腐蚀电池Fe|NaCL (充气的)|Pt中⑴阴、阳极各是哪一个?(2) 外电流的方向怎样?(3) 铁和铂片上主要进行的反应是什么?写出电极反应方程式?(4)将NaCL溶液换成稀HCL溶液,反应将发生什么变化?26. 一个铁钉完全浸泡在充氧的水中,它会在什么部位发生腐蚀?写出相应的阳极和阴极反应式?第三章常见的局部腐蚀电池的本质是什么?6. 试以铝合金在含有氯离子的溶液中发生孔蚀时的自催化原1. 说明三类双电层的带电状态,并解释为什么会形成这种电荷分布结构?2. 什么叫电极电位、平衡电极电位、标准电极电位?如何确定电极的电极电位?3. 作为参比电极必须满足哪些条件?4. 什么是标准电位序?什么是腐蚀电位序?1. 常见的八大局部腐蚀形态是什么?2. 全面腐蚀的电化学特点是什么?工程中如何控制全面腐蚀?3. 什么叫电偶腐蚀?电偶腐蚀的机理是什么?4. 为什么说工程结构中存在异种金属组合时“大阴极、小阳极”结构不合理?5. 孔蚀的机理是什么?孔蚀发展过程中形成的闭塞理?7. 什么是缝隙腐蚀?缝隙腐蚀的机理是什么?8. 缝隙腐蚀和点蚀的异同点是什么?9. 什么叫选择性腐蚀?常见的选择性腐蚀有哪些?10. 黄铜脱锌的机理是什么?11. 为什么灰铸铁会发生选择性腐蚀而球墨铸铁却不会?12. 什么叫沿晶腐蚀?沿晶腐蚀发生的内因与外因是什么?13. 说明18-8 不锈钢发生晶间腐蚀的贫化机理?应采用什么措施防止?14. 什么是应力腐蚀开裂?应力腐蚀开裂发生的条件是什么?15. 应力腐蚀开裂发生的机理有哪些?分别是什么?16. 什么是腐蚀疲劳?腐蚀疲劳的特点是什么?17. 影响腐蚀疲劳的因素有哪些?18. 说明空泡腐蚀发生的详细过程?19. 金属的孔蚀一般会在什么条件下发生?某工厂有一台海水换热器,由于碳钢管束腐蚀严重,想改用铝材或不锈钢的换热器,对此谈谈你的看法?第四章金属在自然环境中的腐蚀1. 按照潮湿程度,金属的大气腐蚀有哪几类?它们是否有本质区别?2. 影响大气腐蚀的因素有哪些?为什么大气中的尘埃易引起钢铁腐蚀?3. 防止大气腐蚀主要有哪些措施?4. 海水腐蚀的阳极过程有什么特点?5. 金属发生大气腐时,水膜层厚薄程度对水膜下的腐蚀过程有何影响?6. 试比较海水腐蚀、大气腐蚀和土壤腐蚀异同点?7. 影响土壤腐蚀的因素有哪些?8. 什么是杂散电流腐蚀?9. 东营地区的新自行车较周围其他地区相比为什么会在较短的时间内生锈,试从腐蚀与防护角度出发解释其原因?如何防止其生锈?10. 钢铁在含SO2 的工业大气中比在洁净大气中腐蚀严重,解释其原因?11. 埋在土壤中的钢管同时经过沙土带和粘土带,哪个土壤带的金属会发生腐蚀?为什么?12. 乙烯生产工艺中要在低于-100 C的温度下把裂解气中的CH4、Hb、C2H6、GH4等介质进行低温分离。
题型:填空,名词解释,简答题,分析题第1章金属电化学腐蚀基本理论1.掌握腐蚀的定义与分类。
腐蚀—指材料由于环境作用引起的破坏或变质。
金属腐蚀—指金属表面与周围介质发生化学或电化学作用而遭受破坏的现象。
按腐蚀机理金属腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀、物理溶解三大类。
按破坏的特征金属腐蚀可分为全面腐蚀、局部腐蚀。
2.化学腐蚀:金属与电介质直接发生化学作用而引起的破坏。
腐蚀介质直接与金属表面的原子相互作用而产生腐蚀,没有电流产生,为单纯的氧化还原反应。
电化学腐蚀:金属表面与电解质水溶液或熔盐所形成局部电池所产生的腐蚀。
表现为阳极失去电子,阴极得到电子以及产生电流。
3.熟练掌握常见的局部腐蚀类型。
应力腐蚀破坏:拉应力与腐蚀介质联合作用发生开裂破坏。
腐蚀疲劳:腐蚀介质与交变应力或脉冲应力作用下产生的腐蚀。
磨损腐蚀:摩擦副在腐蚀介质中产生的腐蚀。
孔腐蚀:腐蚀集中在某些活性点上,蚀孔直径等于或小于蚀孔深度。
晶间腐蚀:腐蚀沿晶间进行,使晶粒间失去结合力,金属强度急剧降低。
缝隙腐蚀:发生在铆接、螺纹连接、焊接接头、密封垫片等缝隙处的腐蚀。
电偶腐蚀:在电解液中,异种金属接触时,电位较正金属促使电位较负的金属加速其腐蚀。
4.掌握金属腐蚀的历程。
金属腐蚀的本质就是金属与周围介质作用变成化合物的过程,即氧化还原反应。
根据氧化还原反应发生的条件不同,将金属的腐蚀历程分为两种类型:化学腐蚀(Chemical corrosion),其特点是氧化剂直接与金属表面的原子碰撞,化合而形成腐蚀产物,即氧化还原在反应粒子相碰撞的瞬间直接于碰撞的反应点上完成。
例如高温气体中活泼金属的初期氧气过程。
电化学腐蚀(Electrochemical corrosion),其特点是金属的腐蚀存在两个同时进行却相互独立的氧化还原过程,即阳极反应(anode reaction)和阴极反应(cathode reaction)。
例如锌在含氧中性水溶液中的腐蚀。
金属的电化学腐蚀及电池的概念电化学腐蚀是指在金属与溶液接触的条件下,由于电化学反应导致金属的损失和溶液中物质的释放的一种现象。
而电池则是一种能够将化学能转化为电能的装置。
本文将介绍金属的电化学腐蚀及电池的概念,并探讨二者之间的联系。
一、金属的电化学腐蚀金属的电化学腐蚀是金属与周围环境中的溶液发生的一种电化学反应导致金属发生氧化损失的过程。
这一过程主要涉及两个基本反应:阳极反应和阴极反应。
阳极反应是金属本身的氧化,而阴极反应则是还原反应。
腐蚀的产生可以通过以下方程式表示:M → M^n+ + ne^-(阳极反应)2nH^+ + 2e^- → H2(阴极反应)这些反应产生的电流也被称为腐蚀电流,而腐蚀速率则取决于电流密度。
在腐蚀过程中,金属表面逐渐溶解,并形成无定型的金属离子和氧化物等产物。
二、电池的概念电池是一种将化学能转化为电能的设备。
其基本机制是通过两个半电池(即氧化半反应和还原半反应)之间的电子流动来产生电流。
电池由正极、负极和电解质组成。
正极是发生氧化反应的地方,负极则是发生还原反应的地方,而电解质则是连接正负极并允许离子在其中移动的介质。
电池的工作原理可以通过以下方程式表示:M(正极)→ M^n+ + ne^- (氧化反应)M'^n+ + ne^- → M'(负极)(还原反应)电迁移会在电解质中引起离子在正负极之间的传递,形成电势差,并导致电流的流动。
根据不同的反应类型和电子流动方向,可以将电池分为原电池和电解池。
三、金属的电化学腐蚀与电池的联系金属的电化学腐蚀与电池之间存在一定的联系。
事实上,我们可以将电化学腐蚀看作是一种“自发电池”的过程。
在金属腐蚀时,金属发生氧化反应并释放电子(作为电流)。
这些电子通过电解质传递到另一个区域(即金属的表面),在那里发生还原反应。
这样,金属腐蚀过程中的电化学反应形成了一个电池。
例如,铁的电化学腐蚀反应可以表示为:Fe → Fe^2+ + 2e^-(阳极反应)2H^+ + 2e^- → H2(阴极反应)这两个半反应构成了一个铁电池。
绪论习题解1.为什么说“材料的腐蚀是自发产生的”?自然界中物质最稳定的存在状态是以金属化合物的形态存在。
如:Fe2O3、FeS、Al2O3等等。
由于它们的强度、硬度、刚度等性能不能满足工业结构材料的要求,用冶金方法外加能量将它们还原成金属元素及其合金,它们比其化合物具有更高的自由能,根据热力学第二定律,金属元素必然自发地转回到热力学上更稳定的化合物状态。
这就是金属的腐蚀过程。
有机非金属材料是由有机小分子材料经聚合成为大分子材料而具有一定的强度、刚度和硬度,具备满足工业结构材料性能的。
在聚合过程中加入的能量,使其比小分子具有更高的自由能。
在介质中材料发生一些化学或物理作用,使其从高能的聚合态向低能而稳定的小分子状态转变,使材料的原子或分子间的结合键破坏。
也是服从热力学第二定律的。
无机非金属材料有天然的和人工的。
两者均是由在自然界较稳定的化合物状态的分子或元素,在天然或人工外部作用下,结合成具有一定形状、强度、刚度和硬度的材料。
这些材料在形成过程中受到的外部作用,使其内能增加,具有比它们的化合物状态的分子或元素高的能态,同样由热力学第二定律,它们在腐蚀性介质环境下,发生化学或物理作用,使材料的原子或分子间的结合键断裂破坏。
也服从热力学第二定律。
2.材料的腐蚀有哪些危害性?a.涉及范围广泛:因腐蚀是自发产生的,腐蚀现象就涉及到所有使用材料的一切领域;b.造成的经济损失巨大;间接损失:由于腐蚀引起停产、更新设备、产品和原料流失、能源浪费。
一般间接损失比直接损失大很多。
污染环境、造成中毒、火灾、爆炸等重大事故。
c.阻碍新技术、新工艺的发展。
3.什么是直接损失?直接损失:由于腐蚀造成的材料自身的损失,使材料变成废物。
4.什么是间接损失?间接损失:由于腐蚀引起停产、更新设备、产品和原料流失、能源浪费。
一般间接损失比直接损失大很多。
污染环境、造成中毒、火灾、爆炸等重大事故。
5.控制腐蚀有哪些重要意义?研究材料的腐蚀规律,弄清腐蚀发生的原因及采取有效的防腐蚀措施,可以延长设备寿命、降低成本、提高劳动生产率。
第⼀章腐蚀基本原理1、腐蚀原电池原电池是腐蚀原电池的基础。
腐蚀原电池的实质是⼀个短路的原电池。
腐蚀原电池的形成条件:阳极阴极电解质溶液电路。
阳极过程:⾦属溶解过程,以离⼦形式转⼊溶液,并把电⼦留在⾦属上,⼜称为氧化过程。
M M n+ + ne。
电⼦转移:在电路中电⼦由阳极流⾄阴极。
阴极过程:接受电⼦的还原过程。
腐蚀原电池⼯作所包含的三个基本过程既是互相独⽴、⼜是彼此联系的。
只要其中⼀个过程受到阻滞不能进⾏,则其他两个过程也将停⽌,⾦属腐蚀过程也就停⽌了。
①、析氢腐蚀②、吸氧腐蚀2、腐蚀原电池与⼀般原电池的⽐较:⼆者结构和原理⽆本质的区别。
腐蚀原电池是⼀种短路的原电池,有电流但不能利⽤,以热的形式散失,其直接结果是造成了⾦属的腐蚀。
3、宏电池:⽤⾁眼能明显看到的由不同电极所组成的腐蚀原电池。
形成条件分类:电偶腐蚀电池:不同⾦属与同⼀电解溶液接触,如钢管本体⾦属与焊缝⾦属,镀锌钢管与黄铜阀。
浓差电池:同⼀⾦属不同部位接触不同的电解质。
造成不同区域电位不同,可分为氧浓差电池和盐浓差电池。
温差电池:同⼀⾦属在同⼀电解质溶液中,由于各部位温度不同⽽构成的腐蚀电池。
如换热器。
4、微电池:由⾦属表⾯上许多微⼩的电极所组成的腐蚀原电池叫微电池。
形成微电池的基本原因:⾦属化学成分的不均匀性;⾦属组织的不均匀:晶粒晶界的电位不同;⾦属物理状态不均匀:变形和应⼒不均匀;⾦属表⾯膜的不均匀;⼟壤微结构的差异。
5、电极:电⼦导体(⾦属)与离⼦导体(液、固电解质)接触,并且有电荷在两相之间迁移⽽发⽣氧化还原反应的体系,称为电极。
电极反应:在电极与溶液界⾯上的进⾏的电化学反应称为电极反应。
双电层:当⾦属浸⼊电解质溶液中时,其表⾯离⼦与溶液中的离⼦相互作⽤,使界⾯处⾦属和溶液分别带异电荷,即双电层(electrostatic double layer, double electrode layer)。
电极电位:双电层两侧的电位差,即⾦属与溶液之间的电位差称为电极电位。
电化学腐蚀的原理一、电化学反应在金属表面,以铁为例,当金属与电解质溶液接触时,金属表面释放出金属离子,并且失去电子。
这个过程被称为金属的氧化反应。
Fe(s) → Fe2+(aq) + 2e-在溶液中,释放的金属离子与电解质中的阴离子结合形成一种离子化合物。
Fe2+(aq) + 2Cl-(aq) → FeCl2(aq)同时,在金属表面接触到氧气时,金属表面上的氧气被还原为水,并且接受电子。
这个过程被称为金属的还原反应。
O2(g) + 4H+(aq) + 4e- → 2H2O(l)这个氧化还原反应形成的水会与金属离子进行进一步的反应,生成含有铁离子的氢氧化铁沉淀。
Fe2+(aq) + 2OH-(aq) → Fe(OH)2(s)在这个过程中,氢氧化铁沉淀会继续吸引其他金属离子以及氢氧根离子,形成更稳定的化合物,如铁氧体等。
这些化合物的生成会导致金属表面出现腐蚀的现象。
二、电池反应电池反应是电化学腐蚀产生的另一个重要原理。
当金属表面存在着金属溶液和金属内部时,就会形成一个电池。
在金属表面,电荷丧失的铁离子会向金属内部的电极进行迁移,并丧失掉电荷,而导致金属表面带有剩余的负电荷。
这个过程被称为阳极反应。
Fe(s) → Fe2+(aq) + 2e-而在金属内部,金属离子则会接受电子,并向金属表面的电极进行迁移。
这个过程被称为阴极反应。
Fe2+(aq) + 2e- → Fe(s)由于这种电子的迁移,金属表面形成电势的差异,从而引起了电流的流动。
这个电流的流动就会导致金属离子在金属表面上产生丧失电荷的反应。
总结来说,电化学腐蚀的原理主要包括电化学反应和电池反应两个方面。
电化学反应是指金属表面发生的氧化还原反应,而电池反应是指电荷的迁移过程。
通过这两个过程,金属与电解质溶液之间产生的化学反应会导致金属表面发生腐蚀的现象。
电化学腐蚀的原理的深入研究对于腐蚀的防治和金属材料的保护具有重要的意义。
腐蚀电化学原理
腐蚀是金属在与环境接触时发生的一种破坏性化学反应,它会导致金属表面的腐蚀层剥落和金属材料的破坏。
腐蚀电化学原理主要涉及以下几个方面:
1. 金属的腐蚀反应:金属在电解质溶液中会发生氧化和还原反应,形成电化学腐蚀。
金属表面上的阳极区域会发生氧化反应,产生金属阳离子和电子;而阴极区域则发生还原反应,使金属阳离子还原为金属。
这种电子传递和离子传递的过程会引起金属在局部区域的溶解和损耗。
2. 极化现象:在金属表面上形成特定的电位差,称为电化学极化。
当金属处于阳极极化状态时,金属表面会发生电化学氧化反应,形成氧化物或氧化膜,促进腐蚀的进行。
而当金属处于阴极极化状态时,金属表面会发生还原反应,形成保护性的物质,减缓腐蚀的发生。
3. 腐蚀速率:腐蚀电化学原理中一个重要的参数是腐蚀速率。
腐蚀速率取决于阳极和阴极反应的速率差异,以及环境因素如温度、湿度、氧气浓度等的影响。
腐蚀速率的加快将导致金属材料的更快破坏。
4. 腐蚀的抑制措施:为了减缓腐蚀的发生,可以采取一些抑制措施。
常见的抑制措施包括使用阻氧膜、封闭金属表面、改变环境条件如温度、湿度、氧气浓度等等。
这些措施可以减少金属与环境的接触,降低电流密度,从而减缓腐蚀反应的进行。
综上所述,腐蚀电化学原理是研究金属腐蚀过程和控制腐蚀的基础,对于保护金属材料的安全和延长使用寿命具有重要意义。