[化学]第八章金属阳极过程与金属腐蚀

⾦属腐蚀与防护的实验报告-中南⼤学粉冶院实验⼀恒电位法测定阳极极化曲线⼀、⽬的1．了解⾦属活化、钝化转变过程及⾦属钝化在研究腐蚀与防护中的作⽤。

2．熟悉恒电位测定极化曲线的⽅法。

3．通过阳极极化曲线的测定，学会选取阳极保护的技术参数。

⼆、实验基本原理测量腐蚀体系的极化曲线，实际就是测量在外加电流作⽤下，⾦属在腐蚀介质中的电极电位与外加电流密度（以下简称电密）之间的关系。

测量极化曲线的⽅法可以采⽤恒电位和恒电流两种不同⽅法。

以电密为⾃变量测量极化曲线的⽅法叫恒电流法，以电位为⾃变量的测量⽅法叫恒电位法。

⼀般情况下，若电极电位是电密的单值函数时，恒电流法和恒电位法测得的结果是⼀致的。

但是如果某种⾦属在阳极极化过程中，电极表⾯壮态发⽣变化，具有活化/钝化变化，那么该⾦属的阳极过程只能⽤恒电位法才能将其历程全部揭⽰出来，这时若采⽤恒电流法，则阳极过程某些部分将被掩盖，⽽得不到完整的阳极极化曲线。

在许多情况下，⼀条完整的极化曲线中与⼀个电密相对应可以有⼏个电极电位。

例如，对于具有活化/钝化⾏为的⾦属在腐蚀体系中的阳极极化曲线是很典型的。

由阳极极化曲线可知，在⼀定的电位范围内，⾦属存在活化区、钝化过渡区、钝化区和过钝化区，还可知⾦属的⾃腐蚀电位（稳定电位）、致钝电密、维钝电密和维钝电位范围。

⽤恒电流法测量时，由⾃腐蚀电位点开始逐渐增加电密，当达到致钝电密点时⾦属开始钝化，由于⼈为控制电密恒定，故电极电位突然增加到很正的数值（到达过钝化区），跳过钝化区，当再增加电密时，所测得的曲线在过钝化区。

因此，⽤恒电流法测不出⾦属进⼊钝化区的真实情况，⽽是从活化区跃⼊过钝化区。

图1 恒电位极化曲线测量装置三、实验仪器及药品电化学⼯作站CHI660D、铂电极、饱和⽢汞电极、碳钢、天平、量筒、烧杯、电炉、⽔砂纸、U型管蒸馏⽔、碳酸氢铵、浓氨⽔、浓硫酸、琼脂、氯化钠、氯化钾、⽆⽔⼄醇、棉花四、实验步骤1.琼脂-饱和氯化钾盐桥的制备烧杯中加⼊3g琼脂和97ml蒸馏⽔，使⽤⽔浴加热法将琼脂加热⾄完全溶解。

【高三】2021届高考化学电解池金属的电化学腐蚀与防护复习教案2021届高考化学第一轮复习必修部分讲义第八单元第3讲电解池金属的电化学腐蚀与防护解读与阐释考纲要求权威解读1.了解电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式；2．理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。

常见的考查形式：①电解池的工作原理及电极反应式的书写；②有关电化学的计算；③判断金属的电化学腐蚀及一般的防腐方法。

梳理与整合一、电解原理导学诱思怎样判断原电池与电解池？答：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

教材回归1．电解定义使电流通过溶液或熔融而在______两极引起________反应的过程叫做电解。

注意：电解不同于电解质的电离，电离是电解的前提；电解质溶液导电的过程，就是电解质溶液的电解过程。

2．电解池将____能转化为____能的装置叫做电解池。

电解池是由____电源、固体电极材料以及电解质溶液或熔融电解质组成。

3．原理图示原电池和电解池电极的判断是难点也是重点，为了方便记忆，我们可采取口诀的方法记忆：原电池，正负极；电解池，阴阳极；失去电子负(原电池)阳(电解池)极；发生氧化定无疑。

二、电解原理的应用导学诱思工业上怎样制取烧碱：______________；怎样冶炼金属钠或铝：__________________；怎样提纯铜：__________。

教材回归1．电解饱和食盐水(1)电极反应阳极：__________________________；阴极：________________________。

(2)电池总反应方程式：_____________________________________________________。

3、大阴极小阳极会加速腐蚀速率4、腐蚀极化图说明其应用。

腐蚀极化图是一种电位—电流图，它是把表征腐蚀电池特征的阴、阳极极化曲线画在同一张图上构成的。

腐蚀极化图的应用（1）极化图用于分析腐蚀速度的影响因素(a)腐蚀速度与腐蚀电池初始电位差的关系：腐蚀电池的初始电位差（EO,C- EO,A )，是腐蚀的原动力(b)极化性能对腐蚀速度的影响：若腐蚀电池的欧姆电阻很小，则极化性能对腐蚀电流有很大的影响(c)溶液中含氧且及络合剂对腐蚀速度的影响；（例铜在含氧酸及氰化物中腐蚀极化图）(d)其他影响腐蚀速度的因素，如阴、阳极面积比和溶液电阻等。

（2）腐蚀速度控制因素：阳极控制、阴极控制、混合控制和欧姆控制。

1化学腐蚀的概念、及特点答案：化学腐蚀：介质与金属直接发生化学反应而引起的变质或损坏现象称为金属的化学腐蚀。

是一种纯氧化-还原反应过程，即腐蚀介质中的氧化剂直接与金属表面上的原子相互作用而形成腐蚀产物。

在腐蚀过程中，电子的传递是在介质与金属之间直接进行的，没有腐蚀电流产生，反应速度受多项化学反应动力学控制。

归纳化学腐蚀的特点1.在不电离、不导电的介质环境下2.反应中没有电流产生，直接完成氧化还原反应3.腐蚀速度与程度与外界电位变化无关11、举例说明有哪些可能的阴极去极化剂?当有几种阴极去极化剂同时存在时，如何判断哪一种发生还原的可能性最大?自然界中最常见的阴极去极化反应是什么?答案：（1）氢离子还原反应或析氢反应（电极反应式）；（2）溶液中溶解氧的还原反应；（3）溶液中高价离子的还原反应；（4）溶液中贵金属离子的还原反应。

判断：（⊿G）T，P= nF⊿E（⊿G）T，P= nF（EC - EA）其中：EC 为氧化剂电位； EA为还原剂电位。

因此，⊿E越负，反应可能性越最大；有些情况下可利用氧化剂的平衡电极电位EC来粗略判断阴极去极化反应的可能性大小。

最常见的阴极去极化反应：析氢反应和吸氧反应12、何谓腐蚀极化图?说明其应用。

图8.1 金属的阴阳极极化曲线第8章 金属阳极过程8.1 金属阳极溶解8.1.1 概述化学电源、电解冶炼、电镀工业等都广泛地使用可溶性金属阳极，它往往要求金属阳极能够正常的溶解。

金属以离子形式进入溶液的阳极过程是由许多步骤组成的（阴极过程逆过程）。

从位置因素考虑金属的边角处先溶解。

包括金属晶格的破坏、电子转移、金属离子水化（或络合）等，并由对流、电迁移、扩散等方式使它们离开电极表面，用图表示如下：一般金属离子的水解过程速度很快，不会成为控步，金属晶格的破坏、电子转移步骤往往是控步。

以电化学步骤为例：()根据“微观可逆”原理，由于多价金属离子还原过程中往往是第一个电子还原步骤最慢，因此在阳极溶液过程中是失去最后一个电子的步骤最慢,即为控制步骤。

（为表观传递系数）显然， 即阳极的表观传递系数较阴极大。

对应的极化曲线如右图。

8.1.2金属阳极溶解的影响因素1、 金属本性的影响。

金属阳极溶解的条件为： 可能性，速度视大小而定。

（典型：氢氧反应生成水，热力学上没问题，但必须提供一定能量后反应才会发生）即只要电极位高于金属的平衡电位与过电位之和即可发生电极的溶解。

：热力学参数，表示反应的可能性。

越小，反应越容易进行。

一定时，大，则 小，小，则大。

注：这里高、中、低与氢过电位金属无关。

（上述过电位是指在一定电流密度下的相对大小，而氢过电位是指时的过电位）2、 溶液组成的影响即浓度C 、络离子、表面活性剂、阴离子（卤素等）的影响。

这里主要介绍阴离子的影响。

1 阴离子对阳极反应的影响比对阴极反应的影响大溶液中阴离子浓度记为，一般为卤素或等。

此时（单电子为例）=1、2、3之中的某一正数。

不仅影响电位，还可以以一定的反应级数参加反应。

这说明与金属表面上的金属形成了表面络和物。

2 并不是所有的阴离子都能加速阳极过程。

如果生成的表面络合物可溶，则使金属上的键变弱，容易使金属离子进入溶液，从而加速电极过程；而有些阴离子则无此能力，在表面上吸附后阻化了反应的进行。

1.腐蚀机理分类: 化学腐蚀、电化学腐蚀，物理溶解腐蚀。

2.腐蚀形态分类: ①全面腐蚀（也称为均匀腐蚀）:均匀的全面腐蚀; 不均匀的全面腐蚀②局部腐蚀：电偶腐蚀，点腐蚀（孔蚀、点蚀) ;缝隙腐蚀;晶间腐蚀;选择性腐蚀;应力腐蚀; 腐蚀疲劳; 磨损腐蚀3.装置设备设计阶段，通过不锈钢材料增大腐蚀裕量可以有效应对孔蚀;错(腐蚀裕量针对的是全面腐蚀问题)4.可以采用腐蚀速度的深度指标描述黄铜在氨水中发生应力腐蚀的快慢：错(腐蚀速度表达的三个指标均体现的全面腐蚀形态)5.腐蚀速度测量方法:（三种) 重量法、电流密度法、深度法;其中,深度法比较直观6.原电池(短路): 四个构成要件（1）有两个活泼性不同的电极；（2）将电极插入电解质溶液中；（3）两电极间构成闭合回路；（4）能自发的进行氧化还原反应．阳极(-): 氧化反应—失电子—阳极极化(电位升高)阴极(+): 还原反应—得电子—阴极极化(电位降低)7.盐水滴实验现象与成因:①初生过程: 盐水滴溶液下，随机出现均匀分布的蓝色和粉红色的微小区域，分别为阳极区和阴极区，铁氰化钾和阳极溶解的铁离了结合形成滕氏蓝显蓝色，与酚酞遇到阴极过程显示粉红色，此过程腐蚀微电池起作用②次生过程: 盐水滴溶液中氧不断消耗，环境中氧不断补充，表面张力，中间厚边缘薄，中央含氧量少，边缘多。

形成宏观氧浓差电池。

中央区域贫氧，阳极，蓝色。

边缘富氧，阴极，粉红色。

两区域之间由于腐蚀产物氢氧化铁形成，显示棕色。

此过程腐蚀宏电池起作用。

阳极区：蓝色阴极区：红色产物区：棕色8.宏观腐蚀原电池作用的结果呈现局部腐蚀特征:(破坏的区域是阳极区，阴极区得到保护) 9.微观腐蚀原电池的形成条件与作用结果：形成条件：1.化学成分不均匀；2.组织结构不均匀；3.物理状态不均匀；金属表面膜不完整。

作用结果：加速了金属腐蚀10.电极系统：绝对电极电位不可测量参比电极：相对电极电位11.标准氢电极：(Pt在H+溶液中，通入H2,标准状态: 25%C、1atm、C=1mol/L)12.电极界面双电层: 紧密（主导）+扩散13.电动序(平衡)一标准(平衡) 电极电位E0只有电位值小于0,排序在氨之前的金属才能够发生氢去极化腐蚀(析氢)。

⾦属腐蚀与防护知识重点⾦属腐蚀与防护知识重点⾦属腐蚀、⾼温氧化、吸氧腐蚀、析氢腐蚀、极化、碱脆、阴极保护、缓蚀剂、阳极极化1. ΔGθ值愈负，则该⾦属的氧化物愈稳定，即图中线的位置愈低，它所代表的氧化物就愈稳定。

同时它还可以预测⼀种⾦属还原另⼀种⾦属氧化物的可能性。

2.n型半导体是⾦属过剩型氧化物，⼜称为还原性半导体；P型半导体⼜称为氧化型半导体，这类氧化物主要是通过电⼦空⽳的迁移⽽导电的。

3. 氧化动⼒学规律取决于氧化温度、时间、氧的压⼒、⾦属表⾯状况以及预处理条件(它决定于合⾦的组织)，同⼀⾦属在不同条件下，或同⼀条件下不同⾦属的氧化规律往往是不同的。

4. ⾦属氧化的动⼒学曲线⼤体上可分为直线、抛物线、⽴⽅、对数及反对数规律五类，其中符合氧化反应的抛物线速度规律表明氧化膜具有保护性。

5. 在腐蚀学⾥，通常规定电位较低的电极为阳极，电位较⾼的电极为阴极。

6. 腐蚀电池与原电池的区别：原电池是能够把化学能转变为电能，作出有⽤功的装置；⽽腐蚀电池是只能导致⾦属破坏⽽不能对外作有⽤功的短路电池。

7.阳极极化时电极的电位向正的⽅向移动，产⽣极化的原因有活化极化、浓差极化、电阻极化等。

8.阴极极化时电极电位向负的⽅向移动，产⽣极化的原因是阴极活化极化、阴极浓差极化。

在实践中，阴极浓差极化⽐阳极极化重要得多。

9. 凡是能消除或抑制原电池阳极或阴极极化过程的均叫作去极化。

最重要最常见的两种阴极去极化反应是：氢离⼦和氧⽓分⼦阴极还原反应。

10. 锌、铁等⾦属及其合⾦在海⽔、潮湿⼤⽓、⼟壤和中性盐溶液中的腐蚀，其阴极过程主要是氧去极化反应。

11. 在酸性介质中⼀般电位负的⾦属如Fe、Zn等均能发⽣氢去极化腐蚀，电位更负的⾦属Mg及其合⾦在⽔中或中性盐溶液中也能发⽣此腐蚀。

12. 引起⾦属钝化的因素有化学及电化学两种。

前者引起的钝化，⼀般是由强氧化剂引起的；后者是指外加电流的阳极极化产⽣的钝化。

13. 某些活性的阴离⼦，如SCN—、卤素离⼦C1—等对钝化膜的破坏作⽤最⼤。

金属的电化学腐蚀注意事项：1．答题前填写好自己的姓名、班级、考号等信息2．请将答案正确填写在答题卡上第I卷（选择题）一、单选题（共15题）1．下列叙述中正确的是A．原电池的负极发生还原反应B．电化学腐蚀的实质是金属单质失去电子形成阳离子，而电子直接转移给氧化剂C．金属在中性环境中主要发生析氢腐蚀D．钢铁在潮湿环境中锈蚀时，开始生成Fe(OH)2，而后逐渐变成Fe(OH)3和Fe2O3·xH2O 2．根据所学习的电化学知识，下列说法正确的是A．酸雨后钢铁易发生析氢腐蚀、铁锅存留盐液时易发生吸氧腐蚀B．太阳能电池板的主要材料为二氧化硅C．水库的钢闸门与电源正极连接可实现电化学保护D．智能手机常用的锂离子电池属于一次电池3．关于下列各装置图的叙述错误的是A．用图①装置精炼铜，b极为精铜，电解质溶液为CuSO4 溶液B．图②装置盐桥中KCl的K+ 移向乙烧杯C．图③装置中钢闸门应与外接电源的负极相连，称之为“牺牲阳极的阴极保护法”D．图④两个装置中通过导线的电子数相同时，消耗负极材料的物质的量不同4．利用下图装置，可以模拟铁的电化学防护。

下列说法正确的是A．若X为铝，开关K置于M处，该电化学防护法称为牺牲阳极的阴极保护法B．若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应该置于M处C．若X为碳棒，K与M连接时，一段时间后溶液的pH减小D．若X为铝，K与N连接时，X电极产生气泡5．下列关于如图所示的实验装置的判断中错误的是A．若X为碳棒，开关K置于A处可减缓铁的腐蚀B．若X为锌棒，开关K置于A或B处均可减缓铁的腐蚀C．若X为碳棒，开关K置于B处时，铁电极上发生的反应为2H++2e-=H2↑D．若X为锌棒，开关K置于B处时，为牺牲阳极的阴极保护法6．原电池与电解池在生活和生产中有着广泛应用。

下列有关判断中错误的是A．装置①研究的是电解 CuCl2溶液，b 电极上有红色固体析出B．装置②研究的是金属的吸氧腐蚀，Fe 上的反应为 Fe-2e-=Fe2＋C．装置③研究的是电解饱和食盐水，B 电极发生的反应：2Cl--2e-=Cl2↑D．三个装置中涉及的主要反应都是氧化还原反应7．下列有关电化学原理及应用的相关说法正确的是A．由于CaO+H2O =Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池B．马口铁(镀锡铁)的镀层破损后，马口铁腐蚀会加快C．电解精炼铜时，电解质溶液的浓度几乎不变D ．利用“外加电流的阴极保护法”保护钢闸门时，钢闸门应与外接电源的正极相连 8．在潮湿的深层土壤中，钢管主要发生厌氧腐蚀，厌氧细菌可促使土壤中的24SO -与H 2反应生成S 2-，加速钢管的腐蚀，其反应原理如下图所示。

1.腐蚀：⑴材料的腐蚀：指材料体系与环境之间发生作用而导致材料的破坏或变质的现象⑵金属材料的腐蚀：金属受到环境的高温化学氧化、电化学溶解等作用，使金属单质变为化合物（冶金的逆过程），导致金属受到损失和破坏的现象自然条件下，金属总是存在着自发回归低能稳定态的倾向——与周围介质（通常为氧）反应形成低能态的化合物，在这个过程中，金属失去电子被氧化，发生腐蚀，因此可以将金属腐蚀理解为冶金的逆过程⑶非金属材料的腐蚀：非金属受到环境的化学或物理作用，导致非金属构件变质或破坏的现象。

2.材料体系与环境的作用包括化学反应、电化学反应、物理溶解等。

3.金属及其合金的腐蚀主要是化学和电化学作用引起的破坏，有时伴随有机械、物理或生物作用。

4.材料的破坏：材料的重量损失、开裂、穿孔、溶解、溶胀等。

材料的变质：材料的服役性能变差，如力学强度下降，弹性降低、韧性减小、脆性增大。

5.金属腐蚀：⑴危害：①腐蚀造成重大的直接经济损失②间接经济损失③人身伤亡和环境污染④阻碍了科学技术的发展⑵控制方法：①合理的结构设计②正确选材和发展新型耐蚀材料③研究可行的表面处理工艺④改善环境和使用合适的缓蚀剂⑤电化学保护⑶有利的一面：①电化学加工②制备信息硬件的印刷线路③腐蚀金相试样6.腐蚀分类：⑴按照腐蚀环境：干燥气体腐蚀（干腐蚀）、电解液中的腐蚀、非电解质中的腐蚀、熔融金属的腐蚀（物理腐蚀）⑵按照腐蚀机理：化学腐蚀（化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生化学反应而引起的破坏）、电化学腐蚀（金属的电化学腐蚀指的是金属在水溶液中与离子导电的电解质发生电化学反应产生的破坏）⑶按照腐蚀形态：①普遍性（全面）腐蚀：全面腐蚀是指发生在金属表面的全部或大部损坏，也称普遍性腐蚀②局部腐蚀：局部腐蚀是指只发生在金属表面的狭小区域的破坏。

其危害性比均匀腐蚀严重得多分类：小孔腐蚀（又称坑蚀和点蚀，在金属表面上极个别的区域被产生小而深的孔蚀现象)、缝隙腐蚀（在电解液中金属与金属或金属与非金属表面之间构成狭窄的缝隙，缝隙内离子的移动受到了阻滞，形成浓差电池，从而使金属局部破坏的现象）、电偶腐蚀（两种电极电位不同的金属或合金互相接触，并在一定的介质中发生电化学反应，使电位较负的金属发生加速破坏的现象）、晶间腐蚀（金属在特定的腐蚀介质中，沿着材料的晶界出现的腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部破坏现象）、选择性腐蚀（多元合金在腐蚀介质中，较活泼的组分优先溶解，结果造成材料强度大大下降的现象）③应力作用下的腐蚀断裂：应力腐蚀是金属在特定的介质中和在静拉伸应力（包括外加载荷、热应力、冷加工、热加工、焊接等所引起的残余应力等）下，所出现的低于强度极限的脆性开裂现象磨损腐蚀：是由机械因素（湍流、漩涡、多相流体冲击、空化作用、微振摩擦等）和腐蚀介质联合作用而产生的金属材料破坏现象7.阳极反应：金属原子从金属转移到介质中并放出电子的过程，即氧化过程。

一电化学腐蚀原理1．腐蚀电池(原电池或微电池)金属的电化学腐蚀是金属与介质接触时发生的自溶解过程。

在这个过程中金属被氧化，所释放的电子完全为氧化剂消耗，构成一个自发的短路电池，这类电池被称之为腐蚀电池。

腐蚀电池分为三（或二）类：（1）不同金属与同一种电解质溶液接触就会形成腐蚀电池。

例如：在铜板上有一铁铆钉，其形成的腐蚀电池。

铁作阳极（负极）发生金属的氧化反应：Fe → Fe2+ + 2e-；（Fe → Fe2+ + 2e）＝－0.447V.阴极（正极）铜上可能有如下两种还原反应：(a) 在空气中氧分压 =21 kPa 时：O2+4H＋＋4e- →2H2O；( O2+4H＋＋4e- →2H2O )＝1.229 V ,(b) 没有氧气时，发生2H+ + 2e- → H2；（2H+ + 2e- → H2）＝0V，有氧气存在的电池电动势 E1=1.229－(-0.447)＝1.676V; 没有氧气存在时，电池的电动势E2＝0-(-0.447)=0.447V。

可见吸氧腐蚀更容易发生，当有氧气存在时铁的锈蚀特别严重。

铜板与铁钉两种金属(电极)连结一起，相当于电池的外电路短接，于是两极上不断发生上述氧化—还原反应。

Fe氧化成Fe2+进入溶液，多余的电子转向铜极上，在铜极上O2与H＋发生还原反应，消耗电子，并且消耗了H＋，使溶液的pH值增大。

在水膜中生成的Fe2+离子与其中的OH—离子作用生成Fe(OH)2，接着又被空气中氧继续氧化，即：Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3Fe(OH)3乃是铁锈的主要成分。

这样不断地进行下去，机械部件就受到腐蚀。

（2）电解质溶液接触的一种金属也会因表面不均匀或含杂质微电池。

例如工业用钢材其中含杂质(如碳等)，当其表面覆盖一层电解质薄膜时，铁、碳及电解质溶液就构成微型腐蚀电池。

该微型电池中铁是阳极： Fe → Fe2+ + 2e-碳作为阴极：如果电解质溶液是酸性，则阴极上有氢气放出（2H+ + 2e- → H2 ）；如果电解质溶液是碱性，则阴极上发生反应 O2+2H2O+4e- →4OH- 。

金属腐蚀与防护阳极极化：金属腐蚀与防护中的阳极极化是指金属在阳极区发生的电化学腐蚀现象。

当金属作为阳极时，其表面的电子被氧化剂夺取，形成金属离子进入电解质溶液，同时释放出电子。

这个过程会导致金属表面的腐蚀和破坏。

为了防止金属的阳极腐蚀，可以采用一些防护措施。

其中一种常用的方法是采用牺牲阳极的阴极保护法。

这种方法是在被保护的金属上连接一个比被保护金属更活泼的金属，使被保护金属成为阴极，而牺牲阳极成为阳极。

由于活泼金属更容易被氧化，因此可以保护被保护金属不受腐蚀。

此外，还可以通过改变金属表面的性质来提高其耐腐蚀性。

例如，通过在金属表面形成一层致密的氧化膜或采用电镀、喷涂等表面处理技术，可以增加金属表面的耐腐蚀性。