金属电化学腐蚀基本原理

3.3 金属腐蚀原理

3.3.1概述

从腐蚀的定义及分类，我们知道腐蚀主要是化学过程，我们可以把腐蚀过程分为两种可能的主要机理-----化学机理和电化学机理.

化学腐蚀是根据化学的多相反应机理，金属表面的原子直接与反应物（如氧﹑水﹑酸）的分子相互作用。金属的氧化和氧化剂的还原是同时发生的，电子从金属原子直接转移到接受体，而不是在时间或空间上分开独立进行的共轭电化学反应。

金属和不导电的液体（非电解质）或干燥气体相互作用是化学腐蚀的实例。最主要的化学腐蚀形式是气体腐蚀，也就是金属的氧化过程（与氧的化学反应），或者是金属与活性气态介质（如二氧化硫﹑硫化氢﹑卤素﹑蒸汽和二氧化碳等）在高温下的化学作用。

电化学腐蚀是最常见的腐蚀，金属腐蚀中的绝大部分均属于电化学腐蚀。如在自然条件下（如海水、土壤、地下水、潮湿大气、酸雨等）对金属的腐蚀通常是电化学腐蚀。

图3－11 铁的电化学腐蚀模型 电化学腐蚀机理与纯化学腐蚀机理的基本区别是：电化学腐蚀时，介质与金属的相互作用被分为两个独立的共轭反应。阳极过程是金属原子直接转移到溶液中，形成水合金属离子或溶剂化金属离子；另一个共轭的阴极过程是留在金属内的过量

电子被溶液中的电子接受体或去极化剂接受而发生还原反应。左图即是铁的电化学腐蚀模型。（点击放大播放flash)

3.3.2金属腐蚀的电化学概念

1.电极反应及电极

相：由化学性质和物理性质一致的物质组成的、与系统的其他部分之间有界面隔开的集合叫做相。

电极系统：如果系统由两个相组成，一个相是电子导体（叫电子导体相），另一个相是离子导体（叫离子导体相),且通过它们互相接触的界面上有电荷在这两个相之间转移，这个系统就叫电极系统。

将一块金属（比如铜）浸在清除了氧的硫酸铜水溶液中，就构成了一个电极系统。在两相界面上就会发生下述物质变化：

Cu(M)→Cu2+(sol)+2e(M)

腐蚀电化学原理

电极电位与平衡电位

电极系统和电极反应

电极系统

电子导体：在电场作用下，向一定方向移动的荷电粒子是电子或带正电的电子空穴

离子导体：在电场作用下，向一定方向移动的荷电粒子是带正电的或带负电的离子

物理化学性质一致的物质所组成而与系统中其他部分之间有界面隔开的集合体，叫做相

电荷从一个相通过两个相的界面转移到另一个相，这个系统叫做电极系统

伴随电荷在两相之间转移，不可避免地同时会在两相之间的界面上发生物质的变化——由一种物质变为另一种物质，即化学变化。

电极反应

在电极系统中伴随着两个非同类导体之间的电荷转移而在两相界面上发生的化学，称为电极反应

电极

三种表述：组成电极系统的电子导体相（如工作电极）；电子导体材料（如铂电极）；电极反应或整个电极系统（如氢电极）

电极反应的主要特点

既然所有的电极反应都是化学反应，因此所有关于化学反应的一些基本定律如当量定律、质量作用定律等也都适用于电极反应，但电极反应又有不同于一般化学反应的特点。最重要的特点是，电极反应是伴随着两类不同的导体相之间的电荷迁移过程发生的，因此在它的反应式中就包含有eM作为反应物或生产物。电极反应受到电极系统的两个导体相之间的界面层的电学状态的影响，所以比一般的化学反应，电极反应多了一个状态变量。由于电极材料中的电子参与电极反应，电极反应就必须发生在电极材料的表面上。因此电极反应具有表面反应的特点。

一个电极反应过程则只有整个氧化-还原反应过程中的一半。

电极反应可分为两种类型：第一类，电极材料本身并不参加电极反应，电极材料起到两种作用，一是提供电子给氧化体或是接受来自还原体的电子，二是它表面乃是进行电极反应的场所。（电极材料对有关物质的吸附作用、在电极表面上形成的中间产物的情况等，会影响电极反应的进行）。有气体电极反应和氧化还原电极反应两种。第二类，电极材料本身参加电极反应。还原体是电极材料本身，氧化体是它的离子或化合物，这种被称为金属电极反应。第一类金属电极和第二类金属电极（有固相产生）。

《金属的电化学腐蚀与防护》的教学设计

新课程教学,要体现课堂新教法,学生的学习方式要改变。本节课在教学设计上旨在认真落实课程新理念,变学生被动学习为主动学习,培养学生收集资料,处理资料,探究实验,合作交流的能力。新课程化学课堂教学是实现新课程目标的主阵地,所以在课堂教学中如何落实新课程目标、如何体现学生的主体地位、体现学生合作、交流、探究和搜集资料的能力,应该是教师设计教学过程的重要依据。

选修4第四章第四节《金属的电化学腐蚀与防护》的教学设计,笔者就是依据新课程化学教学课程目标,以体现新理念为出发点完成本节课的课堂教学。

一、教材分析

本节教材位于选修四最后一章最后一节,前面有原电池、电解池知识为基础,又有初中金属腐蚀知识的简单渗透,所以本节课是将以往学生获取的零散知识的一个整理和对前面所学原电池知识的实际应用。课堂教学过程围绕“以学生活动为主线”的设计思路,通过学生搜集资料、实验探究、课前预习,课堂总结、课堂练习等方法,使本节课更重要的成为一节能力培养课:培养学生搜集资料的能力、实验探究能力、自主学习能力以及对现象分析处理的能力。通过资料搜集,认识金属锈蚀的危害;通过实验探究,了解金属锈蚀的条件;通过课堂教学分析,理解金属锈蚀的原理;通过课堂练习,了解考试动向。

二、教学过程

1.课前预习:收集资料,分组探究

提前一周让学生借用网络收集金属腐蚀现象图片、金属腐蚀危害图片以及金属腐蚀及防护相关文字资料。由于学生家有电脑的不多,让他们制成课件或下载有困难,所以将收集的资料发至教师邮箱,教师整理、评价,制成课件,课堂进行展示。同时准备探究实验:“铁钉在不同条件下的锈蚀”的7组对照试验。方案由学生查阅资料思考后自行设计,教师对他们的方案给予指导和评价。然后由学生分组进实验室自己动手准备、配制、完成。在学生已有的“铁钉腐蚀条件探究”的基础上,结合学生网上查询到的设计方案,最后本实验在原有三组对比试验的基础上扩充为七组对比试验。

金属腐蚀原理

金属腐蚀是指金属在特定条件下与周围环境中的化学物质发生反应导致其损失其原有性能和结构的现象。金属腐蚀是一种自然现象，不可避免地影响了工业、农业、医疗、建筑和航空等领域的金属制品。

金属腐蚀的原理主要涉及以下几个方面：

1. 化学反应

金属与环境中的化学物质接触时，必然发生一系列化学反应。铁与水和氧气反应会形成氧化铁，即铁锈。

Fe + H2O + O2 → Fe2O3·nH2O（铁锈）

金属的电化学性质在这个过程中起着关键的作用。如铜与氯离子反应如下：

Cu + 2Cl- → CuCl2 + 2e-

金属的原子释放出电子，产生正离子。在电解质中，这些正离子随后会与负离子反应，导致金属表面的电化学腐蚀。

2. 电化学反应

金属的表面被涂上一层绝缘性较好的材料或涂层，可以防止其与外部环境发生化学反应。当涂层损坏或表面存在缺陷时，金属会变得更易受到腐蚀。

此时，金属会表现出电化学反应，也就是在金属表面形成电池。金属的电子从阴极（电池的负极）流向阳极（电池的正极），从而导致阳极处的金属被电化学腐蚀。

3. 介质腐蚀

金属腐蚀还会受到介质的影响，介质包括气体、液体和固体。在钢材上，只有当表面附着了盐、油、水或化学物质等附件时，金属才会腐蚀。

在线的腐蚀往往会发生在地下管道和油罐等结构中，因为它们被完全包围在介质中。在这种情况下，防护系统和钝化剂等方法可能会用来防护金属免受腐蚀的影响。

4. 海洋水腐蚀

金属在海洋环境中面临更复杂的腐蚀挑战，因为海洋环境包含盐、水以及许多化学物质。海水的腐蚀效果比纯水的腐蚀效果更严重，并可以在金属表面形成锈。氯离子是最具腐蚀性的物质。 在船舶、桥梁和海上平台等重要结构中，通常需要采用特殊的腐蚀防护措施来保护金属免受海洋环境的损害。