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1、电化学,金属的电化学腐蚀与防护,电化学知识应用 金属制品的防护,教学目标,1、了解金属腐蚀的本质及分类，特别是电 化学腐蚀的原理。,2、学习掌握金属防护的方法，提高分析和解 决生产生活中实际问题的能力。,在现代社会中，金属材料的用量越来越大，品种也越来越多。可以毫不夸张地说，金属材料是现代物质文明的基础。,不过，需要注意的是，金属材料一直在悄悄地经受着破坏腐蚀。全世界每年因腐蚀而损失的金属材料的数量相当多。因此，金属的防腐蚀问题一直是世界科技领域研究的重要内容。,金属腐蚀损失我国作为世界上钢铁产量最多的国家 ，每年被腐蚀的铁占到我国钢铁年产量的十分之一，因为金属腐蚀而造成的损失占到国内生产总值
2、的2%4%。 根据各国调查结果，一般说来，金属腐蚀所造成的经济损失大致为该国国民生产总值的4%左右。 另据国外统计，金属腐蚀的年损失远远超过水灾、火灾、风灾和地震（平均值）损失的总和，在这里还不包括由于腐蚀导致的停工、减产和爆炸等造成的间接损失。,金属腐蚀的主要害处，不仅在于金属本身的损失，更严重的是金属制品结构损坏所造成的损失比金属本身要大到无法估量。 腐蚀不仅造成经济损失，也经常对安全构成威胁。国内外都曾发生过许多灾难性腐蚀事故，如飞机因某一零部件破裂而坠毁；桥梁因钢梁产生裂缝而塌陷；油管因穿孔或裂缝而漏油，引起着火爆炸；化工厂中储酸槽穿孔泄漏，造成重大环境污染；管道和设备跑、冒、滴、漏，
3、破坏生产环境，有毒气体如Cl2、H2S、HCN等的泄漏，更会危及工作人员和附近居民的生命安全。,腐蚀的定义,50年代，腐蚀的定义仅指金属的腐蚀：“在周围介质作用下，由于化学反应、电化学反应或物理溶解而产生的金属破坏。”50年代后，随着非金属材料的发展，腐蚀定义扩大到所有的材料: “由于材料和它所处的环境发生反应使材料和材料的性质发生恶化的现象” “腐蚀是由于物质与周围环境的作用而产生的破坏”,非金属材料老化,腐蚀的定义,定义：腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的损坏或变质现象, 包括化学、电化学与机械因素或生物因素的共同作用； 根据反应类型划分腐蚀种类：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理
4、溶解腐蚀.腐蚀的定义包括了化学、电化学、物理学的内容，腐蚀的发生往往与磨损、断裂等的同时进行；腐蚀学是交叉学科（边缘学科），涉及到金属学、电化学、物理化学、流体力学、固体力学等，是一门应用性很强的学科。,腐蚀防护意义 减少损失和降低防腐成本、延长服役寿命,通过普及腐蚀与防护知识，推广应用先进的防腐蚀技术，腐蚀造成的经济损失可减少3040。,腐蚀损失和防护费用与 防腐蚀程度关系,总费用最低：腐蚀损失和防腐成本的最少,防腐蚀：成本支出 腐蚀：导致设备损失，停工损失等,腐蚀防护的基本途径,（1）提高金属本身的耐蚀性：如不锈钢、镍基合金从材料的热力学稳定性和控制腐蚀动力学两个角度出发提高材料的抗蚀性；
5、（2）改变环境（介质处理）：降低环境的腐蚀性，如除去大气中的SO2，在水溶液中除O2，改变溶液的pH值，在环境中加入缓蚀剂等；（3）采用覆盖层：采用金属和非金属涂层、改变材料的表面结构，使材料表面具有耐蚀的特性；采用衬里、防锈油、防锈纸等，将材料与腐蚀介质隔开，,腐蚀防护的基本途径,（4）采用电化学保护（电保护）：对于金属的电化学腐蚀可通过阴极极化降低氧化反应速度，或通过实现阳极钝化来以达到防腐目的；（5）正确选材和合理设计：为了防止腐蚀发生，必须重视正确选材和合理设计，设计时做到材料匹配和结构合理、结构间连接应尽可能防止缝隙产生等；(6) 腐蚀与防护的管理与教育: 主观上重视。加强对腐蚀与防
6、护的管理，提高各类人员对腐蚀与防护的重视，需要建立相应的教育体制，广泛开展腐蚀与防护的教育工作，提高腐蚀与防护的自觉性。,金属（电化学）腐蚀的分类,1.自然环境腐蚀 （1）大气腐蚀 最普通的腐蚀 （2）土壤腐蚀 最复杂的腐蚀 （3）水环境（淡水和海水）腐蚀 最苛刻的腐蚀 （4）微生物腐蚀无处不在2.工业环境腐蚀（1）在酸性溶液中的腐蚀；（2）在碱性溶液中的腐蚀；（3）在盐类溶液中的腐蚀；（4）在工业水中的腐蚀；（5）在熔盐中的腐蚀；（6）在液态金属中的腐蚀（物理溶解腐蚀）,按照腐蚀环境划分,金属（电化学）腐蚀的分类,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
7、蚀点腐蚀（孔蚀、点蚀）缝隙腐蚀晶间腐蚀选择性腐蚀氢致开裂（也称氢脆）应力腐蚀断裂（也称为应力腐蚀）腐蚀疲劳磨损腐蚀。,按照腐蚀形态划分,重量指标：金属因腐蚀而发生的重量变化，换算成相当于单位金属表面积于单位时间内重量变化的数值, 常用单位：mg/cm2h,深度指标：金属的厚度因腐蚀而减少的量，以长度单位表示，并换算成单位时间的数值，常用单位：mm/a,电流指标：用腐蚀金属的阳极电流密度的大小，衡量金属 腐蚀速度的快慢，常用单位：mA/cm2,金属腐蚀速度的表示法,看现象提问题？,钢铁及其制品通常为含碳的铁合金，若在潮湿的环境里或湿度较大的环境里长期放置，常易生锈变红，原因是什么？,我们来了解一
8、下铁电化学腐蚀的原理？怎样防腐？,构成原电池的条件是什么?,1、活泼性不同的两个电极； 2、电解质溶液； 3、形成闭合回路。,1、电化学腐蚀,（1）定义：,不纯的金属（或合金）跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化。,根据电化学腐蚀原理（原电池原理），写出电极反应式及电池反应方程式。,a、吸氧腐蚀：,负极： Fe - 2e- = Fe2+,正极： O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-,电池反应： 2Fe+ O2+2H2O =2Fe(OH)2,分析：中性或酸性很弱或碱性条件下，易发生吸氧腐蚀。,4Fe(OH)2 +O2 + 2H2O =4 Fe(OH)3 2F
9、e(OH)3=Fe2O3nH2O+(3-n) H2O,进一步反应：,举例：钢铁的吸氧腐蚀,铁钉生锈,分析：运用原电池原理分析钢铁腐蚀,正极： 2H+ 2e- =H2 ,负极： Fe - 2e- = Fe2+,b、析氢腐蚀:,电池反应： Fe + 2H+ =Fe2+ + H2 ,分析：当钢铁处于酸性气氛中时，易发生析氢腐蚀；,析氢腐蚀和吸氧腐蚀都属于电化学腐蚀。,析氢腐蚀与吸氧腐蚀,如右图所示，空气中的CO2， SO2 等可溶解在水中形成电 解质溶液，从而形成了原电 池。其中铁是阳极，发生氧 化反应；铜是阴极，发生还 原反应。负极：FeFe2+2e （Fe被腐蚀） 正极：（析氢腐蚀）2H2eH2
10、（吸氧腐蚀）1/2O22H2e-H2O,知识总结,金属阳离子,失e-,氧化反应,3、金属腐蚀的类型,化学腐蚀,电化腐蚀,析氢腐蚀,吸氧腐蚀,（常见普遍）,一、金属腐蚀,金属原子,2、金属腐蚀的本质：,1、金属腐蚀：,是指金属或合金跟接触的气体或液体发生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程。,M ne-Mn+,金属跟接触到的物质（如O2、CI2、SO2等）直接发生化学反应而引起的腐蚀。,化学腐蚀( 较电化学腐蚀少),（1）定义：,（2）影响因素：,金属的活泼性 环境的温度 氧化剂浓度等,石油管道内壁的严重腐蚀,化学腐蚀与电化腐蚀的比较,金属跟非金属单质直接接触,不纯金属或合金 跟电解质溶液接触,无电流产
11、生,有微弱电流产生,金属被氧化,较活泼金属被氧化,两者往往同时发生，电化腐蚀更普遍,钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较,Fe2O3 nH2O,（铁锈）,通常两种腐蚀同时存在，但以后者更普遍。,析氢腐蚀,吸氧腐蚀,条件,水膜呈酸性。,水膜呈中性或酸性很弱或碱性。,电极反应,负极Fe(- ),Fe-2e-=Fe2+,2Fe-4e-=2Fe2+,正极C(+),2H+2e-=H2,O2+2H2O+4e-=4OH-,总反应:,Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 ,2Fe+2H2O+O2= 2 Fe(OH)2,4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3,联系,例1：如图, 水槽中试管内有一枚铁钉，
12、放置数天观察：,(1)若试管液面上升，则溶液呈 性，发 生 腐蚀，电极反应为： 负极： ； 正极： 。 （2）若试管液面下降，则溶液 呈 性，发生 腐蚀，电极 反应：负极： ； 正极： 。,中性或碱,Fe2e-Fe2+,O2+2H2O+4e-4OH,酸,析氢,Fe2e-Fe2+,2H+2e-H2,吸氧,金属的腐蚀与保护知识应用,铁生锈除了必须有空气及水的参与外，还受其他一些因素的影响。请解释下列有关铁生锈现象的原因。,1.相对于在内河行驶的轮船来说，海轮更容易被腐蚀。,因为海水中含有较多的氯化钠等盐类，导电能力比内河的水更强，而在电解质溶液中，电化学腐蚀更容易进行。,2. 放在南极的食品罐头盒
13、，表面多年很少有铁锈出现。,是由于南极的温度常年在0以下，说明在较高温度下，腐蚀更易进行。,3.用于连接铜板的铁螺丝容易生锈。,是由于铁与铜及空气中的水蒸汽构成了原电池，铁作原电池的负极，因此铁易被腐蚀而生锈。,4.当化工厂派出的废气为酸性气体时,工厂附近的铁制品容易生锈。,说明铁制品在酸性条件下比在中性条件下更容易被腐蚀。,5.铁锅用完后要刷洗干净并保持干燥。如果炒完菜之后不刷锅，残留的菜汤会对铁锅产生什么影响？,形成原电池，发生电化学腐蚀，铁锅生锈,原理 ：,形成原电池反应时，让被保护金属做正极，不反应，起到保护作用；而活泼金属反应受到腐蚀。,1.牺牲阳极保护法,二、金属的电化学保护,左图
14、：牺牲阳极的阴极保护法示意图,船身如何防腐蚀的？,用牺牲锌块的方法来保护,船身上装锌块,2.外加电流法将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护。此法主要用于防止土壤、海水及水中金属设备的腐蚀。,外加电流的阴极保护法示意图,金属防腐的几种重要方法 在金属表面覆盖保护层：涂油、搪瓷、塑料、镀金属等。 改变金属内部的组织结构，制成合金。 电化学保护法，即将金属作为原电池的正极或电解池的阴极而受到保护：牺牲阳极的阴极保护法；外加电流的阴极保护法。,小 结,此外，电化学保护法还有一种阳极钝化保护法,将被保护金属作阳极使之钝化以防止金属腐蚀的
15、方法。将电源的正极接在被保护的金属上，负极接在辅助金属上，适当控制电压使阳极电位达到钝化电位，这时金属表面发生阳极钝化而由活性状态转为钝化状态，达到保护金属的目的。实施阳极保护，必须控制电压并注意电流密度，如阳极电位小于钝化电压反而会加速金属腐蚀，过大则有可能发生使钝化膜破坏的超钝化现象，而使金属的腐蚀加剧。仅适用于一般起钝化作用的金属。,3、金属的防护效果比较,金属腐蚀的快慢程度： 电解池的阳极原电池的负极化学腐蚀原电池的正极电解池的阴极,金属的可逆电极电势; 氢、氧在金属表面的超电势； 金属的极化性能 电解质溶液的组成,影响金属表面腐蚀的主要因素,小结：金属的防腐,1）金属腐蚀快慢的判断,电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀 化学腐蚀 有防腐蚀措施的腐蚀 同一种金属的腐蚀： 强电解质弱电解质非电解质,2）金属的防护方法,改变金属内部结构:合金,覆盖保护层:漆镀,电化学保护法,外加电源的阴极保护法,牺牲阳极的阴极保护法,金属的防腐,1、影响金属腐蚀的因素,2、金属防护的常用方法,改变金属的内部结构：如将钢铁制成不锈钢。 在金属表面覆盖保护层：如涂油漆，镀Zn、Sn等。 在要保护的金属上连接一种比该种金属更易失去电子的金属（形成原电池保护）。,
