金属材料的电化学腐蚀与防护

金属材料的电化学腐蚀与防护

一、实验目的

1.了解金属电化学腐蚀的基本原理。

2.了解防止金属腐蚀的基本原理和常用方法。 二、实验原理

1． 金属的电化学腐蚀类型

(1)微电池腐蚀 ①差异充气腐蚀

同一种金属在中性条件下，如果不同部位溶解氧气浓度不同，则氧气浓度较小的部位作为腐蚀电池的阳极，金属失去电子受到腐蚀；而氧气浓度较大的部位作为阴极，氧气得电子生成氢氧根离子。如果也有K3[Fe(CN)6]和酚酞存在，则阳极金属亚铁离子进一步与K3[Fe(CN)6]反应，生成蓝色的Fe3[Fe(CN)6]2沉淀；在阴极，由于氢氧根离子的不断生成使得酚酞变红（亦属于吸氧腐蚀）。两极反应式如下：

阳极(氧气浓度小的部位)反应式： Fe = Fe2＋ ＋ 2e－

3Fe2＋ ＋ 2[Fe(CN)6]3－ = Fe3[Fe(CN)6]2 (蓝色沉淀)

阴极(氧气浓度大的部位)反应式：

O2 ＋ 2H2O ＋4e－ = 4OH－ ②析氢腐蚀

金属铁浸在含有K3[Fe(CN)6]2的盐酸溶液中，铁作为阳极失去电子，受腐蚀，杂质作为阴极，在其表面H＋得电子被还原析出氢气。两极反应式为：

阳极： Fe = Fe2＋ ＋ 2e－ 阴极： 2H＋+2e－= H2↑

在其中加入K3[Fe(CN)6]，则阳极附近的Fe2＋进一步反应： 3Fe2＋ ＋ 2[Fe(CN)6]3－ = Fe3[Fe(CN)6]2 (蓝色沉淀)

（2）宏电池腐蚀

①金属铁和铜直接接触，置于含有NaCl、K3[Fe(CN)6]、酚酞的混合溶液里，由于??(Fe2/Fe)< ??（Cu2/Cu），两者构成了宏电池，铁作为阳极，失去电

＋

＋

子受到腐蚀（属于吸氧腐蚀）。两极的电极反应式分别如下： 阳极反应式：

Fe = Fe2＋ ＋ 2e－

3Fe2＋ ＋ 2[Fe(CN)6]3－ = Fe3[Fe(CN)6]2 (蓝色沉淀)

阴极(铜表面)反应式：

O2 ＋ 2H2O ＋4e－ = 4OH－

在阴极由于有OH－生成，使c(OH－)增大，所以酚酞变红。

②金属铁和锌直接接触，环境同上，则由于??(Zn2/Zn)< ??(Fe2/Fe)，

＋

＋

锌作为阳极受到腐蚀，而铁作为阴极，铁表面的氧气得电子后不断生成氢氧根离子，导致酚酞变红（属于吸氧腐蚀）。两极的电极反应式分别如下：

阳极反应式：

Zn = Zn2＋ ＋ 2e－

3Zn2＋＋ 2[Fe(CN)6]3－ = Zn3[Fe(CN)6]2 (黄色沉淀) 阴极（铁表面）反应式：

O2 ＋ 2H2O ＋4e－ = 4OH－ 2．金属腐蚀的防护

防止金属腐蚀的方法很多。如研制耐腐蚀的金属材料、金属表面涂覆保护层及阴极保护法等方法。金属表面涂覆保护层的常用方法有油漆、电镀、喷镀、表面钝化处理，缓蚀剂法等。

（1） 有机缓蚀剂作用机理

在金属刚开始溶解时，金属表面带有的负电荷能吸附缓蚀剂的离子或分子，形成难溶且腐蚀介质很难穿透的保护膜。在酸性介质中，一般是含有N、S、O的有机化合物。常用的缓蚀剂有乌洛托品、若丁等。 （2） 无机缓蚀剂作用机理

在中性或碱性介质中可以采用无机缓蚀剂，如铬酸盐、重铬酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐等。主要是在金属的表面形成的氧化膜或沉淀物能够隔绝周围介质侵蚀，起到保护的作用。

例如金属表面的磷化，就是用磷酸盐在金属表面生成一层磷化膜的保护层。其有关反应式如下：

Fe ＋ 2H+ = Fe2＋ ＋ H2（↑）

Fe2＋ ＋ HPO42－ = FeHPO4（暗灰色膜?） 3Zn2＋ ＋ 2PO43－= Zn3(PO4)2（白色?）

（3）3％的CuSO4检验液检验原理

磷化后的铁钉表面： Fe2＋ ＋ HPO42－ = FeHPO4（暗灰色膜?）

Cu2＋ ＋ HPO42－ = CuHPO4（暗黑色?）

没有磷化后的铁钉表面：Fe ＋Cu2＋= Fe2＋＋ Cu（棕红色?） 三、实验用品

仪器： 0mL小烧杯，小试管（3支），10mL小量筒（1只）铁片，铜丝，锌丝，滤纸片（若干），塑料镊子，洗瓶，细砂纸（约3×3cm2）。 药品：NaCl（0.1 mo1·L－1），K3[Fe(CN)6（]0.1 mo1·L－1），乌洛托品(CH2)6N（，420％）CuSO4（0.1 mo1·L－1），HCl（0.1 mo1·L－1、6 mo1·L－1，浓），酚酞（0.5％），洗洁精，检验液（3％的CuSO4），磷化液（配方：H3PO4（85％）：45g·L－1，ZnO：28 g·L－1，Zn(NO3)2：28 g·L－1，NaF：2 g·L－1 ，HNO3（浓）：29 g·L－1）。 四、实验内容

1． 金属的电化学腐蚀

（1）准备铁钉和混合溶液

①铁钉表面除锈：取8枚小铁钉浸在浓盐酸中，除锈约1～2分钟后用塑料镊子取出，以自来水淋洗后放在洁净的小烧杯中，再以去离子水浸泡备用。 ②配制含有少量酚酞的混合溶液：取1支试管，加入6mL 0.1 mo1·L-1的NaCl溶液（增加导电性），加入4滴0.1 mo1·L-1K3[Fe(CN)6]溶液，再加入3滴酚酞溶液，混合均匀备用。 （2）微电池腐蚀 ①差异充气腐蚀

用细砂纸把一块铁片表面磨光，洗净铁锈并吸干水分，在其中心处滴上2滴含有少量酚酞的混合溶液，形成直径约为2cm的圆斑，放置10 min后观察现象，并用两极反应式解释之。 ②析氢腐蚀

取1支洁净的小试管，加入3mL的0.1 mo1·L-1HCl溶液，将一枚除锈铁钉放入其中，观察现象。 (3)宏电池的腐蚀

取2支洁净的小试管，各加入3mL含有少量酚酞的混合溶液。取2枚除过锈的小铁钉，经自来水冲洗，用滤纸吸干，分别在其中部紧密地缠上一段干净的锌丝和铜丝。然后再分别放在上述2支试管的溶液中，静置数分钟（不要晃动），观察现象并用两极反应式解释之。 2．金属腐蚀的防护 （1）有机缓蚀剂的作用

取2支试管，各加入3mL0.1 mo1·L-1HCl溶液，在某一试管中加入5滴20％的乌洛托品，在另1支试管中加入5滴水，将2枚清洁无锈的铁钉分别放入其中。反应片刻后，分别在2支试管中各加入1滴0.1 mo1·L-1 K3[Fe(CN)6]溶液，观察和比较出现的现象，并用两极反应式解释之。 （2）无机缓蚀剂的作用（金属表面的磷化）

准备2支洁净试管和2枚已用浓HCl溶液除过锈的并用水清洗干净的铁钉。将其中1根铁钉放入试管，另1根铁钉完全浸入磷化液磷化，约5～10min后用镊子取出，用去离子水淋洗后将其放入空的洁净试管中，观察磷化膜。 （3）检验质量

向上述2支装有铁钉的试管中，分别加入3％的CuSO4检验液3mL，静置2-3min后，观察现象并用反应式解释之。 五、注意事项

1. 铁钉一定要事先算好需要几个，然后集中除锈。

2. 需要静置数分钟的实验，千万不要晃动试管，以免现象观察不明显。

3. 用锌丝缠铁钉时要慢缓慢用劲缠紧，防止锌丝折断；不要缠满铁钉，只要铁钉有一段被缠上就可观察到现象。

4.铁片，铜丝，锌丝，铁钉等用后洗净回收至原处。所有试剂用后放回原处。

5．实验中一定要仔细观察现象有无变化，记录现象要完整，并用学过的知识和有关反应方程式解释之。 六、实验记录

1. 实验现象与解释 实验内容 1．金属的电化学腐蚀 现象 圆斑中心： 圆斑边缘： 试管： 溶液 1.没有铜丝处溶液 2.铜丝处溶液 3.铁钉表面 溶液 1.没有锌丝处溶液 2.锌丝表面 3.铁钉处溶液 试管1： 试管2： 解释 微电池腐蚀①差异充气腐蚀 ②析氢腐蚀 2.金属腐蚀的防护 （1）有机缓蚀剂的作用 （2）无机缓蚀剂的作用1.有磷化膜的铁钉表面： （金属表面的磷化） 2.无磷化膜的铁钉表面： 1.有磷化膜的铁钉检验结果： 2.无磷化膜的铁钉检验结果： （3）检验质量 七、思考题

1.吸氧腐蚀发生的条件是什么？两极反应式分别如何？ 2.析氢腐蚀的条件是什么？两极反应式分别如何？

宏电池的腐蚀铁-铜电池 锌-铁电池