《金属腐蚀与防护金属腐蚀的基本原理.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属腐蚀与防护金属腐蚀的基本原理.pptx（113页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、按腐蚀机理将金属腐蚀分为：化学腐蚀，电化学腐蚀按腐蚀机理将金属腐蚀分为：化学腐蚀，电化学腐蚀化学腐蚀原理及化学反应化学腐蚀原理及化学反应研究腐蚀现象研究腐蚀现象 p金属在酸中的腐蚀金属在酸中的腐蚀p金属在中性和碱性溶液中金属在中性和碱性溶液中p既不含氧也不含酸的溶液中既不含氧也不含酸的溶液中3.1 腐蚀化学第1页/共113页腐蚀产物：氢气和一种溶解盐腐蚀产物：氢气和一种溶解盐 金属在酸中的腐蚀第2页/共113页金属在中性和碱性溶液中淡水、海水、盐溶液和含碱性的介质中淡水、海水、盐溶液和含碱性的介质中 只有溶解“氧”存在时才发生腐蚀 水溶液能迅速地溶解空气中的氧例：暴露在潮湿大气或水中的铁生锈：
2、不溶的红褐色物质白色沉淀物第3页/共113页化学中的置换反应化学中的置换反应在锌的表面上沉积有海绵状的铜既不含氧也不含酸的溶液中第4页/共113页腐蚀反应期间所产生的物质检查腐蚀的一种方法腐蚀产物可溶解的不可溶解的可见的不可见的腐蚀产物第5页/共113页目录3.2电化学基础知识 3.3腐蚀电化学3.1腐蚀化学 3.4电位-pH图3.2.1电极电位3.2.2标准电极电位3.2.3气体电极的电极电位第6页/共113页u发生在水溶液中的腐蚀属于电化学腐蚀，而电化学保护正是防止电化学腐蚀的有力措施。两者的理论均以电化学为基础。u依靠腐蚀原电池作用而进行的腐蚀过程叫电化学腐蚀。u电化学腐蚀是腐蚀原电池电
3、极反应的结果。因此，掌握腐蚀的电化学原理，对于从事电化学保护的工程技术入员来说是十分必要的。3.2电化学基础知识第7页/共113页针对某一位置，针对某一位置，把单位正电荷从把单位正电荷从无穷远处移到该无穷远处移到该处所作的电功处所作的电功3.2.1电极电位静电学概念+电化学u携带单位正电荷进入某一物相时，同时存在电学作用和化学作用u实际作的功是电学作用和化学作用的联合效果。（无法精确测量）u内电位=外电位+表面电势外电位是把单位正电荷从无穷远处的真空移到大约距物体表面10-4cm处所作的功表面电势是把单位正电荷从表面移到物相内部所作的电功该过程涉及到化学反应。（内电位仅是电功和）第8页/共11
4、3页例例:锌铜原电池中，铜与锌分别插入硫酸铜锌铜原电池中，铜与锌分别插入硫酸铜与硫酸锌电解质溶液中，就构成了铜电极与硫酸锌电解质溶液中，就构成了铜电极与锌电极。与锌电极。u在电极和溶液界面上进行的电化学反应称为电极反应。u电极反应可以导致在电极和溶液的界面上建立起离子双电层，还有偶极双电层和吸附双电层。u这种双电层两侧的电位差，即金属与溶液之间产生的电位差称金属与溶液之间产生的电位差称为为电极电位电极电位。3.2.1电极电位第9页/共113页离子双电层示意图（1）金属与溶液双电层结构u双电层一侧是金属电极相，另一侧是溶液相，它是具有一定厚度的相界区，电极反应在相界区内进行。u当金属浸入电解质溶
5、液中，金属表面上的金属离子因极性水分子作用，发生水化。u如果水化时所产生的水化能足以克服金属晶格中金属离子与电子间的引力，则金属离子将脱离金属表面，进入与金属表面接触的液层中形成水化离子。反应区金属离子第10页/共113页u金属晶格上的电子，由于被水分子电子壳层的同性电荷排斥，不能进行水化转入溶液，仍留在金属上。u右图示意地表明了表面金属离子的水化，u该过程可简单表示：（1）金属与溶液双电层结构第11页/共113页u此时，金属水化离子就在荷负电的金属表面的液层中聚集，在金属溶液界面上形成了双电层，如图（a)u如果金属离子的键能超过金属离子水化能时，则金属表面可能从溶液中吸附一部分离子，结果形成
6、了金属表面荷正电，而与金属表面相接触的液层荷负电的另一种离子双电层，如图（b）。u由于双电层的形成，在金属溶液界面的两侧便产生了电位差。（1）金属与溶液双电层结构离子双电层示意图反应区金属离子第12页/共113页u1897年赫姆霍兹（Helmholtz）提出“平行板电容器”的双电层结构模型（或称紧密双电层模型）如图1-2所示。他把双电层比喻为平行板电容器，金属表面以及被金属电极静电吸附的离子层可看做是电容器的两块“极板”，两“极板”间的距离为一个水化离子半径。u这种简化的模型只适用于溶液离子浓度很大或者电极表面电荷密度较大的情况。古伊和奇普曼根据离子热运动原理，扩展了赫姆霍兹的双电层模型，提出
7、了双电层不是紧密层结构，而是扩散层结构，形成所谓电荷的“分散层”。（1）金属与溶液双电层结构第13页/共113页斯特恩于1924年把古伊一奇普曼模型与赫姆霍兹模型结合起来，认为双电层是由“紧密层”和“分散层”两部分组成图。这一论点获得了广泛的承认.（1）金属与溶液双电层结构第14页/共113页u当金属电极上只有一个确定的电极反应，并且该反应处于动态平衡，即金属的溶解速度等于金属离子的沉积速度时，动态平衡的表达式为:u在此平衡态电极过程中，电极获得一个不变的电位值，该电位值通常称为平衡电极电位。u平衡电极电位是可逆电极电位，即该过程的物质交换和电荷交换都是可逆的。（2）平衡电极电位第15页/共1
8、13页平衡电位必须具备下列条件：(1)电极上只有一个电极反应(2)此电极反应动态平衡时必须既是质量平衡，又是电荷平衡。平衡电极电位：当金属电极与溶液界面的电极过程建立起平衡时，即电极反应的电能和物质量在氧化、还原反应中都达到平衡时的电极电位。（2）平衡电极电位第16页/共113页u平衡电位的大小，与金属种类，溶剂种类，温度，溶液内的金属离子有关。平衡电极电位与标准电极电位的关系可用能斯特方程表示（非平衡电极电位只能测量得到）：（2）平衡电极电位第17页/共113页u研究发生电化学腐蚀的热力学条件u标标准准电电位位：参参与与电电极极反反应应的的金金属属离离子子的的活活度度为为1 1或或生成气体的
9、分压为生成气体的分压为1 1个大气压时个大气压时的平衡电极电位的平衡电极电位3.2.2标准电极电位第18页/共113页u利用标准电极电位和阴极反应电位能够估计腐蚀的可能性。u腐蚀反应本质是化学、电化学反应（能否自发进行）u看整个体系的自由能是降低（从反应的始态转变为终态）自由能的变化(G)G式中：nF0那么反应能自发进行，就由须有：（整个体系自由能降低）法拉弟常数为96500阴极反应的平衡电位电极上反应物质的克当量数阳极反应的平衡电位3.2.2标准电极电位第19页/共113页金属与溶液的电位差水化作用的动态平衡，反应式:达到动态平衡时:u金属表面将保持一定量的剩余电子，带负电。u金属附近的液层
10、中则保持有一定量的水化离子，带正电u双电层中金属上的过剩电子或溶液中的金属离子被不断移走，则可逆过程失去平衡金属将被不断溶解3.2.2标准电极电位第20页/共113页并非金属浸入溶液中都会带负电判断标准：u(1)金属离子的水化能金属晶格中离子与电子间的引力，金属表面带负电（锌、镁、铁）u(2)金属离子的水化能a，反应向pH值减小方向进行（H+浓度增加）平衡u当a，反应向pH值减小方向进行（H+浓度增加）平衡u当101325Pa时，直线在ab的下方；uPH2b，反应向pH值减小方向进行（H+浓度增加）平衡u当b，反应向pH值减小方向进行（H+浓度增加）平衡u当101325Pa时，直线在cd的上方
11、；uPO2还原方向的速度，发生氧化反应（3）若则电极反应还原方向的速度氧化方向速度，发生还原反应abcdpHab1233.4.3水的电位一pH平衡第76页/共113页abcdpHab？各各个个区区域域各各物物质的稳定性如何呢质的稳定性如何呢3.4.3水的电位一pH平衡第77页/共113页各物质的稳定性分析 ab是PH2=101.325kPa下,氢电极的平衡线。u若实际电位低于线a代表的平衡电位时，H+和H2的平衡破坏，为建立新的平衡，这时反应按还原方向2H+2eH2，溶液中pH值增大（OH-增多）水会分解。u若实际电位高于线a时，这时反应按氧化方向进行，H2H+，使溶液中氢离子活度增大，pH下
12、降。u即是说，图中线ab以上的区域是相应的电极反应中氧化态物质（H+）的稳定区，线a下方的区域是还原态物质（H2）的稳定区。abcdpHab3.4.3水的电位一pH平衡第78页/共113页线cd是相应于PO2=101.325kPa下氧电极的平衡线。若实际电位高于线b所示的平衡电位时，O2和H2O的平衡破坏，电极反应向氧化方向进行，水趋于氧化会分解，若氧的分压不变，则溶液pH降低。若实际电位低于线b时，这时反应按还原方向进行，氧与，氢离子结合生成水，使溶液中pH升高。即是说，图217中线b以上的区域是相应的电极反应中氧化态物质（O2）的稳定区，线b下方的区域是还原态物质（H2O）的稳定区。abc
13、dpHab3.4.3水的电位一pH平衡第79页/共113页结论？abcpHab3.4.3水的电位一pH平衡第80页/共113页结结论论1 1：线a与线b之间代表：电位反应之间会自发地发生氧化还原反应过程氧化态还原态还原态氧化态u线a线b的距离愈大，表示两线所代表的两个电极反应体系所组成的原电池的电动势愈大，则电池反应的自由能降低愈多，电池反应发生的可能性愈大。abcdpHab3.4.3水的电位一pH平衡第81页/共113页结论结论2 2：应用在pH平衡图:在电位pH平衡图上电位较高的线和电位较低的线所代表的电极反应之间会自发地发生氧化还原反应过程。abcdpHab3.4.3水的电位一pH平衡第
14、82页/共113页目录3.2电化学基础知识 3.3腐蚀电化学3.1腐蚀化学 3.4电位-pH图3.4.1概念及意义3.4.2电位-pH图中曲线的三种类型3.4.3水的电位一pH平衡3.4.4金属-水体系的电位-pH平衡图3.4.5电位-pH平衡图的应用3.4.6电位pH图的局限性3.4.7极化与去极化作用3.4.8影响腐蚀速度的因素第83页/共113页u从电位-pH图中综览金属、溶液、可溶性金属离子以及难溶的金属氧化物或氢氧化物之间的各种平衡关系了解到金属腐蚀情况，并据此提出防护措施。u只有1种价态的金属-水体系的电位-pH平衡图较简单。u能以几种不同价态化合物的金属-水体系的电位-pH平衡图
15、较复杂（如铁）3.4.4金属-水体系的电位-pH平衡图第84页/共113页u根据有关物质的标准吉氏自由能值（见表2-6），计算25C时各反应的平衡条件关系式（P37-P38）u由反应平衡条件关系式可知，凡有离子参加的反应，其平衡电位或溶液的pH值还受离子活度大小的影响。u选定要考虑的平衡固相，在电位-pH坐标系中画相关的电化学或化学反应的平衡关系式的线，就可以作出该体系的电位-pH平衡图。Fe-H2O体系的电位-pH图第85页/共113页Fe-H2O体系的电位-pH图25C时Fe-H2O体系的电位-pH图（平衡固相：Fe，Fe3O4，Fe2O3）反应方程式的顺序号25C时Fe-H2O体系的电位
16、-pH图（平衡固相：Fe,Fe(OH)2,Fe(OH)3）可溶性离子的平衡活度的常用对数值线代表两种物质间的平衡条件u热力学稳定性：Fe(OH)2和Fe(OH)3光滑）5 5介质的介质的pHpH值值（具体情况具体分析）6 6溶液成分溶液成分（具体情况具体分析）7 7温度温度一般来说T腐蚀加剧（增加反应速度）3.4.8影响腐蚀速度的因素第111页/共113页8 8压力压力 P腐蚀加剧（电化学过程中气体溶解度随压力而）9 9溶液运动速度溶液运动速度v腐蚀加剧（加强物质对流与扩散，加强腐蚀产物的去除和冲坏保护膜）1010设备结构的影响设备结构的影响 设备或管线的死角处引起积液，积垢，局部过程1111杂散电流杂散电流电蚀电蚀3.4.8影响腐蚀速度的因素第112页/共113页感谢您的观看！第113页/共113页