材料的化学性质详解.ppt

* * 金属的电化学腐蚀的3个要素 标准电极电位及电化学腐蚀倾向的热力学判据 腐蚀速度以及电极极化 腐蚀的概念和分类 陶瓷材料的腐蚀 高分子材料的老化 第十四章 材料的化学性质-腐蚀 在环境因素（如大气、海水、土壤、光照、高温、应力等）作用下，金属与陶瓷腐蚀和高聚物的老化。 每年腐蚀生锈的钢铁约占产量的20%，约有30%的设备因腐蚀而报废。 --- 生活中的腐蚀现象 腐蚀及其分类 腐蚀：材料在周围介质的作用下，因化学反应、电化学反应或物理溶解产生的破坏。 （1）化学腐蚀 金属在干燥气体中的腐蚀，如飞机发动机燃烧室内壁、火焰筒等。 是指材料与周围介质直接发生化学反应，但反应过程中不产生电流的腐蚀过程。 （2）电化学腐蚀 如金属或合金在各种电解质溶液中的腐蚀、海水腐蚀和土壤腐蚀等, 最普遍的腐蚀类型。 是指金属与离子导电性介质发生电化学反应，反应过程中有电流产生的腐蚀过程。 （3） 物理腐蚀 是指因单纯的物理溶解而产生的腐蚀。 如钢铁在液态锌中的溶解。 金属的电化学腐蚀---原电池 通过氧化还原反应将化学能转变 为电能的装置叫做原电池。 ? 发生氧化反应的电极--阳极 ? 发生还原反应的电极--阴极 ? 电池中阴极电位高--正极 ? 阳极电位低--负极 若氧化反应与还原反应速度相等，处于动态平衡状态，称为平衡电位φ 两个电极之间的开路电压叫做原电池电动势, E 标准电极电位 单个电极体电位无法测定，只能测定不同电极之间的电位差。 以标准氢电极作为一个参比电极，电位为零，测得的原电池电动势作为该电极的标准电极电位。 铂片浸入活度为1电解质溶液，通入压力为101325 Pa 氢气。 标准电极电位序（25℃） 只能导致金属材料受损而不能对外作有用功的短路原电池定义为腐蚀电池==金属的电化学腐蚀本质。 腐蚀电池和电化学腐蚀 阳极、阴极、 电解质溶液 (1) 阳极反应 ?金属离子化进入溶液 (2) 阴极反应 ?电解质溶液中物质吸收从阳极流过来的电子 ①析氢反应 ②吸氧反应 ③ 高价金属离子的还原反应 ④ 金属的沉淀反应 (3)电流的流动 腐蚀电池的3要素： 腐蚀电池的3要素： 同种金属在同种溶液中构成的腐蚀电池 某些部位为阳极，某些部位为阴极。 金属是导体，构成通路。 腐蚀电池 宏观腐蚀电池，电极肉眼可见 微观腐蚀电池，组成或组织结构不均匀而构成 电化学腐蚀倾向的热力学判据 腐蚀是一种自发氧化的过程，△G＜0。 电化学腐蚀的热力学判据是电化学反应△G＜0 电化学反应体 系自由能变化： E为原电池电动势 F为法拉第常量, 96 500C/mol n为参加电池反应的电子数 必要条件为E 0: 常利用标准电极电位作为电化学腐蚀倾向的热力学判据。 例 铜在下列溶液中能否腐蚀？铜标准电极电位为0.337V ① 无氧硫酸溶液中；② 含氧硫酸溶液中 ① 可能阳极反应 Cu → Cu2+ + 2e-，阴极反应2H+ + 2e-→ H2 E = (0 – 0.337) V = - 0.337V＜0。 无腐蚀倾向。 ② 可能的阴极反应O2 + 2H+ → H2O的电极电位为+1.229 V， E= (1.229 – 0.337) V = 0.892 V 0。 铜有腐蚀倾向。 非标准条件下金属的平衡电极电位 温度和电解质中离子浓度变化的影响 能斯特(Nernst)方程 ? a为电解质溶液中金属离子的活度；R为摩尔气体常量； ? T为热力学温度；n为参加电极反应的电子数；F为法拉第常量。 ←平衡电位 腐蚀速率 (1) 均匀腐蚀的速率测定 腐蚀速率 g/(m2?h ) m0和m1为腐蚀前、后的质量(g) S为试样表面积(m2)；t为腐蚀时间(h) 质量的变化可以是失重，也可以是增重。 (2)工程材料腐蚀的速率测定 单位时间内的腐蚀深度δL来表示腐蚀速率。mm / a。 ? 腐蚀速率v与腐蚀深度δL的换算关系: ρ为试样密度（g/cm3） (3)电化学腐蚀中金属的腐蚀速率 J为腐蚀电流密度（A/cm2）； Ar为金属的相对原子质量 mg/(cm2?s) n为参与电化学反应的电子数； F为法拉第常量（ F＝96 500 C/mol） 腐蚀速率与电极极化 影响金属电化学腐蚀速率的 主要因素是电极的极化性能。 (1) 活化极化 反应需要活化能 阳极： Mn+进入溶液的反应速度小于电子 由阳极通过导线流向阴极的速度。 (2) 浓差极化 Mn+向溶液中的扩散速度不够快，阳 极附近Mn+浓度增高，阻碍阳极溶解。 (3) 电阻极化 Mn+通过金属表面氧化膜进入溶液 时，都有很大的电阻，产生电压降。 电极极化减小腐蚀电流降低金属的腐蚀速率。 电池极化 金属的钝化 易腐蚀的金属和合金失去它们的反应活性而变得稳定耐蚀的现象叫做钝化。 由活化状态转入钝化状态腐蚀速率可降低4～6个