第4章氧化还原反应与电化学选读.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 金属腐蚀直接或间接地造成巨大的经济损失，估计世界上每年由于腐蚀而报废的钢铁设备相当于钢铁年产量的 30% 左右，甚至还会引起停工停产、环境污染、危及人生安全等严重的事故。但金属腐蚀有时也会给人类带来加工方便等可利用之处。 金属腐蚀的普遍性与危害 金属和周围介质发生化学或电化学作用而引起破坏叫金属腐蚀。 金属腐蚀是自发的过程，腐蚀现象十分普遍。 4.4.2 金属的腐蚀与防护 金属腐蚀的本质都是金属原子失电子被氧化的过程。 * 根据金属腐蚀过程的不同特点和机理，可将其主要划分为： 1. 腐蚀的分类 化学腐蚀 电化学腐蚀 * 化学腐蚀 例如干燥的空气中的 O2，H2S，SO2，Cl2 等物质与电气、机械设备中的金属接触时，在金属表面生成相应的氧化物、硫化物、氯化物等，都属于化学腐蚀。 单纯由化学作用而引起的腐蚀称为化学腐蚀。 它发生在非电解质溶液中或干燥的气体中，在腐蚀过程中不产生电流。 * 金属与高温水蒸气发生反应，这是造成锅炉和管道严重腐蚀的重要原因之一： 如：金属与高温水蒸气反应 在反应中生成一层由 FeO，Fe2O3，Fe3O4 组成的氧化皮，同时还产生了氢气。 * 钢铁中的渗碳体(Fe3C)可以与高温水蒸气反应，产生脱碳现象： 脱碳现象 这些反应都是可逆反应。在高温下，虽然正反应的Δ rGm 值比常温时有所增加，但仍远小于零，即平衡强烈地偏向右边。 在渗碳体与水蒸气的反应中，渗碳体从邻近的尚未反应的区域不断迁移到钢铁表面，使钢材内部的 Fe3C逐渐减少，形成脱碳层。 图 工件表面氧化脱碳层 脱碳层 工 件 氧化层 * 氢脆 由于脱碳反应及其它氧化还原反应生成的氢因扩散渗入钢铁内部，使钢铁产生脆性，这就是所谓的氢脆。钢的脱碳和氢脆会造成钢的表面硬度和内部强度的降低，造成危害。 * 2.金属的电化学腐蚀 金属的电化学腐蚀与原电池作用在原理上没有本质的区别。但通常把引起腐蚀的原电池称为腐蚀电池。 由于形成了原电池而引起的腐蚀称为电化学腐蚀。 习惯上把腐蚀电池中发生氧化(即失电子)反应的电极称为阳极（负极），阳极是电极电势较小的电对，其还原态易失电子；把发生还原（即得电子）反应的电极称为阴极（正极），阴极是电极电势较大的电对，其氧化态易得电子。 (1)腐蚀电池 电化学腐蚀，常见的有析氢腐蚀和吸氧腐蚀。 在酸洗或用酸浸蚀某种较活泼金属的工艺过程中常发生析氢腐蚀。特别是当钢铁制件暴露于潮湿空气中时，由于表面的吸附作用，就使钢铁表面覆盖了一层极薄的水膜。空气中含有较多的 CO2，NO2，SO2 等酸性气体溶解在水膜中，使其呈酸性。此时铁（相对活泼的金属）作为腐蚀电池的阳极发生失电子的氧化反应；碳或其他比铁不活泼的杂质作阴极，H＋在这里接受电子发生得电子的还原反应： (2)析氢腐蚀：酸性介质中 生成的Fe(OH)2在空气中氧化成棕色铁锈Fe2O3·x H2O。由于腐蚀过程中有氢气析出，所以称为析氢腐蚀。 总反应　　　　　Fe + 2 H2O ＝ Fe(OH)2+ H2 ↑ 阴极（杂质） 2 H+ + 2e– ＝ H2 ↑ 阳极（Fe） Fe － 2e－ ＝ Fe2+ Fe2+ +2OH-＝ Fe(OH) 2 * (3)吸氧腐蚀 当金属发生吸氧腐蚀时，阳极仍是金属（如Fe）失电子被氧化成金属离子（如Fe 2＋），但阴极杂质就成为氧电极了。在阴极，主要是溶于水膜中的氧分子得电子被还原，反应式如下： 阳极 (Fe) 2 Fe － 4e－ ＝ 2 Fe2+ 阴极 (杂质) O2 + 2 H2O + 4 e－ ＝ 4 OH－ 总反应　 2 Fe + O2 + 2 H2O ＝ 2 Fe(OH)2 在弱酸性或中性条件下钢铁发生吸氧腐蚀。 * 然后Fe(OH)2进一步氧化为Fe2O3·x H2O。这种在中性或弱酸性介质中发生“吸收”氧气的电化学腐蚀称为吸氧腐蚀。 E(O2/OH–)可用能斯特方程计算,其值要比 E(H+/H2) 值大得多,更容易满足 E(O2/OH–)＞E(Fe 2+/Fe)，生成的 Fe(OH)2 在空气中不稳定,会被继续氧化成 Fe(OH)3，继而转成为Fe2O3·x H2O。 大多数金属的电极电势比 E(O