金属点蚀电位的测定

金属点蚀电位的测定
一．实验目的
1.测定多种不同条件下不锈钢和不锈铁的点蚀电位；
2.掌握循环伏安法的基本操作。

二．实验原理
金属材料受周围介质的作用而损坏,称为金属腐蚀。

金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态。

腐蚀时,在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应,使金属转入氧化(离子)状态.这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能,破坏金属构件的几何形状,增加零件间的磨损,恶化电学和光学等物理性能,缩短设备的使用寿命,甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。

美国1975年因金属腐蚀造成的经济损失为700亿美元,占当年国民经济生产总值的4.2％。

据统计,每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的10~20%。

金属腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算。

因此我们有必要建立一套金属容易腐蚀程度的评判标准，即点蚀电位，通常点蚀电位越高，金属越难腐蚀。

点蚀电位可以通过电化学方法测定，电化学工作站为电化学实验提供了操作平台。

电化学工作站本质上就是用于控制和监测电化学池中电流和电位以及其它电化学参数变化的仪器装置。

电化学工作站通常由恒电位仪、信号发生器、记录仪器以及电解池系统组成。

电解池常含三个电极：工作电极、参比电极和辅助电极。

恒电位仪可以通过反馈系统自动调节流过工作电极和辅助电极之间的电流，从而控制工作电极和参比电极之间的电位。

恒电位仪由运算放大器构成。

本实验在上海华辰仪器有限公司生产的电化学工作站CHI820上进行，我们分别取不锈钢和不锈铁为实验对象，采用循环伏安法在四种不同的溶液体系中测定其点蚀电位，比较其抗腐蚀能力。

四种溶液体系分别为：a.0.5M HAC和0.10M KOH的混合溶液，模拟的是钢筋混凝土体系；b.0.5M HAC和0.10M KBr的混合溶液，模拟的是海水体系；c.0.5M HAC、0.10M K2Cr2O4的混合溶液；d.0.5M HAC和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的混合溶液。

循环伏安法是对指示电极施加等腰三角波电位（如图1），起始电位E0开始沿某一方向变化，到达终止电位E t后,又反方向回到起始电位，得到的i-E曲线（如图2）包括两个部分。

如果前半部扫描是反应物在电极上被氧化的阳极过程，在后半部扫描过程中是氧化产物又重新被还原的阴极过程，因此一次三角波扫描，完成一个氧化和还原过程的循环，故称循环伏安法。

循环伏安曲线的两个峰电流的比值以及两个峰电位的值是循环伏安法中
最为重要的参数。

正向扫描时，电位从E1扫到E2，反扫时电位从E2扫到E1 E pc E p a分别为阴极峰值电位与阳极峰值电位。

i pc i pa分别为阴极峰值电流与阳极峰值电流。

这里P代表峰值，a代表阳极，c代表阴极。

循环伏安扫描时的电位范围确定的基本要求是建立在对背景（电化学窗口）扫描的基础上的。

换句话说，背景扫描应为一条稳定的基线。

基线的特征应主要表现为电极表面的电容特性。

它与电极的性质，表面粗糙度，电极表面积以及设定的灵敏度相关。

循环伏安法可用于研究化合物电极过程的机理、双电层、吸附现象和电极反应动力学．成为最有用的电化学方法之一。

循环伏安法可用来判断电极过程的可逆性，如果电极反应的速率常数很大，同一电极反应在阳极和阴极两个方向进行的速度相等，而且符合Nernst方程，则得到上下两支曲线基本对称的伏安图，其两个峰电位之差为58/n mV，阳极电流与阴极电流之比为1，这是可逆体系的基本特征。

若电极反应速率常数小，偏离Nernst 方程，两峰电位之差大于58/n mV，不可逆性增大。

两峰电位之差愈大愈不可逆。

图1 三角波电位图图2 循环伏安曲线图
三．实验仪器与药品
CHI820电化学工作站、不锈钢和不锈铁电极、饱和甘汞电极、铂电极、砂纸
四．实验步骤
1.按照要求配好四种溶液，分别为a，b，c，d。

2.搭好三电极体系（白色接头接参比电极、绿色接头接工作电极，红色接头接对电极），工作电极在使用之前需用砂纸打磨，每次测量之间也需用砂纸打磨电极；
3.打开电化学工作站，在Technique里选择Cyclic V oltammetry（循环伏安法），点击OK，随后，在Parameter里设置实验参数。

本实验中，不锈钢的扫描范围是[-0.3,1.3]，不锈铁的
扫描范围是[-0.6,0.5]，扫描速率均为0.05V/s ，灵敏度选择1.e-003，点击OK ，然后点击Run ，开始运行实验，保存下所测的8组数据；
4.结束实验，关机。

五．实验结果与讨论
1. 不锈钢在四种溶液中的循环伏安图
-0.4-0.20.00.20.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6
-0.001
0.000
0.001
0.002
0.0030.0040.005
0.006
0.007
C u r r e n t /A Potential/V K 2CrO 4+HAC KBr+HAC
KOH+HAC
表面活性剂+HAC 不锈钢在各溶液中的循环伏安图
从图1上可以看到，不锈钢在含有K 2Cr 2O 4溶液、KBr 溶液、KOH 溶液、和表面活性剂中的点蚀电位为分别为0.57V 、0.14V 、0.42V 、0.03V ；点蚀电位从大到小为K 2Cr 2O 4溶液、KOH 溶液、KBr 溶液、表面活性剂。

说明前者抗腐蚀能力强从K 2Cr 2O 4到表面活性剂依次减弱。

说明了Br -对不锈钢的腐蚀要大于OH -对不锈钢的腐蚀； K 2Cr 2O 4的点蚀电位明显比其它的溶液的高，是因为其强氧化性使得不锈钢表面氧化形成一层氧化膜，使之不易被进一步腐蚀；而溶液d 加入了十六烷基三甲基溴化铵中点蚀电位为最低，这是因为十六烷基三甲基溴化铵是一种表面活性剂，它可能促进了不锈钢的腐蚀。

2.不锈铁在四种溶液中的循环伏安图
-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6
0.000
0.001
0.0020.003
0.004
0.005 K 2CrO 4+HAC
KBr+HAC
KOH+HAC
表面活性剂+HAC C u r r e n t /A Potential/V
不锈铁在各溶液中的循环伏安图从图2 我们可以看到，不锈钢在含有K 2Cr 2O 4溶液、KBr 溶液、KOH 溶液、和表面活性剂中的点蚀电位为分别为0.15V 、-0.41V 、-0.35V 、-0.53V ，其变化规律和引起的原因均和不锈钢一致。

此外，比较同种溶液中不锈钢和不锈铁的点蚀电位我们可以发现，不锈钢的点蚀电位总是明显高于不锈铁，这说明在我们实验的四种溶液中，不锈钢的抗腐蚀能力要明显强于不锈铁。