金属电化学腐蚀过程动力学全解
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第3章电化学腐蚀动力学
R O ne i
i0
则： A a A bA lg i A
C aC bC lg iC
lgi
二、活化极化控制下的腐蚀速度表达式
Zn Zn +2e
2+
i1
i2
H 2 2H +2e
i2
i1
i1 i2 i2 i1
1 0
假设极化电位远距离两个平衡电位，则 (极化电位 总是从腐蚀电位 corr开始)
iC 外
2 i0 exp[
i1
i2
可以忽略
2 2.3( 0,2 ) 2.3( 0,1 ) 1 i2 i1 i0 exp[ ] i0 exp[ ] bC 2 bA1 bC 2
1 0
或者
icorr
2.3( corr 0,2 ) 2.3( corr 0,2 ) i exp[ ] exp[ ] bC 2 bA 2
2 0
2.3 C 2 2.3 C 2 i exp( ) exp( ) bC 2 bA 2
2 0
如果 corr 远距两个平衡点位，则
i1 i2
可以忽略
icorr
2.3( corr 0,1 ) 2.3( corr 0,1 ) i exp[ ] exp[ ] bA1 bC 1
1 0
2.3 A1 2.3 A1 1 2.3 A1 i exp( ) exp( ) i0 exp( ) bA1 bC 1 bA1
0.0591 4
0.21 10 7 4
0.805V(SHE)
第四章电化学腐蚀反应动力学详解
面的因素：
a）腐蚀的驱动力——腐蚀电池的起始电势差 0,C 0, A
b）腐蚀的阻力——阴、阳极的极化率 PC 和 PA ，以及欧姆电阻 R
三项阻力中任意一项都可能明显地超过另两项，在腐蚀过程中对速度起 控制作用，称为控制因素。利用极化图可以非常直观地判断腐蚀的控制 速度。
欧姆电势降与阴极（或阳极）极化曲线加和起来，如图中的 0,C A线， 然后与阳极极化曲线 0,AS 相交于A点，则点A对应的电流I1就是这
种情况下的腐蚀电流。
0,C 0,A C A I1R I1PC I1PA I1R
I1
0,C
PC
0,A
PA R
即
I corr
0,C 0,A
PC PA R
则阳极极化 阴极极化
A E Ei Ee （4.1a） c E Ee Ei （4.1b）
对不可逆电极存在一个稳态的电位Es，也使用电极极化一词。这时，极化值 的大小用类似式（4.1）的方程式表示
E Ei Es （4.2）
极化的结果：阴极极化使电极电位负移，阳极极化使电极电位正移。 当电流通过电极时，电极上产生两种相反的作用：
铜不溶于还原性酸，因为铜的平衡电势高于氢的平衡电势，不能形成氢阴极 构成腐蚀电池，但铜可溶于含氧酸或氧化性酸中，因为氧的平衡电势比铜高， 可构成阴极反应，组成腐蚀电池。酸中含氧量多，氧去极化容易，腐蚀电流 较大，而氧少时，氧去极化困难，腐蚀电流较小。见图4.10
铜在非含氧酸中是耐蚀的，但当溶液中含氰化物时，可与铜离子配合形成配 合离子，铜的电势向负方向移动，这样铜就可能溶解在还原酸中。见图4.10
图4.7 氧化性酸对铁的腐蚀
图4.8 金属平衡电极电位对腐蚀电流的影响
图4.9 钢在非氧化酸中的腐蚀极化图
a）腐蚀的驱动力——腐蚀电池的起始电势差 0,C 0, A
b）腐蚀的阻力——阴、阳极的极化率 PC 和 PA ，以及欧姆电阻 R
三项阻力中任意一项都可能明显地超过另两项，在腐蚀过程中对速度起 控制作用，称为控制因素。利用极化图可以非常直观地判断腐蚀的控制 速度。
欧姆电势降与阴极（或阳极）极化曲线加和起来，如图中的 0,C A线， 然后与阳极极化曲线 0,AS 相交于A点，则点A对应的电流I1就是这
种情况下的腐蚀电流。
0,C 0,A C A I1R I1PC I1PA I1R
I1
0,C
PC
0,A
PA R
即
I corr
0,C 0,A
PC PA R
则阳极极化 阴极极化
A E Ei Ee （4.1a） c E Ee Ei （4.1b）
对不可逆电极存在一个稳态的电位Es，也使用电极极化一词。这时，极化值 的大小用类似式（4.1）的方程式表示
E Ei Es （4.2）
极化的结果：阴极极化使电极电位负移，阳极极化使电极电位正移。 当电流通过电极时，电极上产生两种相反的作用：
铜不溶于还原性酸，因为铜的平衡电势高于氢的平衡电势，不能形成氢阴极 构成腐蚀电池，但铜可溶于含氧酸或氧化性酸中，因为氧的平衡电势比铜高， 可构成阴极反应，组成腐蚀电池。酸中含氧量多，氧去极化容易，腐蚀电流 较大，而氧少时，氧去极化困难，腐蚀电流较小。见图4.10
铜在非含氧酸中是耐蚀的，但当溶液中含氰化物时，可与铜离子配合形成配 合离子，铜的电势向负方向移动，这样铜就可能溶解在还原酸中。见图4.10
图4.7 氧化性酸对铁的腐蚀
图4.8 金属平衡电极电位对腐蚀电流的影响
图4.9 钢在非氧化酸中的腐蚀极化图
腐蚀电化学原理、方法及应用第3章金属腐蚀动力学
交换电流密度的意义
• i 0数值很大，表明电极上可以通过很大的外 电流，而电极电位改变很小，表明这种电 极反应的可逆性大；
i 0数值很小，说明电极上只要有少量的外电流 通过，就会引起电极电位较大的改变，表明这 种电极反应的可逆性小，
意义：可以根据交换电流密度的大小估计某一 电极的可逆性以及衡量电化学平衡到达的速度。
=Q / StnF =It / StnF = i / nF
V与电流密度的关系
i = nFv
i 的单位: A/m2 ，v 的单位: mol/m2s， F = 96500C/mol
电极上的电流密度与化学反应速度成正比 • 常用电流密度(单位电极截面上通过的电流，SI单
位为Am-2)来表示电化学反应速度的大小。
3.1.3 交换电流密度
• 如果电极上没有净电流通过，电极处于平衡状态， 其电极电位为平衡电位Ee。
O + ne
R
此平衡电位下，阴极反应速度和阳极反应速度相等，
方向相反，即
i i i0
交换电流密度
• 在平衡状态下，同一电极上大小相等、方 向相反的电流密度称为交换电流密度，简 称交换电流，以i0表示。
• 电极的两种状态
1. 平衡状态 电学极参反数应)。处氧于化平方衡向状和态还，原其方电向位的为反平应衡速电度位相E等e(热，其力 大小称为交换电流密度，记为i0。
i0 i i
• 2.极化状态 对电极系统通入外电流，电极反应的平衡状态被打 破叫极，化电电位流偏。离平衡电位Ee达到极化电位E。外电流又
• 对应于腐蚀电位的电流密度称为腐蚀电流密度或 腐蚀电流密度，用符号icorr表示。
• 平衡电极→平衡电位
• 非平衡电极→非平衡电位
第4章腐蚀动力学
第4章腐蚀动⼒学第四章电化学腐蚀动⼒学－1§4—1 电化学腐蚀速度与极化从热⼒学出发所建⽴起来的电位——pH图只能说明⾦属被腐蚀的趋势，但是在实际中需要解决的问题是腐蚀速度。
⼀. 腐蚀速度。
腐蚀速度的表⽰⽅法有三种。
1. 重量法：⽤腐蚀前后重量变化（只⽤均匀腐蚀，⾦属密度相同）增重法：V+ =(W1-W0)/S0t (g/m2h)失重法：V-=(W0-W1)/S0t (g/m2h)式中：W0——式样原始重量。
W1——腐蚀后的重量（g,mg）S0——经受腐蚀的表⾯积(m2) t——经受腐蚀的时间（⼩时）2. 腐蚀深度法（均匀腐蚀时，⾦属密度不同）可⽤此法表⽰。
D深=V±/d =(W1-W0)/S0td (mm/年) 式中d为⾦属密度⼒学（或电阻）性能变化法。
（适⽤于晶间腐蚀，氢腐蚀等）Kσ=（σbo-σbˊ）/σbo×100% K R =(R1-R0)/R0×100%σbo,R0——式样腐蚀前的强度和电阻σbˊ,R1——式样腐蚀后的强度和电阻3. ⽤阳极电流密度表⽰V¯=Icorr×N/F =3.73*10¯4 Icorr×N (g/m2h)F——法拉第常数96500KN——⾦属光当量=W/n =⾦属原⼦量/⾦属离⼦价数⼆. 极化上⼀章讨论了⾦属电化学腐蚀的热⼒学倾向，并未涉及腐蚀速度和影响腐蚀速度的因素等⼈们最为关⼼的问题。
电化学过程中的极化和去极化是影响腐蚀速度的最重要因素，研究极化和去极化规律对研究⾦属的腐蚀与保护是很重要的。
⾦属受腐蚀的趋势⼤⼩是由其电极电位决定的，将两块不同⾦属置于电解质中，两个电极电位之差就是腐蚀原动⼒。
但是这个电位差数值是不稳定的，当电极上有电流流过时，就会引起电极电位的变化。
这种由于有电流流动⽽造成电极电位变化的现象称为电极的极化。
电极的极化是影响腐蚀速度的重要因素之⼀。
（⼀）极化现象。
腐蚀动力学
（2）搅拌溶液或使溶液流速增加，会减小扩散 层厚度，增加极限电流，因而加速腐蚀。 （3）升高温度，会使扩散系数增加，使腐蚀速 率增加。
阴极过程为浓差极化控制 时的腐蚀金属的阳极极化 曲线方程式：
2.3EAP iA外 =icorr [exp( ) 1] bA
阴极过程为浓差极化控制的 腐蚀极化图
极化是电极反应的阻力，其本质是电极过 程存在某些较慢步骤，限制了电极反应速度。
2、极化的原因及类型 根据极化产生的原因极化可分为活化极化（电 化学极化）、浓差极化和电阻极化。
（1）电化学极化
由于电子的运动速度远远大于电极反应得失电子速 度而引起的。在阴极上有过多的负电荷积累，在阳极上 有过多的正电荷积累，因而出现了电极的电化学极化。 （2）浓差极化 阳极溶解得到的金属离子，将会在阳极表面的液层 和溶液本体间建立浓度梯度，金属离子向溶液本体扩散， 如果扩散速率小于金属的溶解速率，阳极附近金属离子 浓度会升高，产生浓差极化。
金属发生自腐蚀时，腐蚀过程中总的氧化 反应速率（氧化反应的电流）等于总的还 原反应的速率（还原反应的电流），即
i i
上式对多电极体系同样适用。源自混合电位理论的应用测定腐蚀速率的电化学方法
一、塔菲尔（Tafel）直线外推法 条件： （1）电化学极化控制的腐蚀体系； （2）强极化 用途： （1）测腐蚀体系的icoor、Eoor （2）测动力学参数bA和bC （3）研究缓蚀剂对动力学参数的影响， 确定缓蚀机理，筛选缓蚀剂。
由阳极或阴极塔菲尔直线外推与Ecorr水平直线相交求腐蚀速度
二、 线性极化法 用途： （1）测定金属在电解液中的均匀腐蚀速 率； （2）研究各种因素对腐蚀的影响，评定 耐蚀性； （3）研究缓蚀剂； （4）现场监测使用。
第一章 金属腐蚀的基本原理
O2+4H++4e→2H2O
氧化性的金属离子，产生于局部区域，虽然较少见，但能 引起严重的局部腐蚀。 一种是金属离子直接还原成金属，称为沉积反应，如锌 在硫酸铜中的反应 Zn+Cu2+→Zn2++Cu↓ 阴极反应 Cu2++2e→Cu↓ 另一种是还原成较低价态的金属离子，如锌在三氯化铁 溶液中的反应 Zn+2Fe3+→Zn2+2Fe2+ 阴极反应 Fe3++e→Fe2+
1、什么是原电池？举例说明并阐述工作机理。
原电池（丹尼尔电池） 是利用两个电极的电极 电势的不同，产生电势差， 从而使电子流动，产生电流。 又称非蓄电池，是电化学电 池的一种。其电化学反应不 能逆转，即是只能将化学能 转换为电能。简单说就即是 不能重新储存电力，与蓄电 池相对。需要注意的是，非 氧化还原反应也可以设计成 原电池。
试验表明，70%的硝酸可使铁表面形成保护膜，使它在后来 不溶于35%的硝酸中，但当表面膜一旦被擦伤，立即失去保护作 用，金属失去钝性。此外，如果铁不经70%的硝酸处理，则会受 到35%硝酸的强烈腐蚀。 当金属发生钝化现象之后，它的腐蚀速度几乎可降低为原 来的1/106～1/103，然而钝化状态一般相当不稳定，像上述试验 中擦伤一下膜就受到损坏。因此，钝态虽然提供了一种极好的 减轻腐蚀的机会，但由于钝态较易转变为活态，所以必须慎重 使用。
船舶腐蚀防护措施
船舶的防护直接关系到船舶的使用寿命和航行安全。船舶 的防护包括合理选材、合理设计结构、表面保护（涂层保护、 金属喷涂层、金属包覆层、衬里）、阴极保护等。船体防护系 统是保护船体免受腐蚀侵害的系统，主要有两大系统组成：防 腐蚀涂漆系统和外加电流或牺牲阳极的阴极保护系统。 1．防腐蚀涂料技术
材料腐蚀与防护-第四章-电化学腐蚀动力学
• 分类：表观极化曲线和理想极化曲线。 • *理想极化曲线----以单电极反应的平衡电位作为起始 电位的极化曲线。 • *表观极化曲线或实测极化曲线---- 由实验测得的腐蚀 电位与外加电流之间关系曲线。 • • 注意：表观极化曲线的起始电位只能是腐蚀电位而不 是平衡电极电位。
在金属腐蚀与防护研究中，测定金属电极表观极化曲线是 常用的一种研究方法。
第一节 第二节 第三节 第四节
本章主要内容 极化现象 极化 去极化 腐蚀极化图
第一节 极化
• 问题：因为具有很大腐蚀倾向的金属不一定必然对应着高 的腐蚀速度。 如：Al的平衡电极电位很负，从热力学上看它的腐蚀倾向很 大，但在某些介质中铝却比一些腐蚀倾向小的金属更耐蚀 。 • 因此，认识电化学腐蚀动力学规律及其影响，在工程上具 有更现实的意义。
2.2 去极化的方法： • 在溶液中增加去极剂（H+、O2-等）的浓度、升温、搅拌 以及其他降低活化过电压的措施，都将增强阴极去极化作 用； • 在溶液中加入络合物或者沉淀剂，它们会与金属离子形成 难溶的络合物或沉淀物，不仅可以使金属表面附近溶液中 的金属离子浓度降低，并能一定程度地减弱阳极极化作用 。 • 在溶液中升温、搅拌等均会加快金属离子进入溶液的速度 ，从而减弱阳极极化作用。 • 如果在溶液中加入某些活性阴离子，就有可能使已经钝化 的金属重新处于活化状态。
2）确定金属的腐蚀速度 • 利用极化曲线外延法求自腐蚀电流Icorr ，一种电化学技术 确定金属腐蚀速度的方法之一。
3.3 腐蚀速度计算及耐蚀评价
• 1）腐蚀速度计算 • 用腐蚀电池的腐蚀电流表征 • 电化学腐蚀过程严格遵守电当量关系。即一个一价的金属 离子在阳极区进入溶液，必定有一个一价的阴离子在阴极 获得一个电子；一个二价的金属的金属离子在阳极区进入 溶液，也必然有一个二价或两个一价的阴离子或中性分子 在阴极取走两个电子，如此类推。 • 金属溶解的数量与电量的关系遵循法拉第定律，即电极上 溶解（或析出）1mol的物质所需的电量为96500c,因此， 已知腐蚀电流或电流密度就能计算出所溶解（或析出）物 质的数量。
第4章腐蚀动力学
第四章电化学腐蚀动力学－1§4—1 电化学腐蚀速度与极化从热力学出发所建立起来的电位——pH图只能说明金属被腐蚀的趋势，但是在实际中需要解决的问题是腐蚀速度。
一. 腐蚀速度。
腐蚀速度的表示方法有三种。
1. 重量法：用腐蚀前后重量变化（只用均匀腐蚀，金属密度相同）增重法：V+ =(W1-W0)/S0t (g/m²h)失重法：V=(W0-W1)/S0t (g/m²h)式中：W0——式样原始重量。
W1——腐蚀后的重量（g,mg）S0——经受腐蚀的表面积(m²) t——经受腐蚀的时间（小时）2. 腐蚀深度法（均匀腐蚀时，金属密度不同）可用此法表示。
D深=V±/d =(W1-W0)/S0td (mm/年) 式中d为金属密度力学（或电阻）性能变化法。
（适用于晶间腐蚀，氢腐蚀等）Kσ=（σbº-σbˊ）/σbº×100% K R =(R1-R0)/R0×100%σbº,R0——式样腐蚀前的强度和电阻σbˊ,R1——式样腐蚀后的强度和电阻3. 用阳极电流密度表示V¯=Icorr×N/F =3.73*10¯4 Icorr×N (g/m²h)F——法拉第常数96500KN——金属光当量=W/n =金属原子量/金属离子价数二. 极化上一章讨论了金属电化学腐蚀的热力学倾向，并未涉及腐蚀速度和影响腐蚀速度的因素等人们最为关心的问题。
电化学过程中的极化和去极化是影响腐蚀速度的最重要因素，研究极化和去极化规律对研究金属的腐蚀与保护是很重要的。
金属受腐蚀的趋势大小是由其电极电位决定的，将两块不同金属置于电解质中，两个电极电位之差就是腐蚀原动力。
但是这个电位差数值是不稳定的，当电极上有电流流过时，就会引起电极电位的变化。
这种由于有电流流动而造成电极电位变化的现象称为电极的极化。
金属腐蚀的热力学和动力学
•
Zn + 2H+ → Zn2+ + H2
μ (kJ/mol) 0 0 -147.40 0
（△G） T,P = - 147.40 kJ ＜0 (反应自发进行)
•
Fe + 2H+ → Fe2+ + H2
μ (kJ/mol) 0 0 -89.94 0
（△G）T,P = - 89.94 kJ ＜ 0 (反应自发进行) Zn 比Fe反应剧烈
•
Cu + 1/2 O2 + 2H+ → Cu2+ + H2O
μ (kJ/mol) 0 -1.94 0 65.06 -237.19
（△G） T,P = -170.19 kJ ＜ 0 (反应可自发进行) 这就解释了为什么同种金属在不同的腐蚀介质中表现出不同的腐蚀行为。
注意事项
• （ΔG）T,P值的大小只表示金属腐蚀倾向的大小，并不表示腐蚀速度的大小。 也就是说，具有较高负值的（ΔG）T, P也并不一定表示具有较高的腐蚀速度。 因为反应速度问题属于动力学范畴，它还取决于各种因素对反应过程的影响。
μ (kJ/mol):
0 -3.86 -237.19Fra bibliotek- 483.54 ΔG<0
• 3. 与空气接触的碱溶液，pH=14 ，pO2＝0.21atm
Fe＋1/2O2＋ OH－ → HFeO2 μ (kJ/mol): 0 -3.86 -158.28 -397.18 ΔG<0
• 例如，在25℃，105 Pa下，把Zn、Fe金属片分别浸入无氧的盐酸水溶液中，其腐蚀反应的自由能 变化为
这就提示我们：可以不计算△G ，根据电位数值大小，也可以判断腐蚀 反应的倾向。
第三章 电化学腐蚀动力学
二、腐蚀极化图
★ 极化现象是由于电极反应存在阻力 造成 的，对金属腐蚀有重要影响。
★ 电极电位随电流密度变化而改变， 通常把电极的电位与电流密度的关系绘 图来表示，称为腐蚀极化图。
1、极化曲线的测量
腐蚀电池的阴阳极 电位随电流的变化
腐蚀电池极化曲线测量装置示意图
电流随着电阻的减小而增大， 同时导致阴极和阳极发生极化， 即使阳极电位升高，阴极电位降 低，从而使两极间的电位差减小。
腐蚀金属的理论极化曲线与表观极化曲线
理论极化曲线: 金属腐蚀原电池的阳极、阴极过程极化曲 线。 表观极化曲线: 正在腐蚀的金属施加外电流或电位后会发 生极化，表示外电流与金属的电极电位的关 系的极化曲线。
表观极化曲线的测量方法有两种．恒电流法和恒 电位法，恒电流法是控制电流，测量电位，表示电 极电位是电流的函数E＝f(I)；恒电位法是控制电位， 测量电流，表示电流是电极电位的函数I=f(E)。目前 腐蚀极化图，多半采用以电位为纵坐标，以电流(或 电流密度)为横坐标。电流有普通直角坐标与对数坐 标两种。
3、 去极化
★消除或减弱引起电极极化的因素，促使电 极反应过程加速进行，习惯上称为去极化作 用。 例如存在浓差极化的情况下，搅拌溶液 可以加快相关物质的扩散，减小浓差极化； 提高温度可提高电极反应速率和物质的扩 散速率，从而降低活化极化和浓差极化； 溶液中的氧化剂如H+、O2等可使阴极极 化减弱，这些氧化剂也叫去极化剂。
（a）阴极控制
b）阳极控制
（c）混合控制
（d）欧姆控制
E
E Eea
Eቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
RPc
Eea
Icorr
（a）阳极初始电位负移
I
金属腐蚀学 -电化学腐蚀动力学4
电极 Ni/Ni2+ Sn/Sn2+ Pb/Pb2+ Fe/Fe3+ H2/H+ Cu/Cu2+ Cu/Cu+ Hg/Hg2+ Ag/Ag+ Pd/Pd2+ Pt/Pt+ Au/Au3+ Au/Au+
E0（SHE）/V -0.25 -0.136 -0.126 -0.036 0.0 +0.337 +0.521 +0.789 +0.799 +0.987 +1.2 +1.5 +1.7
H aH bH lg i
14
不同金属电极的影响主要反映在对aH的影响上
1）高ηH金属（aH=1.0-1.5V）：Pb, Cd, Hg, Ti, Zn, Bi, Sn 控制步骤：电极上H＋的迟缓放电；
2）中ηH金属（aH=0.5-1.0V）：Fe, Co, Ni, Cu, Ag 控制步骤：吸附H的电化学脱附；
3）电化学步骤（快）+ 电化学脱附（慢） 4）电化学步骤（慢）+ 电化学脱附（快）
缓慢放电 机理
电化学脱 附机理
6
2. 析氢过电位
析氢电位——在一定电流密度下（i1），氢在阴极
析出的电位（ E ） H /H2
氢过电位——在一定电流密度下，氢的平衡电位 Ee,H /H2
和析氢电位
E H
之间的差值
O2＋2H2O＋ 4e-4OH可能的反应机制：
O2＋ e- O2 O2 - ＋H2O ＋ e- HO2 - ＋ OH-
HO2 - ＋H2O ＋ 2e- 3OH-
27
在酸性溶液中，氧分子还原的总反应为 O2＋4H+＋ 4e-2H2O
电化学腐蚀动力学
20
§2.3 腐蚀电池及工作历程
工业用的金属总是含有少量的杂质，其电位常与金属不同。工业中常用 的合金往往是多相组成，不同相的电位往往也不一样。 当含杂质的金属或多相合金浸在某种电解质溶液中时，其表面会形成许
多由微小的阴极和阳极组成的短路原电池，常称为腐蚀微电池。
21
§2.3 腐蚀电池及工作历程
同时将等量的电子留在金属上；
通式： [ne-·Mn+] → [Mn+] + [ne-]
产物有两种：
可溶性离子，如
不溶性固体，如
➢ 阴极过程：从阳极通过外电路流过来的电子被来自电解质溶液且吸附
于阴极表面能够接受电子的物质，即氧化性物质吸收；
通式： [D] + [ne-] → [D· ne-]
常见的去极化剂（氧化剂）是 H+和O2
没有电流产生
Zn + H2SO4=ZnSO4 + H2
5
§2.1 引言
➢ 电化学腐蚀：是指金属材料和电解质溶液接触时，由于腐蚀电池作用而引 起的金属材料腐蚀破坏。其腐蚀规律遵循电化学腐蚀原理。
阳极：Zn-2e- =Zn2+ 阴极：2H+ +2e- =H2 ↑ 总反应：Zn+2H+ =Zn2+ +H2 ↑
36
§2.4 腐蚀电池的类型
如果微电池的阴、阳极位置不断变化，腐蚀形态是 全面腐蚀； 如果微电池的阴、阳极位置固定不变，腐蚀形态是 局部腐蚀。
37
§2.4 腐蚀电池的类型
亚微观腐蚀电池：亚微观(10-100Å) - 金属表面结构的 显微不均匀性， 阴、阳极无序，统计分布，交替变化
• 成分差异 • 晶体取向差异 • 晶界、异种夹杂物 • 晶格不完整、位错 • 界面溶液涨落 • 亚微观电化学不均匀 • 应力作用形成位错定向移动 – SCC • 交变力场作用 - 腐蚀疲劳等。
§2.3 腐蚀电池及工作历程
工业用的金属总是含有少量的杂质，其电位常与金属不同。工业中常用 的合金往往是多相组成，不同相的电位往往也不一样。 当含杂质的金属或多相合金浸在某种电解质溶液中时，其表面会形成许
多由微小的阴极和阳极组成的短路原电池，常称为腐蚀微电池。
21
§2.3 腐蚀电池及工作历程
同时将等量的电子留在金属上；
通式： [ne-·Mn+] → [Mn+] + [ne-]
产物有两种：
可溶性离子，如
不溶性固体，如
➢ 阴极过程：从阳极通过外电路流过来的电子被来自电解质溶液且吸附
于阴极表面能够接受电子的物质，即氧化性物质吸收；
通式： [D] + [ne-] → [D· ne-]
常见的去极化剂（氧化剂）是 H+和O2
没有电流产生
Zn + H2SO4=ZnSO4 + H2
5
§2.1 引言
➢ 电化学腐蚀：是指金属材料和电解质溶液接触时，由于腐蚀电池作用而引 起的金属材料腐蚀破坏。其腐蚀规律遵循电化学腐蚀原理。
阳极：Zn-2e- =Zn2+ 阴极：2H+ +2e- =H2 ↑ 总反应：Zn+2H+ =Zn2+ +H2 ↑
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§2.4 腐蚀电池的类型
如果微电池的阴、阳极位置不断变化，腐蚀形态是 全面腐蚀； 如果微电池的阴、阳极位置固定不变，腐蚀形态是 局部腐蚀。
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§2.4 腐蚀电池的类型
亚微观腐蚀电池：亚微观(10-100Å) - 金属表面结构的 显微不均匀性， 阴、阳极无序，统计分布，交替变化
• 成分差异 • 晶体取向差异 • 晶界、异种夹杂物 • 晶格不完整、位错 • 界面溶液涨落 • 亚微观电化学不均匀 • 应力作用形成位错定向移动 – SCC • 交变力场作用 - 腐蚀疲劳等。
第四章 电化学腐蚀动力学
（2）在溶液对流作用下，氧迁移到阴极表面
（3）在扩散层范围内，氧在浓度梯度作用下扩散到阴极表面，形 成吸附氧 （4）在阴极表面氧离子发生还原反应，氧的离子化
步骤（1）、（2）和（4）不成为控制步骤 通常步骤（3）速度最慢为控制步骤
吸氧腐蚀
吸氧腐蚀
氧的阴极反应的极化曲线
1
2 3
吸氧腐蚀
氧的阴极反应的极化曲线
阳极浓差极化（扩散步骤）
阳极溶解产生的金属离子，首先进入阳极表面附近的液层中，使 之与溶液深处产生浓度差。由于阳极表面金属离子扩散速度制约，阳 极附近金属离子浓度逐渐升高，相当于电极插入高浓度金属离子的溶 液中，导致电势变正，产生阳极极化。
阳极电阻极化
当金属表面有氧化膜，或在腐蚀过程中形成膜时，膜 的电阻率远高于基体金属，则阳极电流通过此膜时，使电 势显著变正，由此引起极化。 *通常只在阳极极化中发生
阴极极化原因
1 阴极活化极化
当阴极还原反应速率小于电子进入阴极的速率 电子在阴极堆积，电子密度增高 使阴极电位向负的方向移动，产生阴极极化
2 阴极浓差极化
*为什么阴极浓差极化比阳极浓差极化更加显著?（问题）
二、极化现象的本质
电子迁移的速度大于电极反应及相关步骤完成的速度 在阳极上，电子迅速转移，致使金属离子过剩从而在阳极上积
对流、扩散和电迁移
3 电迁移
对于带电荷的粒子，如果溶液中存在电场，在电场作用下将沿着 一定方向移动。
（2）浓差极化过电位
浓差极化极限电流密度iL（以阴极极化为例）
—扩散层厚度
iL
nFD
C
C—溶液本身氧浓度 D—扩散系数 F—法拉第常数 n—物质的克当量
温度降低，扩散系数D减小，iL减小，腐蚀速率变慢； 反应物浓度降低，腐蚀速率变慢； 通过搅拌或改变电极现状，减少扩散层厚度，增大iL，加速腐蚀。
第一章 金属电化学腐蚀基本原理
化学腐蚀——氧化剂直接与金属表面的原子碰撞，
化合成腐蚀产物
Zn
1 2
O2
ZnO
2
电化学腐蚀——金属腐蚀的氧化还原反应有着两个同 时进行又相对独立的过程。
Zn
1 2
O2
H
2O
Zn(OH
)2
系列反应为
Zn Zn2 2e
1 2
O2
H 2O
2e
2OH
Zn2 2OH Zn(OH )2
3
Zn2 Zn2
3.超电压
-E
腐蚀电池工作时，由于极
化作用使阴极电位下降，阳极
电位升高。这个值与各极的初
η
始电位差值的绝对值称为超电
E
k
压或过电位。以η表示。
i
32
超电压量化的反映了极化的程度，对研究腐蚀速度 非常重要。
ηK | EK EK |
,ηA
|
E
A
EA
|
电化学超电压ηa
定义：由电化学极化引起的电位偏离值。主要受电极 材料、电流密度、溶液的组成及温度的影响。
类似的有，氧电极、氯电极。
16
4.电极电位的测量
在目前的技术水平下，无法得到单个电极电位的 绝对值。通常的做法是求其相对值，即用一个电位很 稳定的电极作为基准（参比电极）来测量任意电极的 电极电位的相对值。
方法：将待测电极与基准电极组成原电池，其电 动势即为两电极间的电位差。若采用电位为零的标准 氢电极为基准电极，则测得的电位差即为待测电极的 电极电位。
D
)
电池工作后，阳极附近： CM CM' 阴极附近： CD CD
35
电极电位为
EA(K)
E A(K)
金属表面化学腐蚀过程的动力学模拟分析
金属表面化学腐蚀过程的动力学模拟分析近年来，金属表面化学腐蚀过程的动力学模拟分析在材料科学领域中扮演着重要的角色。
通过研究金属表面的腐蚀动力学过程，可以为改善金属材料的耐腐蚀性能以及开发新型防腐蚀涂层提供重要的理论指导。
本文将对金属表面化学腐蚀过程的动力学模拟分析进行讨论。
在金属表面的化学腐蚀过程中，通常涉及到电化学反应。
这些反应可分为阳极和阴极反应，同时伴随着电子和离子的传递。
动力学模拟分析旨在研究这些反应速率以及与其相关的因素，并为金属表面的防腐蚀提供理论依据。
首先，动力学模拟分析需要考虑金属材料与腐蚀介质之间的界面反应。
通常，金属表面在腐蚀介质中形成一层氧化膜或者氢氧化物。
这些氧化膜和氢氧化物会对金属材料的腐蚀速率产生重要影响。
因此，在模拟过程中需要明确界面反应的速率常数、界面结构以及界面扩散等因素。
其次，动力学模拟分析还需要考虑金属表面的电化学反应。
在金属表面腐蚀过程中，阳极和阴极反应扮演着重要的角色。
阳极反应是指金属原子或离子失去电子，形成金属阳离子。
而阴极反应则是还原金属阳离子，并释放电子。
动力学模拟分析需要研究这些反应的速率常数、电解质浓度以及电极电位等参数。
此外，动力学模拟分析还要考虑腐蚀介质的影响因素。
腐蚀介质中的温度、pH 值以及气体浓度等参数都会对金属表面腐蚀过程产生重要影响。
这些因素会影响电化学反应速率以及界面反应的速率常数。
因此，在动力学模拟分析中，需要对腐蚀介质的影响因素进行综合考虑，并进行系统的模拟分析。
对于金属表面化学腐蚀过程的动力学模拟分析，数值模拟方法已经成为一种常用的研究手段。
其中，蒙特卡洛方法和分子动力学模拟是常见的数值模拟方法。
蒙特卡洛方法通过引入随机过程来模拟金属表面的腐蚀过程，可以获得统计性的结果。
而分子动力学模拟则采用牛顿力学的基本原理，通过求解粒子的运动方程来模拟金属表面的腐蚀过程，可以获得更为精细的结果。
这些数值模拟方法可以为金属表面的化学腐蚀过程提供直观的描述和深入的分析。
第一章金属腐蚀的原理
标准氢电极
电极电势的测定
用标准氢电极与其它各种标准状态下 的电极组成原电池，测得这些电池的电动 势，从而计算各种电极的标准电极电势。
标准氢电极 待测电极
E
( ) ()
Hale Waihona Puke 参比电极*使用标准氢电极不方便，一般常用易于 制备、使用方便且电极电势稳定的甘汞 电极或氯化银电极等作为电极电势的对 比参考，称为参比电极。 如：右图的甘汞电极： Pt∣Hg∣Hg2Cl2∣Cl当c (KCl)为饱和溶液（1M, 0.1M） 时， =0.2412V (0.2801V, 0.3337V)
1.2金属电化学腐蚀倾向的判断
一、电极电位与物质能量之间的关系
金属单质+环境→金属化合物+热量 能量差为
G G M n G M
G ＜0，金属单质处于高能态，不稳定，金属能
被腐蚀； G ＞0，金属不能被腐蚀。
常见的去极剂
氢离子
2H++2e→H2↑ 溶解在溶液中的氧 O2+H2O+4e→4（OH）O2+ 4H++ 4e→2H2O 金属离子 Zn+Cu2+= Cu↓ + Zn2+ 阴极反应 Cu2++2e= Cu↓ Zn+2Fe3+= 2Fe2+ + Zn2+ 阴极反应 Fe3++e= Fe2+
双电层
1.溶解趋势＞沉积趋势时 金属→离子，进入溶液，金属表面呈负电性，吸附溶液 中的正离子→第一类双电层； 2.溶解趋势＜沉积趋势时 离子沉积在金属表面，金属表面呈正电性，吸附溶液中 的负离子→第二类双电层； 3.吸附双电层
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(1) 活化极化
(2) 浓差极化
阴极：电子流入电极速度大，负电荷积累
只要消耗电子的过程受到阻滞都会引起阴极极化 Nhomakorabea. 极化曲线
实验表明，过电势是随通过电极的电流密度不同而 不同的。电流密度越大，过电位绝对值越大。
超电势是表示电极极化程度的重要参数；仅表示某一特定电流 密度下电极的极化程度，而无法反应整个电流密度范围内电极 电位变化规律
把表征腐蚀电池特征的 阴、阳极极化曲线画在 同一张图上
如果一个电极上同时进行几个电极反应，由于以下两个特点， 很容易看出整个电极反应的E－I曲线与在该电极上进行的各
个电极反应的动力学行为之间的关系
(1)所有这些电极反应都是在同样的电极电位下进行的 (2)整个电极的外测电流密度是电极上进行的各个电极反应的电流 密度代数和
正像金属铝，从热力学业角度看，它的腐蚀倾向很明显，
但在某些介质中，它的腐蚀速度却极低。对于金属材料来 说，人们想方设法来降低腐蚀反应的速度，以达到延长其 使用寿命的目的。为此，必须了解腐蚀过程的机理及影响 腐蚀速度的各种因素，掌握在不同条件下腐蚀作用的动力
学规律，并通过实验进行研究和了解解决具体问题的方法。
电化学体系中，发生电极极化时，阴极的电极电位变得 比平衡电位更负，阳极电极电位变得比平衡电位更正
1. 阳极极化－电极电位偏离平衡电位向正的方向移动 2. 阴极极化－电极电位偏离平衡电位向负的方向移动
超电势－由于有电流通过而引起的电极电势偏离原来电极电势的变化值
３.１.２ 极化原因 电极性质的变化就取决于极化作用和去极化作用的 对立统一 阳极：电子流出电极速度大， 正电荷积累 偏离平衡电极电位 阴极：电子流入电极速度大， 负电荷积累
电子运动速度/电极反应速 度矛盾
电极极化现象的内在 原因
一般电极过程的三个分步步骤
1. 阳极极化 —— 阳极上有电流通过时，电极电势向正方向变化
(1) 活化极化 (2) 浓差极化 (3) 电阻极化
阳极：电子流出电极速度大，正电荷积累
2. 阴极极化 —— 阴极上有电流通过时，阴极电势向负方向移动。
本章重点掌握
1. 腐蚀电池的电极过程
2. 极化作用（极化现象、原因，极化曲线及其应用） 3. 腐蚀极化图与混合电势 4. 腐蚀极化图应用 5. 腐蚀速度的电化学测试方法
3.１ 电极的极化现象
一. 极化现象
金属的腐蚀一般是按腐蚀原电池作用原理进行的，电流流过电极时， 电极电势偏离平衡电势的现象称为极化现象。
极化曲线－电极电位随电流密度变化的关系曲线
完整而直观地表达出一个电极过程的极化性能（极化度）
三. 极化曲线 测定电极过程的极化曲线是电极过程 动力学研究中一种基本的实验方法
极化度
电极过程的难易程度
极化度越大，电极过程越难进行，因电极极化的倾向大， 电极反应的微小变化就会引起电极电位的明显变化
一．腐蚀极化曲线
第３章金属电化学腐蚀 过程动力学
在第二章中，从热力学观点阐述了金属发生腐蚀
的根本原因，介绍了判断腐蚀倾向的方法。但在 实际中，人们不仅关心金属材料的腐蚀倾向，更 关心腐蚀过程进行的速度。由于热力学的研究方 法中没有考虑到时间因素及反应进行的细节，因 此腐蚀倾向并不能作为腐蚀速度的尺度。
一个大的腐蚀倾向不一定就对应着一个高的腐蚀速度，这
(2) 浓差极化
阴极：电子流入电极速度大，负电荷积累
只要消耗电子的过程受到阻滞都会引起阴极极化 Nhomakorabea. 极化曲线
实验表明，过电势是随通过电极的电流密度不同而 不同的。电流密度越大，过电位绝对值越大。
超电势是表示电极极化程度的重要参数；仅表示某一特定电流 密度下电极的极化程度，而无法反应整个电流密度范围内电极 电位变化规律
把表征腐蚀电池特征的 阴、阳极极化曲线画在 同一张图上
如果一个电极上同时进行几个电极反应，由于以下两个特点， 很容易看出整个电极反应的E－I曲线与在该电极上进行的各
个电极反应的动力学行为之间的关系
(1)所有这些电极反应都是在同样的电极电位下进行的 (2)整个电极的外测电流密度是电极上进行的各个电极反应的电流 密度代数和
正像金属铝，从热力学业角度看，它的腐蚀倾向很明显，
但在某些介质中，它的腐蚀速度却极低。对于金属材料来 说，人们想方设法来降低腐蚀反应的速度，以达到延长其 使用寿命的目的。为此，必须了解腐蚀过程的机理及影响 腐蚀速度的各种因素，掌握在不同条件下腐蚀作用的动力
学规律，并通过实验进行研究和了解解决具体问题的方法。
电化学体系中，发生电极极化时，阴极的电极电位变得 比平衡电位更负，阳极电极电位变得比平衡电位更正
1. 阳极极化－电极电位偏离平衡电位向正的方向移动 2. 阴极极化－电极电位偏离平衡电位向负的方向移动
超电势－由于有电流通过而引起的电极电势偏离原来电极电势的变化值
３.１.２ 极化原因 电极性质的变化就取决于极化作用和去极化作用的 对立统一 阳极：电子流出电极速度大， 正电荷积累 偏离平衡电极电位 阴极：电子流入电极速度大， 负电荷积累
电子运动速度/电极反应速 度矛盾
电极极化现象的内在 原因
一般电极过程的三个分步步骤
1. 阳极极化 —— 阳极上有电流通过时，电极电势向正方向变化
(1) 活化极化 (2) 浓差极化 (3) 电阻极化
阳极：电子流出电极速度大，正电荷积累
2. 阴极极化 —— 阴极上有电流通过时，阴极电势向负方向移动。
本章重点掌握
1. 腐蚀电池的电极过程
2. 极化作用（极化现象、原因，极化曲线及其应用） 3. 腐蚀极化图与混合电势 4. 腐蚀极化图应用 5. 腐蚀速度的电化学测试方法
3.１ 电极的极化现象
一. 极化现象
金属的腐蚀一般是按腐蚀原电池作用原理进行的，电流流过电极时， 电极电势偏离平衡电势的现象称为极化现象。
极化曲线－电极电位随电流密度变化的关系曲线
完整而直观地表达出一个电极过程的极化性能（极化度）
三. 极化曲线 测定电极过程的极化曲线是电极过程 动力学研究中一种基本的实验方法
极化度
电极过程的难易程度
极化度越大，电极过程越难进行，因电极极化的倾向大， 电极反应的微小变化就会引起电极电位的明显变化
一．腐蚀极化曲线
第３章金属电化学腐蚀 过程动力学
在第二章中，从热力学观点阐述了金属发生腐蚀
的根本原因，介绍了判断腐蚀倾向的方法。但在 实际中，人们不仅关心金属材料的腐蚀倾向，更 关心腐蚀过程进行的速度。由于热力学的研究方 法中没有考虑到时间因素及反应进行的细节，因 此腐蚀倾向并不能作为腐蚀速度的尺度。
一个大的腐蚀倾向不一定就对应着一个高的腐蚀速度，这