金属腐蚀与防护的实验报告-中南大学粉冶院

实验一恒电位法测定阳极极化曲线
一、目的
1．了解金属活化、钝化转变过程及金属钝化在研究腐蚀与防护中的作用。

2．熟悉恒电位测定极化曲线的方法。

3．通过阳极极化曲线的测定，学会选取阳极保护的技术参数。

二、实验基本原理
测量腐蚀体系的极化曲线，实际就是测量在外加电流作用下，金属在腐蚀介质中的电极电位与外加电流密度（以下简称电密）之间的关系。

测量极化曲线的方法可以采用恒电位和恒电流两种不同方法。

以电密为自变量测量极化曲线的方法叫恒电流法，以电位为自变量的测量方法叫恒电位法。

一般情况下，若电极电位是电密的单值函数时，恒电流法和恒电位法测得的结果是一致的。

但是如果某种金属在阳极极化过程中，电极表面壮态发生变化，具有活化/钝化变化，那么该金属的阳极过程只能用恒电位法才能将其历程全部揭示出来，这时若采用恒电流法，则阳极过程某些部分将被掩盖，而得不到完整的阳极极化曲线。

在许多情况下，一条完整的极化曲线中与一个电密相对应可以有几个电极电位。

例如，对于具有活化/钝化行为的金属在腐蚀体系中的阳极极化曲线是很典型的。

由阳极极化曲线可知，在一定的电位范围内，金属存在活化区、钝化过渡区、钝化区和过钝化区，还可知金属的自腐蚀电位（稳定电位）、致钝电密、维钝电密和维钝电位范围。

用恒电流法测量时，由自腐蚀电位点开始逐渐增加电密，当达到致钝电密点时金属开始钝化，由于人为控制电密恒定，故电极电位突然增加到很正的数值（到达过钝化区），跳过钝化区，当再增加电密时，所测得的曲线在过钝化区。

因此，用恒电流法测不出金属进入钝化区的真实情况，而是从活化区跃入过钝化区。

图1 恒电位极化曲线测量装置
三、实验仪器及药品
电化学工作站CHI660D、铂电极、饱和甘汞电极、碳钢、天平、量筒、烧杯、
电炉、水砂纸、U型管
蒸馏水、碳酸氢铵、浓氨水、浓硫酸、琼脂、氯化钠、氯化钾、无水乙醇、棉花
四、实验步骤
1.琼脂-饱和氯化钾盐桥的制备
烧杯中加入3g琼脂和97ml蒸馏水，使用水浴加热法将琼脂加热至完全溶解。

然后加入30克KCl充分搅拌，KCl完全溶解后趁热用滴管或虹吸将此溶液加入已事先弯好的玻璃管中，静置待琼脂凝结后便可使用。

2.溶液的配制
(a) H2SO4溶液（0.5 M）的配制：烧杯内放入475 mL去离子水，加入
浓硫酸25 mL，搅拌均匀待用;
(b) NH4HCO3-NH4OH溶液的配制：烧杯中放入700 mL去离子水，加
入160 g NH4HCO3，65 mL浓氨水，搅拌均匀。

(c) 饱和氯化钠溶液的配制。

3.操作步骤
（1）用水砂纸打磨工作电极表面，并用无水乙醇棉擦试干净待用。

（2）将辅助电极和研究电极放入极化池中，甘汞电极浸入饱和KCl溶液
中，用盐桥连接二者，盐桥鲁金毛细管尖端距离研究电极1～2mm左右。

按图1连接好线路并进行测量。

（3）测碳钢在H2SO4溶液和NH4HCO3-NH4OH溶液中的开路电压，稳定
5min。

（4）在-0.9 V和1.2 V (相对饱和甘汞电极：SCE)，以0.05，0.01和0.005
Vs-1的扫描速度测定碳钢在H2SO4溶液和NH4HCO3-NH4OH溶液中阳极极
化曲线。

（5）存储数据，转化为TXT文本，用ORIGIN软件做图。

五、实验结果及数据处理
1.绘制碳钢在H2SO4溶液和NH4HCO3-NH4OH溶液中阳极极化曲线；
C u r r e n t /A Anode Curve for Fe-C in Alkali
2. 对于在NH 4 E p =−463mm ,I p =958mm 。

对于在H 2SO 故
六、思考题
1.不同的恒电位扫描速度对阳极极化曲线有何影响？实验中那个扫描速度
为最佳？恒电压法和恒电流法有何不同？
扫描速率越快, 临界钝化电流密度、维钝电流密度越大, 稳定钝化区越小。

以电密为自变量测量极化曲线的方法叫恒电流法，以电位为自变量的测量方法叫恒电位法。

一般情况下，若电极电位是电密的单值函数时，恒电流法和恒电位法测得的结果是一致的。

但是如果某种金属在阳极极化过程中，电极表面壮态发生变化，具有活化/钝化变化，那么该金属的阳极过程只能用恒电位法才能将其历程全部揭示出来，这时若采用恒电流法，则阳极过程某些部分将被掩盖，而得不到完整的阳极极化曲线。

2.不同的电解质溶液对阳极极化曲线有何影响？
对于碳钢而言，其在酸性溶液中基本不发生钝化。

这是因为碳钢电极的钝化存在一个临界值，约为PH=8.3，只有当溶液的PH值大于8.3时，碳钢电极才能处于完全的钝化状态。

而在NH4HCO3-NH4OH溶液中，碳钢电极出现明显的活化—钝化过程，阳极极化曲线上表现出明显的致钝电流峰。

3.阳极极化曲线对实施阳极保护有何指导意义？
将电源的正极接在被保护的金属上，负极接在辅助金属上，适当控制电压使阳极电位达到钝化电位，这时金属表面发生阳极钝化而由活性状态转为钝化状态，达到保护金属的目的。

阳极极化曲线告诉我们钝化过程中的电流、电压是有一定范围的。

在实施阳极保护时，必须控制电压并注意电流密度，如阳极电位小于钝化电压反而会加速金属腐蚀，过大则有可能发生使钝化膜破坏的过钝化现象，而使金属的腐蚀加剧。

4.极化曲线测量对研究电极、辅助电极、参比电极和盐桥的要求是什么？
对于研究电极：；(2)有确定的暴露表面积，以便于准确计算电流密度；(3)研究电极的形状及其在电解池中的配置应有利于电极表面电力线分布均匀；(4)研究电极与外导线要有良好的电接触。

对于辅助电极：(1)辅助电极不能与电解质溶液发生反应；(2)辅助电极的面积应比研究电极大，其形状或配置应有利于电解池中的电力线均匀分布；(3)辅助电极应是不极化或难极化电极，否则将影响测试结果。

对于参比电极：(1)电极的工作表面应光洁、无污垢、无氧化皮；(2)化学状态稳定，不与电解质溶液发生化学反应；(3)参比电极也应是不极化或难极化的。

对于盐桥：(1)盐桥中的正负离子迁移数应相等；(2)对于鲁金毛细管的位置应是可靠的、能调整的，并能尽量靠近研究电极表面以减少溶液欧姆压降对极化曲线测量的影响，但又不产生屏蔽作用。

实验二塔菲尔直线外推法测定金属的腐蚀速度
一、目的
1．掌握塔菲尔直线外推法测定金属腐蚀速度的原理和方法。

2．测定低碳钢、不锈钢、铜、在1MHAc+1MNaCl混合溶液中腐蚀电密i c 、阳极塔菲尔斜率b a和阴极塔菲尔斜率b c。

3．对活化极化控制的电化学腐蚀体系在强极化区的塔菲尔关系加深理解。

二、实验基本原理
金属在电解质溶液中腐蚀时，金属上同时进行着两个或多个电化学反应。

例如铁在酸性介质中腐蚀时，Fe上同时发生反应：
Fe →Fe2+ +2e
2H+ +2e →H2
在无外加电流通过时，电极上无净电荷积累，即氧化反应速度i a等于还原反应速度i c ,并且等于自腐蚀电流I corr ,与此对应的电位是自腐蚀电位E corrr。

如果有外加电流通过时，例如在阳极极化时，电极电位向正向移动，其结果加速了氧化反应速度i a而拟制了还原反应速度i c ,此时，金属上通过的阳极性电流应是：
I a= i a-|i c| = i a+ i c
同理，阴极极化时，金属上通过的阴极性电流I c也有类似关系。

从电化学反应速度理论可知，当局部阴、阳极反应均受活化极化控制时，过电位（极化电位）η与电密的关系为：
i a=i corr epx(2.3η/b a)
i c = -i cor r exp(-2.3η/b c)
所以I a =i corr[exp(2.3η/b a)- exp(-2.3η/b c)]
I c= -i corr[exp(-2.3η/b c)- exp(2.3η/b a)
当金属的极化处于强极化区时，阳极性电流中的i c和阴极性电流中的i c都可忽略，于是得到：
I a =i corr exp(2.3η/b a)
I c=-i corr exp(-2.3η/b c)
或写成：η=-b a lg i coor+b a lg i a
η= -b c lg i corr+b c lg i c
可以看出，在强极化区内若将η对lg i作图，则可以得到直线关系，该直线称为塔菲尔直线。

将两条塔菲尔直线外延后相交，交点表明金属阳极溶解速度i a 与阴极反应（析H2）速度i c相等，金属腐蚀速度达到相对稳定，所对应的电密就是金属的腐蚀电密。

实验时，对腐蚀体系进行强极化（极化电位一般在100～250mV之间），则可得到E–lg i的关系曲线。

把塔菲尔直线外延至腐蚀电位。

lg i坐标上与交点对应的值为lg i c ,由此可算出腐蚀电密i corr 。

由塔菲尔直线分别求出b a和b c 。

三、实验仪器及药品
电化学工作站CHI660D、铂电极、饱和甘汞电极、碳钢、不锈钢、铜、天
平、量筒、烧杯、电炉、U型管、水砂纸
蒸馏水、乙酸、琼脂、氯化钠、氯化钾、无水乙醇、棉花
四、实验步骤
1.琼脂-饱和氯化钾盐桥的制备
烧杯中加入3g琼脂和97ml蒸馏水，使用水浴加热法将琼脂加热至完全溶解。

然后加入30克KCl充分搅拌，KCl完全溶解后趁热用滴管或虹吸将此溶液加入已事先弯好的玻璃管中，静置待琼脂凝结后便可使用。

2.电解液的配制
(a) 1MHAc+1MNaCl溶液的配制：烧杯中放入1000 mL去离子水，加入59 g NaCl，60g 乙酸溶液，搅拌均匀。

(b) 饱和氯化钠溶液的配制。

3.操作步骤
（1）用水砂纸打磨工作电极表面，并用无水乙醇棉擦试干净待用。

（2）将辅助电极和研究电极放入极化池中，甘汞电极浸入饱和KCl溶液中，用盐桥连接二者，盐桥鲁金毛细管尖端距离研究电极1～2mm左
右。

按图1连接好线路并进行测量。

（3）测碳钢，不锈钢，铜在1MHAc+1MNaCl溶液中的开路电压，稳定5min。

（4）在-0.9 V和1.2 V （在开路电压正伏400 mV区间内，相对饱和甘汞电极：SCE)，以0.01，0.008和0.005 Vs-1的扫描速度测定碳钢，不
锈钢，铜在1MHAc+1MNaCl溶液中的Tafel曲线。

（5）存储数据，转化为TXT文本，用ORIGIN软件做图。

五、实验结果及数据处理
1、绘制碳钢，不锈钢，铜在1MHAc+1MNaCl溶液中不同扫描速度的Tafel
曲线
2、根据阴极极化曲线的塔菲尔线性段外延求出碳钢，不锈钢，铜的腐蚀电
流和腐蚀电位，并进行比较。

对于碳钢：腐蚀电位约为-0.503V，腐蚀电流约为2.652*e-4
对于不锈钢：腐蚀电位约为-0.165V, 腐蚀电流约为7.680*e-6
对于铜：腐蚀电位约为-0.278V，腐蚀电流约为7.356*e-5
3、分别求出阴极塔菲尔斜率b c和阳极塔菲尔斜率b a。

对于碳钢：阳极塔菲尔斜率b a=-4.36，阴极塔菲尔斜率b c=19.88
对于不锈钢：阳极塔菲尔斜率b a=4.54，阴极塔菲尔斜率b c=3.98
对于铜：阳极塔菲尔斜率b a=-8.08，阴极塔菲尔斜率b c=11.73
六、思考题
1.电极反应主要有哪几种极化？Tafel曲线的适用条件是什么？
电极的极化主要有三种：电化学极化、浓差极化和电阻极化
Tafel曲线的使用条件是仅考虑电化学计划而忽略其它两类极化
2.从理论上讲，阴极和阳极的塔菲尔线延伸至腐蚀电位应交于一点，实际
测量的结果如何？为什么？
实际上两条塔菲尔延伸线并没相交于腐蚀电位的同一点，造成这种现象的原因可能是，塔菲尔公式仅考虑了极化过程中的活化极化，而在实际的阳极极化过程中，还存在浓差极化和电阻极化，并且在同一个电极上，还有可能同时发生了多个极化反应，这些都有可能导致实际测量的结果与理论情况之间存在偏差。

3.不同扫描速度的Tafel曲线有何差异？为什么？
随着电位扫描速率的增大，零电流电位逐渐负移，腐蚀电流密度i逐渐增大。

零电流电位负移的主要原因是在电位E较负的状态下，工作电极表面阴极反应的速率远远大于阳极反应速率，表观电流为阴极电流。

当电位扫描速率比较小的时候，整个电极系统可以近似看作一个稳态系统，此时的电子向电极表面转移的速率与被消耗的速率相同，并且随着工作电位的正移，电极过程始终处于稳定状态，因此能够测到比较准确的零电流电位。

随着电位扫描速率的增大，电极系统偏离稳定状态。

在阴极反应阶段，电子的积聚速率大于其被消耗的速率，使得电子在电极表面富集，工作电极的电位负移，造成了零电流电位的负移。

同时，电位扫描速率的加快也会改变了电极界面反应物和产物的浓度梯度，从而导致腐蚀电流密度的变化。