腐蚀的电化学教案

2020-08-12教案

腐蚀的电化学教案

  腐蚀的电化学篇一:金属材料的电化学腐蚀与防护

  金属材料的电化学腐蚀与防护

  一、实验目的

  1.了解金属电化学腐蚀的基本原理。

  2.了解防止金属腐蚀的基本原理和常用方法。

  二、实验原理

  1. 金属的电化学腐蚀类型

  (1)微电池腐蚀

  ①差异充气腐蚀

  同一种金属在中性条件下,如果不同部位溶解氧气浓度不同,则氧气浓度较小的部位作为腐蚀电池的阳极,金属失去电子受到腐蚀;而氧气浓度较大的部位作为阴极,氧气得电子生成氢氧根离子。如果也有K3[Fe(CN)6]和酚酞存在,则阳极金属亚铁离子进一步与K3[Fe(CN)6]反应,生成蓝色的Fe3[Fe(CN)6]2沉淀;在阴极,由于氢氧根离子的不断生成使得酚酞变红(亦属于吸氧腐蚀)。两极反应式如下:

  阳极(氧气浓度小的部位)反应式:

  Fe = Fe2+ + 2e-

  3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 (蓝色沉淀) 阴极(氧气浓度大的部位)反应式:

  O2 + 2H2O +4e- = 4OH-

  ②析氢腐蚀

  金属铁浸在含有K3[Fe(CN)6]2的盐酸溶液中,铁作为阳极失去电子,受腐蚀,杂质作为阴极,在其表面H+得电子被还原析出氢气。两极反应式为: 阳极:Fe = Fe2+ + 2e-

  阴极:2H++2e-= H2↑

  在其中加入K3[Fe(CN)6],则阳极附近的Fe2+进一步反应:

  3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 (蓝色沉淀)

  (2)宏电池腐蚀

  ①金属铁和铜直接接触,置于含有NaCl、K3[Fe(CN)6]、酚酞的混合溶液里,由于?(Fe2/Fe)< ?(Cu2/Cu),两者构成了宏电池,铁作为阳极,失去电++

  子受到腐蚀(属于吸氧腐蚀)。两极的电极反应式分别如下:

  阳极反应式:

  Fe = Fe2+ + 2e-

  3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2 (蓝色沉淀) 阴极(铜表面)反应式:

  O2 + 2H2O +4e- = 4OH-

  在阴极由于有OH-生成,使c(OH-)增大,所以酚酞变红。

  ②金属铁和锌直接接触,环境同上,则由于?(Zn2/Zn)< ?(Fe2/Fe),++

  锌作为阳极受到腐蚀,而铁作为阴极,铁表面的氧气得电子后不断生成氢氧根离子,导致酚酞变红(属于吸氧腐蚀)。两极的电极反应式分别如下:

  阳极反应式:

  Zn = Zn2+ + 2e-

  3Zn2++ 2[Fe(CN)6]3- = Zn3[Fe(CN)6]2 (黄色沉淀)

  阴极(铁表面)反应式:

  O2 + 2H2O +4e- = 4OH-

  2.金属腐蚀的防护

  防止金属腐蚀的方法很多。如研制耐腐蚀的金属材料、金属表面涂覆保护层及阴极保护法等方法。金属表面涂覆保护层的常用方法有油漆、电镀、喷镀、表面钝化处理,缓蚀剂法等。

  (1) 有机缓蚀剂作用机理

  在金属刚开始溶解时,金属表面带有的负电荷能吸附缓蚀剂的离子或分子,形成难溶且腐蚀介质很难穿透的保护膜。在酸性介质中,一般是含有N、S、O的有机化合物。常用的缓蚀剂有乌洛托品、若丁等。

  (2) 无机缓蚀剂作用机理

  在中性或碱性介质中可以采用无机缓蚀剂,如铬酸盐、重铬酸盐、

  磷酸盐、碳酸氢盐等。主要是在金属的表面形成的氧化膜或沉淀物能够隔绝周围介质侵蚀,起到保护的作用。

  例如金属表面的磷化,就是用磷酸盐在金属表面生成一层磷化膜的保

  护层。其有关反应式如下:

  Fe + 2H+ = Fe2+ + H2(↑)

  Fe2+ + HPO42- = FeHPO4(暗灰色膜?)

  3Zn2+ + 2PO43-= Zn3(PO4)2(白色?)

  (3)3%的CuSO4检验液检验原理

  磷化后的铁钉表面: Fe2+ + HPO42- = FeHPO4(暗灰色膜?)

  Cu2+ + HPO42- = CuHPO4(暗黑色?)

  没有磷化后的铁钉表面:Fe +Cu2+= Fe2++ Cu(棕红色?)

  三、实验用品

  仪器: 0mL小烧杯,小试管(3支),10mL小量筒(1只)铁片,铜丝,锌丝,滤纸片(若干),塑料镊子,洗瓶,细砂纸(约3×3cm2)。

  药品:NaCl(0.1 mo1·L-1),K3[Fe(CN)6(]0.1 mo1·L-1),乌洛托品(CH2)6N(,420%)CuSO4(0.1 mo1·L-1),HCl(0.1 mo1·L-1、6 mo1·L-1,浓),酚酞(0.5%),洗洁精,检验液(3%的CuSO4),磷化液(配方:H3PO4(85%):45g·L-1,ZnO:28 g·L-1,Zn(NO3)2:28 g·L-1,NaF:2 g·L-1 ,HNO3(浓):29 g·L-1)。

  四、实验内容

  1. 金属的电化学腐蚀

  (1)准备铁钉和混合溶液

  ①铁钉表面除锈:取8枚小铁钉浸在浓盐酸中,除锈约1~2分钟后用塑料镊子取出,以自来水淋洗后放在洁净的小烧杯中,再以去离子水浸泡备用。

  ②配制含有少量酚酞的混合溶液:取1支试管,加入6mL 0.1 mo1·L-1的NaCl溶液(增加导电性),加入4滴0.1 mo1·L-1K3[Fe(CN)6]溶液,再加入3滴酚酞溶液,混合均匀备用。

  (2)微电池腐蚀

  ①差异充气腐蚀

  用细砂纸把一块铁片表面磨光,洗净铁锈并吸干水分,在其中心处滴上2滴含有少量酚酞的混合溶液,形成直径约为2cm的圆斑,放置10 min后观察现象,并用两极反应式解释之。

  ②析氢腐蚀

  取1支洁净的小试管,加入3mL的0.1 mo1·L-1HCl溶液,将一枚除锈铁钉放入其中,观察现象。

  (3)宏电池的腐蚀

  取2支洁净的小试管,各加入3mL含有少量酚酞的混合溶液。取2枚除过锈的小铁钉,经自来水冲洗,用滤纸吸干,分别在其中部紧密地缠上一段干净的锌丝和铜丝。然后再分别放在上述2支试管的溶液中,静置数分钟(不要晃动),观察现象并用两极反应式解释之。

  2.金属腐蚀的防护

  (1)有机缓蚀剂的作用

  取2支试管,各加入3mL0.1 mo1·L-1HCl溶液,在某一试管中加入5滴20%的乌洛托品,在另1支试管中加入5滴水,将2枚清洁无锈的铁钉分别放入其中。反应片刻后,分别在2支试管中各加入1滴0.1 mo1·L-1 K3[Fe(CN)6]溶液,观察和比较出现的现象,并用两极反应式解释之。

  (2)无机缓蚀剂的作用(金属表面的磷化)

  准备2支洁净试管和2枚已用浓HCl溶液除过锈的并用水清洗干净的铁钉。将其中1根铁钉放入试管,另1根铁钉完全浸入磷化液磷化,约5~10min后用镊子取出,用去离子水淋洗后将其放入空的洁净试管中,观察磷化膜。

  (3)检验质量

  向上述2支装有铁钉的试管中,分别加入3%的CuSO4检验液3mL,静置2-3min后,观察现象并用反应式解释之。

  五、注意事项

  1. 铁钉一定要事先算好需要几个,然后集中除锈。

  2. 需要静置数分钟的实验,千万不要晃动试管,以免现象观察不明显。

  3. 用锌丝缠铁钉时要慢缓慢用劲缠紧,防止锌丝折断;不要缠满铁钉,只要铁钉有一段被缠上就可观察到现象。

  4.铁片,铜丝,锌丝,铁钉等用后洗净回收至原处。所有试剂用后放回原处。

  5.实验中一定要仔细观察现象有无变化,记录现象要完整,并用学过的知识和有关反应方程式解释之。

  六、实验记录

  七、思考题

  1.吸氧腐蚀发生的条件是什么?两极反应式分别如何?

  2.析氢腐蚀的条件是什么?两极反应式分别如何?

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