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科普——电化学及金属防腐蚀

[小散] 2015-5-16 21:57:13
科普——电化学及金属防腐蚀
电能,是我们当今生活无法离开的必要能量。我们知道,灯泡的发光需要电,电器的工作要电……无疑,电能已经渗透到我们生活的方方面面。那么,这么有用的电能是怎么来的呢?最简单的方法,就是摩擦起电现象;再高级一点的,就是导体切割磁感线所产生的电流;更高级的,莫过于核电了。然而真正充斥在我们身边的电并非是这几种方式,而是通过一种轻小的发电装置——电池。这就要引出我们今天科普的主题了——电化学基础。
1.电池原电池,就是能把化学能转化为电能的装置,而所有物质本身都具有化学能,但这并不意味着所有物质都可以参与到原电池反应中释放化学能转变成电能。我们知道,产生电流的基本条件是电子要在闭合回路中定向移动,然而并非所有物质都可以满足这一点,那么什么样的物质可以满足呢?我们知道,化学反应的几大类型中,伴随着电子得失和偏移,也就是电子移动的反应就是氧化还原反应。氧化还原反应中氧化剂的电子转移到还原剂上,同时释放出巨大能量。那么好了,既然电子是从一边到另一边的,说明电子定向移动,这样条件就满足了。但是,氧化还原反应中电子定向移动产生的能量都变成了热能释放了,我们该怎么做才能把这部分热能以电能的形式释放呢?
这就是一个简单的原电池,其中左边的金属是锌Zn,右边的金属是铜Cu,而连接他们的则是一根连有电流表的导线。我们知道,依照金属活动顺序表中的位置Zn>H>Cu可以得出,这个反应应该是Zn与酸的反应。这个氧化还原反应中电子从Zn转移到了H上导致  H被还原成了单质,这应该是属于锌片和硫酸只见的电子转移,当然,如果没有这根导线和铜片,也的确是这样的。不过一旦导线出现,电子就会顺着导线移动,这导致了锌片的电性显正,而电子转移到了铜片上,所以铜片显现出负电。根据同种电荷相互吸引,异种电荷相互排斥,溶液中硫酸电离出的氢正离子和硫酸根负离子团会向两级定向移动。这就直接导致了在导线中,带负电的电子从锌片向铜片定向移动,而水溶液中氢离子也向铜片移动。根据规律,在这个体系中,带负电荷的粒子在闭合通路中发生了定向移动,从而导致了电流的产生。氢离子在铜片上得到电子成为了气体离开体系,但失去电子的Zn则会很快变成离子进入溶液中维系电荷平衡,所以这个体系满足电荷守恒。比较复杂的原电池还有一种带有盐桥的体系,在这个体系中,电子从Zn流向Cu,导致阴阳离子发生定向移动,而U形管中装有的琼脂-氯化钾混合物中的氯离子和钾离子也会定向移动。左边的烧杯中锌片变成锌离子进入溶液中,氯离子就会向左移动保证电荷平衡,右边铜离子变成单质析出,那么钾离子就会右移保证电荷平衡。这个体系的好处就是电流稳定并且最大限度的把化学能转化为了电能。那么怎么做原电池呢?其实原电池的设计非常简单,首先,原电池反应一定是可以自发的氧化还原反应,一般的,你需要两个活动性不同的金属,活泼金属做负极,并且要能和电解质溶液反应。比如最常见的干电池、碱性锌锰电池和锂电池。比较复杂的电池包括铅蓄电池和燃烧电池,便不再过多讲解。
2.电解电解池,就是以一种强的氧化还原手段,强行的向物质内的离子输送和抢夺电子达到电子定向移动而发生氧化还原的目的,一般是用来发生不能自发的氧化还原反应。
上图是电解CuCl2溶液的装置。通电后发生反应:CuCl2=(电解)Cu + Cl2阳极:2Clˉ―2e→Cl2阴极:Cu2﹢+2e→ Cu↓电解过程中的能量转化(装置特点)一定不参与反应 不一定惰性电极阳极:不一定参与反应 也不一定是惰性电极。方程式的书写:阳极:活泼金属—电极失电子(Au,Pt 除外);惰性电极—溶液中阴离子失电子失电子能力:活泼金属(除Pt Au)>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根(NO3 ->SO4 2-)>F-阴极:溶液中阳离子得电子得电子能力:Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H2O(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+(即金属活泼性顺序表的逆向)规律:铝前(含铝)离子不放电,氢(酸)后离子先放电,氢(酸)前铝后的离子看条件。四类电解型的电解规律(当阳极为惰性电极时) ①电解水型(强碱,含氧酸,活泼金属的含氧酸盐),pH由溶液的酸碱性决定,溶液呈碱性则pH增大,溶液呈酸性则pH减小,溶液呈中性则pH不变。电解质溶液复原—加适量水。②电解电解质型(无氧酸,不活泼金属的无氧酸盐,),无氧酸pH变大,不活泼金属的无氧酸盐PH不变。电解质溶液复原—加适量电解质。③放氢生碱型(活泼金属的无氧酸盐),pH变大。电解质溶液复原—加阴离子相同的酸。④放氧生酸型(不活泼金属的含氧酸盐),pH变小。电解质 溶液复原—加阳离子相同的碱或氧化物。电镀:应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或者合金的过程

条件:①     镀件做阴极②     镀层金属做阳极③     电镀液中含镀层金属离子电镀时,把待镀的金属制品(即镀件)作阴极,镀层金属作阳极,用含有镀层金属离子的溶液作电镀液。④     阳极:Mn-e-=Mn+阴极:Mn++e-=Mn这样,在直流电的作用下,镀层金属就均匀地覆盖到镀件的表面。
3.金属的化学腐蚀金属的腐蚀可以分为两种——化学腐蚀和电化学腐蚀。常见的化学腐蚀就比如纯金属直接接触到酸而产生的损耗;电化学腐蚀则是因为发生的原电池反应或电解池反应。那么化学腐蚀和电化学腐蚀有什么不同呢?当然有不同。电化学腐蚀会产生微弱电流,并且原电池反应会加速氧化还原反应的发生。其中,最常见的是钢铁的电化学腐蚀。钢铁中混有少量的碳,碳铁和潮湿且溶解了酸性气体或氧气的水形成了原电池,这里就有了“析氢腐蚀”和“吸氧腐蚀”。例如工业用钢材其中含杂质(如碳等),当其表面覆盖一层电解质薄膜时,铁、碳及电解质溶液就构成微型腐蚀电池。 该微型电池中铁是阳极:Fe→Fe2++2e- 碳作为阴极:如果电解质溶液是酸性,则阴极上有氢气放出(2H++2e-→H2);如果电解质溶液是碱性,则阴极上发生反应O2+2H2O+4e-→4OH-。总结:从上面的分析可以看出:所形成的腐蚀电池阳极反应一般都是金属的溶解过程: M→Mz++ze- 阴极反应在不同条件下可以是不同的反应,最常见的有下列两种反应:在缺氧条件下,H+离子还原成氢气的反应(释氢腐蚀) 2H++2e-→H2。(=0.0V) 该反应通常容易发生在酸性溶液中和在氢超电势较小的金属材料上。氧气还原成OH-离子或H2O的反应(耗氧腐蚀) 中性或碱性溶液中O2+2H2O+4e-→4OH-。(=0.401V) 在酸性环境中,O2+4H++4e-→2H2(=1.229V) 2.腐蚀电流一旦组成腐蚀电池之后,有电流通过电极,电极就要发生极化,因而研究极化对腐蚀的影响是十分必要。在金属腐蚀文献中,将极化曲线(电势~电流关系)绘成直线(横坐标采用对数标度),称为Evans(埃文斯)极化图(图10-8)。在Evans极化图中的电流密度j腐蚀表示了金属腐蚀电流,实际上代表了金属的腐蚀速率。影响金属表面腐蚀快慢(即腐蚀电流j)的主要因素:①腐蚀电池的电动势--两电极的平衡电极电势差越大,最大腐蚀电流也越大。②金属的极化性能--在其它条件相同的情况下,极化程度愈大(即极化曲线的斜率),腐蚀电流愈小。③氢超电势--释氢腐蚀时,氢在金属表面析出的超电势逾大,极化曲线的斜率就逾大,腐蚀电流反而减小。那么我们该如何防护呢?很简单,要么是用特殊手段改造金属内部结构,使其稳定而耐腐蚀;再或者,刷层油漆也是可以的镀金也是可以的!其实,还有两种方法,叫做牺牲负极(正极)的阴极保护法和外加电流的阴极保护法外加电流的阴极保护法:目前在保护闸门、地下金属结构(如地下贮槽、输油管、电缆等)、受海水及淡水腐蚀的设备、化工设备的结晶槽、蒸发罐等多采用这种方法,它是目前公认的最经济、有效的防腐蚀方法之一。该法是将被保护金属与外电源的负极相连,并在系统中引入另一辅助阳极,与外电源的正极相连。牺牲阳极保护法:它是在腐蚀金属系统上联结电势更负的金属,即更容易进行阳极溶解的金属(例如在铁容器外加一锌块)作为更有效的阳极,称为保护器。这时,保护器的溶解基本上代替了原来腐蚀系统中阳极的溶解,从而保护了原有的金属。此法的缺点是用作保护器的阳极消耗较多。
对于电化学,其实并不只是这么一些,但我们的科普必须到此结束了,如果再有时间,我会详细介绍。