电化学腐蚀理论提出简谈金属的电化学腐蚀与防腐

时间：2019-04-22 03:25:26　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：金属腐蚀中最重要的是电化学腐蚀，本文介绍了电化学腐蚀的基本原理和防护方法。　　关键词：金属、电化学腐蚀、防腐　　现代生活中，各行各业最离不开的就是工程材料，金属单质及其合金是应用最为广泛和最重要的工程材料。但是，现代金属及其合金材料的发展面临的最大问题就是腐蚀，我国每年因腐蚀造成的损失数以亿计。我们通常所说的金属腐蚀是指材料与环境间发生反应，材料被破坏，导致其功能在一定程度上受到损坏，而学术上的腐蚀则指金属与环境介质间发生的物理-化学作用而使金属性能发生改变，并导致金属、环境及其构成体系的功能受到损伤的现象。为什么金属这么容易被腐蚀，一般而言，绝大多数的金属单质都是经过冶炼得来的，这是一个耗能的过程，从热力学稳定状态的化合物变为不稳定状态的单质。而腐蚀过程是一个与冶炼相反的过程，金属失去电子变成离子，释放出能量，返回到先前稳定的自然状态。例如，铁最常见的形式是Fe2O3，它通常存在于赤铁矿的矿石中，而Fe2O3恰恰是铁的腐蚀产物——铁锈的主要成分，也就是它冶炼前的自然状态。腐蚀过程进行的驱动力是整个腐蚀体系热力学自由能的降低，这就使得腐蚀过程极易进行。人们可以设法延缓腐蚀的进程，但没有能力完全阻止腐蚀的发生和进行。
　　在金属的腐蚀中，常见的有物理腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀，但是电化学腐蚀是最主要也是最严重的的一类腐蚀。
　　物理腐蚀是指金属由于单纯的物理溶解作用所引起的破坏。许多金属在高温熔盐、熔碱及液态金属中可发生这类腐蚀。例如用来盛放熔融锌的钢容器，由于铁被液态锌所溶解，钢容器逐渐被腐蚀而变薄。
　　化学腐蚀,如金属铁与干燥的高温水蒸气发生的反应,Fe直接将电子传递给作为氧化剂的水蒸气，没有电流产生，而且腐蚀产物FeO覆盖在铁的表面气态的水要穿过该覆盖层与铁继续反应就存在相当的阻碍，化学腐蚀难以继续进行， FeO 薄膜在一定程度上能对铁基体起到保护作用。
　　电化学腐蚀则不同，例如铁片同银片接触后比单纯的铁片在硫酸中的腐蚀速率要快的多，这是因为腐蚀介质是导电的，氢在银表面析出的过电位比在铁表面小得多，阴极析氢反应选择在活化能较低的银表面进行。而阳极反应Fe →Fe2+失去的电子自发地转移到银片上，H+从银表面获得电子形成氢气析出。一般来讲，一旦介质为离子导体时，腐蚀过程通常按电化学腐蚀的途径进行。
　　电化学腐蚀的显著特征是在被腐蚀的金属表面形成了腐蚀原电池。这种腐蚀原电池的正极( 阴极) 和负极( 阳极) 出现在同一块被腐蚀金属的表面，形成一种特殊的短路原电池，这种原电池只会导致金属材料的溶解、破坏，腐蚀反应释放出来的化学能全部以热能的形式耗散掉，没有任何利用价值。
　　电化学腐蚀发生的必要条件是溶液中存在着氧化性物质，它可以将金属氧化成金属离子或化合物。这种物质在腐蚀电极的阴极部位接受电子，消除阴极极化，(有电流流过时，电极电位偏离平衡电位的现象叫做电极的极化，电极电位偏离平衡电位向负移称为阴极极化，向正移称为阳极极化)，使金属溶解速率加快，通常称之去极化剂。水中的溶解氧( O2)引起的金属腐蚀( 阴极过程) 称为吸氧腐蚀，此时溶解氧充当去极化剂，在接近中性的潮湿空气中钢铁的腐蚀即属吸氧腐蚀。而在pH值较低的水溶液中，H +也可以充当去极化剂，接受电子而还原，由此产生的腐蚀称为析氢腐蚀。析氢腐蚀通常发生在环境为酸性的某种较活泼金属的加工过程中和中性和弱碱性溶液中对于电极电位很负的碱金属和碱土金属的腐蚀。除了溶解氧和氢离子这两种主要的去极化剂外，电镀时，要得到哪种金属的镀层，该金属离子就是去极化剂，如某些氧化性离子在水溶液中可以充当去极化剂。Fe3+ 离子在酸性溶液中能够腐蚀铜线路板，Fe3 + 作为去极化剂氧化了Cu，自身被还原为亚铁离子Fe2 +。
　　金属的腐蚀包括阳极过程（即金属溶解）、阴极过程（即去极化剂接受阳极流过来的电子）、电流的流动。以上任何一个环节受到抑制，腐蚀过程都会减缓。因此针对上述过程，我们可以采取比较有效的抑制措施实现对金属保护的防护。
　　电化学保护（阴极保护法和阳极保护法）：阴极保护法，也叫牺牲阳极保护法，它的原理是向被保护金属补充大量的电子，使其产生阴极极化，以消除局部的阳极溶解。阳极保护法的原理是利用外加阳极极化电流使金属处于稳定的钝态。阳极保护法只适用于具有活化-钝化转变的金属在氧化性介质( 如硫酸、磷酸、有机酸) 中的腐蚀防护。采用易钝化的新合金材料: 新合金材料中金属内部结构发生了改变，提高材料本身的耐蚀性。例如不锈钢就是在铁基体中加入足量的铬，在氧化环境中它表面容易生成钝化膜，有很高的耐蚀能力。缓蚀剂保护: 在封闭的腐蚀环境中添加少量能够降低腐蚀速率的物质(缓蚀剂)以阻止或减缓金属腐蚀。这种方法通常与阴极保护联合使用，通过改变易被腐蚀的金属表面状态或者起负催化剂的作用，使阳极( 或阴极) 反应的活化能增高，循环水系统的内壁防腐就是用的此法。金属表面处理: 在金属接触环境之前先经表面预处理，提高材料的耐腐蚀能力。例如，钢铁部件先用钝化剂或成膜剂处理后，其表面生成了稳定、致密的钝化膜，抗蚀性能因而显著增加。例如，将易钝化的合金成分如铬、钼、硅掺入钢铁表面，形成表面合金，提高了该材料抗高温氧化性能和耐蚀性。金属表面覆盖层: 包括非金属涂层和金属保护层，其目的是将金属基体与腐蚀介质隔离开，阻止去极化剂氧化金属的作用，达到防腐蚀效果。常见的非金属涂层有油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等。例如，汽车外壳的喷漆。搪瓷涂层应用比较广泛，因为它有极好的耐腐蚀性能。金属保护层是将一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面形成的保护镀层。这种方法通常与阴极保护法结合使用，应用比较广泛的领域有输油、输气、输水管线的外壁防腐和船舶防腐。传统的方法有电镀、化学镀，现在发展比较快的还有热浸镀、热喷镀、渗镀、真空镀等方法。热镀锡常用于薄钢板和食品密封包装等常见的贮存容器，热镀铝则主要用于钢铁零件的抗高温氧化。（作者单位：山东大学）
　　参考文献：
　　［1］印永嘉，奚正楷，李大珍.物理化学简明教程（3版）［M］.北京：高等教育出版社，1992：374
　　［2］马厚义.金属腐蚀与防护简谈.电化学，2011.8

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