金屬腐蝕理論及腐蝕控制答案匯總

《金屬腐蝕理論及腐蝕控制》

(跟著劍哥走，有肉吃。)

習(xí)題解答

第一章

1.根據(jù)表1中所列數(shù)據(jù)分別計(jì)算碳鋼和鋁兩種材料在試驗(yàn)介質(zhì)中的失重腐蝕速度V-和年腐

蝕深度Vp,并進(jìn)行比較，說明兩種腐蝕速度表示方法的差別。

表1碳鋼和鋁在硝酸中的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)介質(zhì)30%HNO,25y

試樣材料碳鋼鋁

矩形薄板試樣尺寸(mm)20y40x330x40x5

腐蝕前重W?(Q)18.715316.1820

浸泡時(shí)間t(hr)4545

腐蝕后重W,(g)18.673916.1347

解：由題意得：

(1)對(duì)碳鋼在30%HNO3(25℃)中有：

V=AW7st

=(18.7153-18.6739)/45x2x(20x40+20x3+40x30)x0.000001

=0.4694g/mh

又有d=m/v=18.7154/20x40x0.003=7.798g/cm2h

Vp=8.76V7d=8.76x0.4694/7.798=0.53mm/y

對(duì)鋁在30%HNO3(25℃)中有：

V-=AWg,/st

=(16.1820-16.1347)/2x(30x40+30x5+40x5)x45x10^

=0.3391g/m2-h

d=mJv=16.1820/30x40x5x0.001=2.697g/cm3

說明：碳鋼的V-比鋁大，而Vp比鋁小，因?yàn)殇X的密度比碳鋼小。

(2)對(duì)不銹鋼在20%HNO(25℃)有：

表面積S=2兀x0,0152+27CX0.015X0.004=0.00179m2

V~=AW/sH22.3367-22.2743)/0.00179X400=0.08715g/m2h

試樣體積為：VFX1.52x0.4=2.827cm3

d=W/V=22.3367/2.827=7.901g/cm3

Vp=8.76V7d=8.76x0.08715/7.90l=0.097mm/y

對(duì)鋁有：表面積S=2兀xo.022+2兀xO.O2xOQO5=O.OO314m2

V=AW/st=(16.9646-16.9151)/0.00314x20=0.7882g/m2-h

試樣體積為：Vdx22x0.5=6.28cm3

d=WA/=16.9646/6.28=2.701g/cm3

Vp=8.76V7d=8.76x0.7882/2.701=2.56mm/y

試樣在98%HNC)3(85℃)時(shí)有：

對(duì)不銹鋼：V=AW/st

=(22.3367-22.2906)/0.00179x2=12.8771g/m2-h

Vp=8.76V7d=8.76xl2.8771/7.901=14.28mm/y

對(duì)鋁：V-=AW-/st=(16.9646-16.9250)/0.00314x40=0.3153g/m2-h

Vp=8.76V7d=8.76x0.3153/2.701=1.02mm/y

-2-

說明：硝酸濃度溫度對(duì)不銹鋼和鋁的腐蝕速度具有相反的影響。

3.鎂在0.5mol/LNaCI溶液中浸泡100小時(shí)，共放出氫氣330cm3。試驗(yàn)溫度25oC,壓力

760mmHg；試樣尺寸為20乂20乂0.5(mm)的薄板。計(jì)算鎂試樣的失重腐蝕速度。(在25oC

時(shí)水的飽和蒸汽壓為23.8mmHg)

解：由題意得：該試樣的表面積為：

S=2x(20x20+20x0.5+20x0.5)x10-6=840x10-6m2

壓力P=760mmHg-23.8mmHg=736.2mmHg=98151.9Pa

根據(jù)PV=nRT則有放出的氫氣的物質(zhì)的量為：

n=PV/RT=98151.9x330x10到8.315x(25+273.15)=0.01307mol

又根據(jù)Mg+2H+—>Mg2++H

、2

Mg腐蝕的量為n(Mg)=0.01307mol

所以：V-=nM(Mg/St=0.01307x24.3050/840x10-^x100=3.7817g/m2h

查表得：九=1.74g/cm3

有：Vp=8.76V7d=8.76x3.7817/1.74=19.04mm/y

4.表面積4cm2的鐵試樣，浸泡在5%鹽酸溶液中，測(cè)出腐蝕電流為Icor=0.55mA?計(jì)算鐵

試樣的腐蝕速度V-和Vp。

解：由題意得：

根據(jù)V=A/nF=i8r可知

V』(A/nF)lco/s

=55.845x0.55x0.001/2x26.8x4x0.0001=1.4326g/m2h

查表得d(Fe)=7.8g/cm3

Vp=8.76V7d=8.76xl.4326/7.8=1.61mm/y

-3-

2

即鐵試樣的腐蝕速度V-=1.4326g/m*hVp=1.61mm/y

第二章

1.將銅片和鋅片插在3%NaCI溶液中，測(cè)得銅片和鋅片未接通時(shí)的電位分別為+0.05V和

-0.83V。當(dāng)用導(dǎo)線通過電流表把銅片和鋅片接通，原電池開始工作，電流表指示的穩(wěn)定電流

為0.15mAo已知電路的歐姆電阻為200。。

(1)原電池工作后陽極和陰極的電位差Ec-Ea=?

(2)陽極極化值A(chǔ)Ea與陰極極化值A(chǔ)E。的絕對(duì)值之和AEa+IAE。|等于多少？

(3)如果陽極和陰極都不極化，電流表指示應(yīng)為多少？

(4)如果使用零電阻電流表，且溶液電阻可以忽稍不計(jì)，那末電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，陽極與

陰極的電位差Ec-Ea，陽極極化值與陰極極化值的絕對(duì)值之和AEa+|AEC|等于多少？電

流表的指示又為多少？

解：由題意得：

(1)：根據(jù)Ec-Ea=IR則有：Ec-Ea=IR=0.51mAx200歐=30mV=0.03V

即原電池工作后陽極和陰極的電壓差Ec-Ea=0.03V

(2)：AEa=Ea-Eoa|AEC|=EOC-EC

△Ea4-|AEc|=Ea-Eoa+Eoc-Ec=(Eoc-Eoa)-(Ec-Ea)

=0.05+0.83-0.03=0.85V

即陽極極化值4Ea與陰極極化值aEc的絕對(duì)值之和為0.85Vo

(3)：如果陽極和陰極都不極化，則有Pc=0,Pa=0

lcor=(Eoc-Eoa)/R=(0.05+0.83)/200=0.0044A=4.4mA

即電流表指示應(yīng)為4.4mAo

(4)：當(dāng)使用零電阻電流表時(shí)有，陽極與陰極的電位差Ec=Ea,則

有：電位差Ec-Ea=0

由⑵知:AEa+|AEc|=(Ea-Ec)-(Eoa-Eoc)=0-(-0.83-0.5)=0.88V

Pc+Pa=(Eoc-Ec+Ea-Eoa)/^=(0.88-0.03)/0.15x103=5666.7。

-4-

l=(Eoc-Eoa)/(Pc+Pa)=(0.05+0.83)/5666.7=0.000155A

2.某腐蝕體系的參數(shù)為：

Eo=-0.4V,E0c=0.8V,￡^=-0.270當(dāng)R=0時(shí)，1co產(chǎn)10mA,該腐蝕電池屬于什么控制

類型？如果歐姆電阻R=90Q,那末I，8產(chǎn)？腐蝕電池又屬于什么控制類型？

解：由題可知：當(dāng)R=0時(shí)有：

lcor=(Eoc-Eoa)/(Pc+Pa)

Pc+Pa=(Eoc-Eoa)/1co「=(0.8+0.4)/1Oxio-^=l2OQ

Pc=(Eoc-Ec)/lcor=(0.8+0.2)/10x10々=100Q

貝ij有Pa=120-l00=20Q

因?yàn)镻c?Pa,所以該電池屬于陽極極化控制。

當(dāng)歐姆電阻R=90Q時(shí)有：

Icor=(Eoc-Eoa)/(Pc+Pa+R)=(0.8+0.4)/(120+90)=5.71mA

因?yàn)镽與Pc接近，所以該腐蝕電池為歐姆電阻和陽極極化共同控制。

第三章

1.在下列情況下，氧電極反應(yīng)的平衡電位如何變化：

⑴溫度升高10oC(取Po2=1atm,pH=7)o

(2)氧壓力增大到原來的10倍(溫度25oC)。

⑶溶液pH值下降1單位(溫度25oC)=

解：在中性溶液中，陰極的反應(yīng)為：O+2HO+4e-=40H-

22

其平衡位則為Ee=Eo_/02+^Iln(Po/a4-)

(UL-/UGnF/OH

(1)當(dāng)溫度升高10℃后有：

-5-

Ee=E0QH_Q2)+^^'3PoJa")

=E+5Lln(PO2/a4)+10R_lnPoja，-

nFOHnFOH

則平衡電位變化量△Ee1=Ee'-Ee=^^(Poya4-)

nFOH

10R

=125.InPo2-Ina4-

nFnFOH

又因Ina4=2.3lga4，則有又=pH—14

°HOHOH

所以：^Eel=10x8.314/(4x96500)x

InPo2-10x8.314/(4x96500)x4x2.3x(7-14)

=0+0.01387=0.0139V>0

即：溫度升高10℃后平衡電位正移0.0139Vo

(2)當(dāng)氧壓力增加到原來的10倍時(shí)

Ee'=E+EllnCIOPoJa，)=E+￡Lln10+更ln(PoJa4-)

2nFOHnFnFOH

△E2=Ee"—Ee=^Zln10

nF

=(8.314x298.15)/(4x96500)x2.3

=0.0148V>0

即氧壓力增大到原來的10倍時(shí)有氧電極平衡電位正移0.0148V

(3)當(dāng)溶液pH值下降1時(shí)有

4RT

Ee-=E+四nF%-)=E+5IlnPo2-lna-

3nFOHnFnFOH

,,,

△E3=Ee~Ee=E+5LlnPo2—Ina—(E+HDnPo2—In

nFnFOHnFnF

a)

OH

4RT

=—4RT.2.3(PH1-14)+.2.3(pH-14)

nFnF

=曳x?3=8.315x298.15x2.3=0.0591V>0

F96500

即pH值下降1個(gè)單位，氧電壓反應(yīng)平衡電位正移0.0591Vo

-6-

2.將鐵置于飽和空氣的堿溶液(pH=10)中，按陽極反應(yīng)為

(1)Fe+Fe2++2e

(2)Fe+2OH-=Fe(OH)2+2e

計(jì)算腐蝕傾向，二者是否相同？為什么？

解：在pH=10的堿溶液中，去極化還原反應(yīng)為：

O+2H0+4e-=4OH-

22

Ee=E%H3,+^n(P0ja")

00591

=0.401+.lg(0.21/w16)

4

=0.627V

⑴當(dāng)陽極反應(yīng)為Fe=Fe?+2e-

有Fe?++2OH-=Fe(OH)2\

查得Ksp._=1.87x10-15

1rFe(Url)-)

157

a(Fe2+)=KspFe(0H)/a[OH]2=1.87x10-/w*=1.87x10-mol/L

由：Fe=Fe2++2e-

又有Eea=-0.440+0.02955lga(Fe2+)

=-0.440+0*02955lg1.8x10-7

=-0.639V

(2)當(dāng)陽極反應(yīng)為Fe+2OH=Fe(OH)2+2e

查表有Ee?=-0.875V[OH]=10Mmol/L

Fe/(OH)2

Ee=Eo+RTln(1/a[OH]4)

TTF-

=-0.875+(8.315x298.15)/(2x96500)x2x2.3lg10-

=-0.639V

綜上則有兩種計(jì)算所得結(jié)果相同，即二者的腐蝕傾向一樣。

-7-

3.將兩根銅棒分別浸于0.01mol/LCuSC>4溶液和0.5mol/LCuSO,溶液，組成一個(gè)金屬離子濃

差電池。

(1)哪一根銅棒是陽極，哪一根銅棒是陰極？

(2)寫出陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，計(jì)算其平衡電位。

該金屬離子濃差電池的腐蝕傾向是多少伏？

解：⑴銅棒在0.01mol/LCuSC>4溶液中時(shí)有：Cu=Cu^+2e-

查表得：Y(Cu2+)=0.41

又根據(jù)Ee=Eo+曳Ina(Qu2+)

cu/cu2+nF

=0.337+0059lg(0.01x0.41)=0.266V

2

當(dāng)銅棒在0.5mol/LCuSC>4溶液中時(shí)有：y(cu2+)=0.0668

Ee■=Eo+_2JIna(Cu2+)z

Cu/cu2+nF

=0.337+00591g(0.5x0.0668)

2

=0.293V

因?yàn)镋e<Ee,，即銅在0.01mol/LCuSC>4溶液中的電位比在

Cu/cu2+Cu/cu2+

0.5mol/LCuSC)4溶液中電位低。故有銅在0.01mol/LCuSC)4溶液中作

陽極，而在0.5mol/LCuSC)4溶液中的銅棒作陰極。

2+

(2)陽極反應(yīng)：Cu=Cu+2e-

其平衡電位Eea=0.266V

2+

陰極反應(yīng)Cu+2e-=Cu,其平衡電位Ee'=0.293V

(3)Eec=Ee'=0.293V

Cu/cu2+

而Eea=Ee'=0.266V

QJ/CU2+

有腐蝕傾向Eec-Eea=0.293-0.266=0.027V=27mV

即該金屬離子濃差電池的腐蝕傾向是27mV

-8-

第四章

1.表面積為20cm2的鐵樣品浸泡在PH=1的除氧酸溶液中，經(jīng)過50h試驗(yàn)，測(cè)得了鐵樣品

的損失質(zhì)量為0.1g,已知在鐵的表面上析氧反應(yīng)符合Tafel公式n=-0.64-0.125lg|i|,n的單

位為V,i的單位為A/crw,試計(jì)算：

(1)樣品厚度的減少△h(mm);

(2)鐵電流的腐蝕電流密度icor(A/m2);

(3)鐵試樣的腐蝕電位

解：(1)根據(jù)失重腐蝕v="=°-1=1g/m2.h

St20x10-4x50

V-

?*.Vp=8.76=8.76x1/7.8=1.12mm/y

d

fc

/.有△h=Vp.t=1.12x50/(365x24)=0.0064mm

即樣品的厚度加少量為0.0064mm

A.一

(2)根據(jù)v-=—i可知有：

nFcor

nFV-2x26.8x1

i=—=0.9606A/m2

corA55.8

陰極反應(yīng)2H++2e=Hz

當(dāng)pH=1時(shí)其平衡電位

Eec=-0.0591pH=-0.0591X1=-0.059(V)

在腐蝕電位下，陰極反應(yīng)過電位：

Vc=Eg「Eec=-0.64-0.1251g|icor|(V)

所以E8r=-0.64-0.125lgIicor|+E6c

=-0.64-0.125X(lg0.9606X10-4)-0.059

=-0.707V(vsSHE)

=-0.707V-0.242=-0.949(vsSCE)

2.海水中的含氧量為3.2mg/L,求一年中鋅的消耗量？(氧的擴(kuò)散層厚度為6=10Ncm,擴(kuò)

散系數(shù)為D=1.9x1(y5cm2/s,Zn的原子量為65.4)

解：由題知有：

在海水中陰極反應(yīng)為Q2+2H2O+4e=4OFT

-9-

dNcb_cs

在穩(wěn)定條件時(shí)有：|ic|=Nf|—|=nFD/

at6

Cb

當(dāng)cs減小到零時(shí)有Iic|=id=nFD—

=4x26.8A.h/molx1.9x1O-5cm2/sx32mg1L險(xiǎn)an

32gW

=[4x26.8x1.9x10-5x32*10-3/(32x10-]x3600x10x1O-3

=0.7332A/m2

icor=id=0.7332A/m2

查表得dzn=7.1g/cm3Zn-2e=Zn2+

..有腐蝕深度Vp=8.76—=x-xI

dzndnFcor

=8.76x65.4x0.7332/(7.1x2x26.8)

=1.104mm/a

A

腐蝕速度:V-=-u=65.4x0.7332/2x26.8=0.8956g/m2.h

nFcory

3對(duì)如下兩個(gè)電極系統(tǒng)：

(a)Hg—0.1mol/LHCI

(b)Pt—1mol/LH2SO4

分別進(jìn)行陰極極化，測(cè)量數(shù)據(jù)列于表1。要求：

(1)分別畫出在汞電極上和鉗電極上析氫反應(yīng)的陰極極化過電位曲線。

(2)圖上求Tafel斜率、和交換電流密度ioo

(3)為了使電位偏離平衡電位+10mV,需要通入多大的外加極化電流(取n=1)?

比較兩個(gè)電極的極化性能。

表1陰極極化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(25。C)

極化電流密度|ij極化電位E(V,vsSCE)

(A/R12)Hg電極Pt電極

5X103-0.5370

2.5X103-0.4991

-10-

103-1.6164-0.4511

5X102-1.5780-0.4040

102-1.5085-0.3362

10-1.3815

1-1.2665

解：⑴對(duì)于Hg電極有：陰極反應(yīng)：2H++2e-=H2有丫=0.796

DT

.?.Eec=--ln(2H+)2=0.0591lg(0.1x0.796)=-0.065(V)

nF

當(dāng)|ic|=103A/m2即lg|ic|=3時(shí)有

y=E-Eec=-1.6164(VsSce)+0.065=(-1.6164+0.242)+0.065=-1.311(V)

同理有：當(dāng)|ic|=5x102A/nf時(shí)，lg|ic|=2.7時(shí)有：

y=-1.5780+0.242+0.064=-1.272(V)

當(dāng)|ic|=102時(shí)，lg|ic|=2,y=—1.5085+0.242+0.065=—1.202(V)

當(dāng)|ic|=10時(shí)，lg|ic|=1,y=-1.3815+0.242+0.065=-1.080(V)

當(dāng)|ic|=1時(shí)，lg|ic|=0,y=-1.2665+0.242+0.065=-0.961(V)

對(duì)于Pt電極有:2H++2e=H2,當(dāng)H2SO4為1mol/L時(shí)Y=0.13

DT

.?.Eec=--ln(2H+)2=0.0591lg(2x0.13)=-0.035(V)

nF

當(dāng)|ic|=5x103A/m2即lg|ic|=3時(shí)有:

y=E-Eec=-0.5370(VsSce)+0.035=(-0.5370+0.242)+0.035=-0.26(V)當(dāng)

|ic|=5xW3時(shí)，lg|ic|=3.4,y=-0.4991+0.242+0.035=-0.222(V)

當(dāng)|i*103時(shí)，lg|ic|=3,y=-0.4511+0.242+0.035=-0.171(V)

當(dāng)|ic|=5x102時(shí)，|g|iC|=2.7,y=-0.3362+0.242+0.035=-0.059(V)

當(dāng)阻=1。2時(shí)，lg|ic|=2,y=-0.3362+0.242+0.035=—0.059(V)

極化曲線如下:

-11-

(2)由圖知直線斜率即為Tafel斜率be,截距為氫過電位a。

①對(duì)于Hg-0.1mol/LHCIW：

.-1.311-(-0.961)-…

斜率K=-------------------------=0.117

3—U

.\Tafel斜率bc=-K=0.117V

當(dāng)lie|取1時(shí)有Ye=-0.961V,即氫過電位a=-0.961V

...由塔菲爾公式：Yc=—bclgi。，得:

-0.961=0.1171gi°

則：lgi°=-7.265即i0=5.4x1(T8A/m2

②對(duì)于Pt-1mol/LH2so4有：

x-0.26-(-0.176)

斜率K=-''■=-0.112

375-3

.?.Tafel斜率bc=0.112V

當(dāng)|ic|取1時(shí)有Ye=0.180V,即氫過電位a=0.180V

...由塔菲爾公式：Yc=—bclgi。，代入有：0.180=-0.112lgio

得iO=40.46A/m2

(3)當(dāng)極化值A(chǔ)EnlOmv時(shí)，屬于微極化范疇，由Fanardy方程式：i=n/Rf

①對(duì)于Hg-0.1mol/LHCI有：

Rf=RT/(ionF)=8.314x298/(96500x10-7.265)=4.755x1OsQ

-12-

=n/Rf=0.01/4.755x105=2.1x10-8A/m2

②對(duì)于Pt-1mol/LH2SO4有：

Rf=RT/(ionF)=8.314x298/(96500x101.607)=6.346x10-4Q

b=n/Rf=0.01/6.346x10-4=16A/m2

4.銷電極在充氧的中性水溶液中進(jìn)行陰極極化，電極表面發(fā)生氧離子化反應(yīng)。利用氧離子

化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)(>=0.110V,io=1.198X10-6mA/cm2=1.198X10.5A/m2),計(jì)算當(dāng)|i/=

時(shí)，陰極極化過電位其中濃度極化過電位和活化極化過電位各占多

7X10-2mA/cm2v,v液v活

大比例?

擴(kuò)散層厚度取6=ICkcm,水中溶解氧濃度為3.2mg/L。

比較氫電極反應(yīng)和氧電極反應(yīng)的陰極極化特征。

解：濃度極化時(shí)有：Cb=3.2mg/L=3.2x10-3g/L=^'2x1^"3g/L=10-4mol/L

32g/mol

nFDCb

極限擴(kuò)散電流密度I=時(shí)代入數(shù)據(jù)，則有:

d6

4x26.8A/molx1.9x10-5x104m2/hx3600x10^x103moi/rrn

0.733A/m2

d10-2x10-2m

...y=bclg(1-LU)=O.110xlg(1-0-7n7QQ)=-0.525V

球i/u./00

d

活化極化時(shí)有：

y=-bclg13-0.WOxlp07=-0.110xlg(0.58x10s)=-0.525V

c活ioT.198x10-5

陰極極化的過電位

y=y+y=_Q.148+(-0.525)=一0.673V

c濃活

y-0.525

有：W■—-x100%=78%

y洛y-0.673

c

W一°，1嗎100%=22%

y濃y-0.673

c

所以氧電極受濃度極化與活化極化共同控制，其中活化極化占大部份，而氫電極主要受

活化極化控制。

5.一個(gè)活化極化控制腐蝕體系，陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)的交換電流密度為i。、i。；Tafel斜率

ca

為口、ba；腐蝕電位滿足條件Eea?E<<￡^0

-13-

設(shè)加入陰極性緩蝕劑，使陰極反應(yīng)受到抑制，陰極反應(yīng)交換電流密度改變?yōu)?i。)'。假

C

定其他參數(shù)都不改變，此時(shí)腐蝕電位負(fù)移到E10r，腐蝕電流密度下降到i*oro

(1)作加入緩蝕劑先后腐蝕體系的極化曲線圖。

用圖解法求腐蝕電流密度的變化r/二和腐蝕電位的變化；

(2)r=icorcurAE=Ecoror-EGurnrro

解：極化曲線如右圖；

AD+BD

由圖可知有：

DB=—(lg|i'|—lg|i|)=(IgLa_)-i,AB=-(lg|io'|-|g|io|)=(lg^)-i

corcorjccjo

corc

CD

的1「)7=(BDU』'hf.:IQbe又EE=CD=CDxBD.

iCDCD|jo|ibe+baiocor8rBD

corAD+BD°cor°

..be,io'babe.i°,

.A\EC=Ec-E=bax_____?xlg^_=_____lg_c_

wcorba+beioba+beio

6.一個(gè)陽極反應(yīng)受活化極化控制、陰極反應(yīng)受濃度極

化控制的腐蝕體系，陰極反應(yīng)的極限擴(kuò)散電流密度為

id，腐蝕電位為Ecoro

由于攪拌使陰極反應(yīng)的極限擴(kuò)散電流密度上升

到i'd，陽極反應(yīng)參數(shù)不變；腐蝕電位正移到E*cor?

(1)作腐蝕體系的極化曲線圖。

(2)用圖解法求腐蝕電位變化AE=E?cor-Ecor?

解：(1)極化曲線如右圖；

(2)由(1)極化曲線可知，在aABC中

Ap

陽極反應(yīng)的Tafel斜率ba=tana=—

AB

-14-

:腐蝕電位變化AE=E'-E=AC=ABtana=(lg|i'|-lg|i|)tana=balg

corcordd

第五章

思量題：

1.交換電流密度的概念及意義，與電極反應(yīng)極化性能的關(guān)系；過電位和電極反應(yīng)速度的關(guān)系。動(dòng)

力學(xué)方程的普通表達(dá)式；Tafel方程式的數(shù)學(xué)形式、圖形表示以及合用條件；極限擴(kuò)散電流密度

的計(jì)算。

答：析氫腐蝕的陰極反應(yīng)是氫離子的還原反應(yīng)，發(fā)生電學(xué)腐蝕的條件是

Eea<Eec發(fā)生析氫腐蝕的體系包括標(biāo)準(zhǔn)電位負(fù)值很大的活潑金屬；大

Me/Men+H2/H+

多數(shù)工程上使用的金屬，如Fe在酸性溶液中，正電性的金屬普通不會(huì)發(fā)生析氫腐蝕。

但是當(dāng)溶液之中含有絡(luò)合劑使金屬離子活度很低時(shí)正電性金屬也可能發(fā)生析氫腐

蝕。析氫腐蝕的陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)都要受活化極化控制，其電極反應(yīng)的阻力表現(xiàn)

為交換電流密度的大小，比較電極反應(yīng)的阻力，則只需比較交換電流密度。因?yàn)闅?/p>

離子還原反應(yīng)受活化極化控制，因此析氫反應(yīng)符合Tafel公式:vc=a-bldid其中影響

析氫反應(yīng)動(dòng)力的有a值，即與i,有關(guān)，與材料本身及狀態(tài)，環(huán)境PH值等有關(guān)。

C

所以綜合其影響因素有：pH值，溫度，及溶液中其他組分，金屬本身雜質(zhì)，陰極還

原面積，表面狀態(tài)等。

2.對(duì)受氧擴(kuò)散控制的吸氧腐蝕體系，當(dāng)id增加到一定程度，陰極反應(yīng)將由濃度極化控制轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

濃度極化與活化極化共同影響。這種控制特征的變化與電極金屬材料有什么關(guān)系？用極化圖進(jìn)

行分析.

答：在|iq《id時(shí)，D2的還原反應(yīng)受活化極化控制，當(dāng)增加到約;id時(shí)，還原反應(yīng)

受活化極化與濃度極化共同控制。當(dāng)id增大到陽極極化曲線的交點(diǎn)，越出了氧化擴(kuò)

散控制電位，則自然狀態(tài)下陰極反應(yīng)再也不受濃度極化控制，如曲線3所示。與陽

極極化曲線的交點(diǎn)在混合控制電位區(qū)間，必須考慮活化極化作用。在分析腐蝕速

度的

影響因素時(shí)，應(yīng)包括氧化極限擴(kuò)散電流密度id和還原反應(yīng)交換電流密度i兩方面。

C

a=0.1mol/L

-15-

3.(1)在pH=0的除氧硫酸銅溶液中(CW),銅能否發(fā)生析氫腐蝕生成Cu2+?如

-15-

果能發(fā)生，腐蝕傾向是多少伏？

a=0.5mol/L

(2)在pH=10的除氧氟化鉀溶液中(CN-),銅能否發(fā)生析氫腐蝕？如果能發(fā)生,

腐蝕傾向是多少伏？

設(shè)腐蝕生成的[Cu(CN)2卜離子的活度等于10-4mol/L,已知電極反應(yīng)

Cu+2CN-=[Cu(CN)2]-+e

的標(biāo)準(zhǔn)電位E0=-0.446Vo

解(1)由題意可知，銅的氧化反應(yīng)為Cu=Cu2++2e

查表知，銅電極反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位E°=0.337V

則銅的氧化反應(yīng)的平衡電位為

Eea=E°+=InaCu2+/aCu

2F

=0.337+0.5x0.059xlg0.1

=0.3075V

又在PH=0的除氧硫酸銅溶液中有2H++2e=H

2

+

析氫反應(yīng)的平衡電位Eec=E°+lnaH/PH2

nF

得Eec=-0.0591xPH=-0.0591x0=0V

由電位比較準(zhǔn)則知Eea>Eec,所以銅不可能發(fā)生析氫腐蝕生成Cu2+<>

(2)由題意可知,銅的氧化反應(yīng)為Cu+2CN-=[Cu(CN)2]-+e

該電極反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位E0=-0.446V

則銅氧化反應(yīng)的平衡電位為

T

Eea=E°+_?lna[Cu(CN)2]~/([aCN-3aCN-])

F

=-0.446+0.0591lg10T/O.52

=-0.647V

在PH=10的除氧硫酸銅溶液中有2H++2e=H

2

析氫反應(yīng)的平衡電位Eec=-0.0591xPH=-0.0591x10=-0.591V

-16-

由電位比較準(zhǔn)則知EeoEea,所以銅能發(fā)生析氫腐蝕。

其腐蝕傾向-E=Eec-Eea=-0.591-(-0.647)=0.056V=56mV

2.(1)推導(dǎo)氫電極反應(yīng)交換電流密度iO與溶液pH值的關(guān)系式。

(2)在1mol/L鹽酸溶液中，F(xiàn)e表面上氫電極反應(yīng)的i0=2.5X10-6A/cm2,在0.01mol/L鹽

酸溶液中Fe表面上氫電極反應(yīng)的i0=?(取Tafel斜率b=0.118V),

(3)當(dāng)酸溶液的pH值改變一個(gè)單位，氫電極反應(yīng)的Tafel公式中的a的絕對(duì)值|a|改變多

少伏？

解：⑴由i°=nFkocexp(-Eec/p)

H+

兩邊同時(shí)去對(duì)數(shù)得Inio=ln[nFk。cexp(-Eec/p)]

H+

23RT

其中Eec=.lgaH-2.3pPH

nF

代入式中得

2.3Igio=2.3lg(nFkoc)+(2.3apPH)/p

H+

即lgio=lg(nFkoc)+aPH

H+

=lg(nFko)-PH+aPH

令lg(nFko)=k=常數(shù),W=0.5

則有Igio=k-PH+0.5PH=k-0.5PH

即氫電極反應(yīng)交換電流密度i。與溶液PH值的關(guān)系式為

Igio=k-0.5PH

⑵在1mol/LHCI溶液中：

0=1mol/LPH=-lg[H+]=-lg1=0

(H+)

又Igio=k_0.5PHlg(2.5x10-6)=k—0

得k=-5.6

當(dāng)為0.01mol/LHCI溶液時(shí)

-17-

①不考慮活度，a=0.01mol/LPH=-lg[H+]=-lg0.01=2

Hu+

lgio=k-0.5PH

=-5.6-0.5x2=-6.6

io=10f=2.5x10-7A/cm2

②考慮活度系數(shù)，在1mol/LHCI溶液中H+活度系數(shù)為0.809

PH=-lg[H+]=-lg0.809=0.092

又lgio=k-0.5PH

lg(2.5xio-6)=k—05x0.092

即k=-5.556

在0.01mol/LHCI溶液中，活度系數(shù)為0.904

PH=-lg[H+]=-lg(9.04x10-3)=2.044

lgio=k-0.5PH

=-0.556-0.5x2.044

=-6.578

io=2.65xiotA/cm2

即在0.01mol/LHCI溶液中，不考慮活度系數(shù)io=wF=2.5X10―?

7

A/cm2,考慮活度系數(shù)i°=2.65x10-A/cm20

(3)PH值改變一個(gè)單位時(shí)，|a|=0.118AIQL

又zJg，=(k—0.5pH)—(k—0.5pH。

=0.5(pH-PH)=0.5

得|a|=0.118x0.5=0.059V=59mV

即當(dāng)酸溶液PH值改變一個(gè)單位，氫電極反應(yīng)Tafel的公式中的a

-18-

的絕對(duì)值忖改變59mVo

3.鋼制容器用作酸溶液的中間貯槽，與酸溶液接觸的表面積為15m2,進(jìn)入貯槽的酸溶液的

工藝條件為：

pH=2.5,25oC,1atm,并含有4.5mg/L的溶解氧，流量0.Iiro/min。

實(shí)驗(yàn)測(cè)出容器表面的腐蝕電位E8r=-0.54V(vsSCE)。

(1)求鋼容器的腐蝕速度。

(2)求流出的酸溶液中的氧含量。

擴(kuò)散層厚度取6=5X10-3cm。

解：⑴析氫反應(yīng)陰極2H++2e=H

2

EeC=E°+區(qū)丁ln[aH+]x[aH*]用出

nF

=0.0591lg[H+]=O.O591xlgioW=-0.148V

Igio=-5.602-0.5PH=-5.602-0.5x2.5=-6.852

即io=10-6852=1.41X10-7A/cm2

v=Ecor+0.242-Eec=-0.54+0.242-(-0.148)=-0.15V

由V=-0.1181g|ic|/io呵=ioX100.15/0.118=1.41x10015/0.118

=2.6xio-6A/cm2

吸氧反應(yīng)O+4H++4e=2HO

22

i=nFDCM

d

=4x96500x1.9x10-5(1.41xw-7)/(5x10-°)xw-3

=2.07x10uA/cm2

i=i+|c|=2.07x10-4+2.6x10-6

cord

=2.1xioA/cm2

因Vp=8.76xv-/dmm/y,v-=J^xjg/(m2h)

nFcor

所以Vp=8.76/dxSXi=876X56X2.1x10104

nFcor7.953.6

-19-

=2.43mm/y

(2)氧消耗速度為：

(ixS)/(Fn)x60xA=(2.07x15)/(96500x4)x60x32=0.154g/min

d

流入酸中的氧流量為0.45g/min

所以剩余氧量為0.45—0.154=0.296g/min=2.96mg/min

即鋼容器的腐蝕速度為Vp=2.43mm/y,流出的酸溶液中的氧含量為

0.296g/min,即為2.96mg/min。

第六章

1.鐵和兩種不銹鋼在除氧的0.5mol/L硫酸溶液中的鈍化參數(shù)列于表1。(在不銹鋼表面上析

氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)采用鐵的數(shù)據(jù))

(1)這三種體系的陽極反應(yīng)電流峰值ip分別為多少？

(2)如果要由通入氧氣來使鐵和不銹鋼鈍化，溶液中至少需要含有多少氧(mg/L)?

表1三種腐蝕〃K系的鈍化參數(shù)

材料溶液E(V)i致(mA/cm2)

p

Fe0.5mol/LHSO+0.46200

Cr25不銹鋼0.5mol/LH.SO，-0.1825.4

Cr25Ni3不銹鋼0.5mol/LH°SC\-0.112.0

⑴解：陰極反應(yīng)：2H++2e-H2

E=0.05911g?H+

ec

查表可得：當(dāng)硫酸溶液為0.5mol/L時(shí)，丫=0.154

/.Eec=0.0591lg0.5x2x0.154=A.048V

又v=a—big"其中|i|=〃

查表可得：a=-0.70V,b=0.125V

①.對(duì)于Fe：v=E_E=0.46+0.048=0.508V

Pec

-20-

/.|i|=|ic|=2.17x10-10(A/cm2)

c?*EP

cm2

=200x10-32.17X1O-io=2OOmA/=0.2A/cm2

故小「『lb+

EP

②.對(duì)于Cr25不銹鋼：v=E—E=-0.18+0.048=-0.132V

Pec

|i卜收=2.86x10-5A/cm2

故i=i+|i1=25,4x10-3+2.86X1OF2.53x1O-2A/cm2

p致I4EP

③.對(duì)于Cr25Ni3銹鋼:v=E—E=-0.11+0.048=—0.062V

Pec

山明=7.87x10-6A/cm2

'EP

故i=i+|iI=2x10-3+7.87X1Of的10-3A/Cm2

P致I，

（2）使鐵和不銹鋼鈍化時(shí)應(yīng)滿足：i>i

dP

...nFD-^>I,BP：Cb>p_

6PnFD

好可得：D=1.9x10—Cm2s,尸=26.8A.h/mol,6=10-2cm

①.對(duì)于Fe：

CI60.2K10-21

6〉=._xs=0.273mol/L

nFD4x26.8x1,9x1CM3600x1U—3

因?yàn)檠鹾坎荒苓_(dá)到0.273mol/L,不能使Fe鈍化

②.對(duì)于Cr25不銹鋼

A?62.54.10-2

bi>>R_=',.——彳八=3.46?W-2mol/L

nFD4.268.1910^3600.10-3

要使Cr25不銹鋼鈍化，溶液中的氧含量至少應(yīng)為3.46x10-2mol/L

③.對(duì)于,Cr25Ni3不銹鋼：

i6NJ0-3

5>p—=一?.一,n=2.73?W-3mol/L

nFD426819.10-53600.10-3

要使Cr25Ni3銹鋼鈍化，溶液中的氧含量至少應(yīng)為2.73x1Ocmol/L

2.如果鈍化體系的真實(shí)陽極化曲線與真實(shí)陰極極化曲線相交產(chǎn)生三個(gè)點(diǎn)時(shí)，為

什么會(huì)浮現(xiàn)陰極極化電流現(xiàn)象？

答：在自然腐蝕狀態(tài)，金屬可能發(fā)生活性溶解腐蝕，也可能鈍化。在陽極極化過

程中由于發(fā)生析氧反應(yīng)，使陰極電流密度|i|〉i,從而造成i+<0,表現(xiàn)為陰

ca

-21-

極電流，所以實(shí)測(cè)陽極極化曲線上將浮現(xiàn)一段陰極極化電流區(qū)。

第七章

1.金屬表面的膜具有保護(hù)性的條件是什么？

(1)體積條件(P-B比)，氧化物體積與消耗的金屬體積之比大于1是氧化膜具

有保護(hù)性的必要條件。

(2)膜有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，致密，缺陷少，蒸氣壓低。

(3)生成的膜有一定的強(qiáng)度和塑性，與基體結(jié)合堅(jiān)固。否則，由于膜生長(zhǎng)過程

中體積膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力向能造成膜的破裂和剝離。

(4)膜與基體金屬的熱膨脹系數(shù)差異少，在溫度急劇變化時(shí)不致造成膜的破裂。

2.提高合金抗高溫氧化性能的途徑有哪些？

(1)按Hauffe原子價(jià)定律，加入適當(dāng)合金元素，減少氧化膜中的缺陷濃度。

(2)生成具有良好保護(hù)作用的復(fù)合氧化物膜。

(3)通過選擇性氧化形成保護(hù)性優(yōu)良的氧化膜。

(4)增加氧化物膜與基體金屬的結(jié)合力。在耐熱鋼和耐熱合金中加入稀土元素

能顯著提高抗高溫氧化性能。

3.已知PdO在850c時(shí)