实验-金属腐蚀速度的测量分析

金属腐蚀速度的测量分析一、金属腐蚀速度的测量方法1、重量法重量法是根据腐蚀前后试件质量的变化来测定金属腐蚀速度的，分为失重法和增重法两种。当金属表面上的腐蚀产物容易除净且不至于损坏金属本体时常用失重法；当腐蚀产物完全牢靠地附着在试件表面时，则采用增重法。对于失重法可由下式计算腐蚀速度：式中V失——金属的腐蚀速度，g·m-2·h-1；m0——试件腐蚀前的质量，g；m1——试件腐蚀后的质量，g；S——试件的面积，m2；t——试件腐蚀时间，h。对于增重法，即当金属表面的腐蚀产物全部附着在上面，或者腐蚀产物脱落下来可以全部收集起来时，可用下式计算腐蚀速度：式中V增——金属的腐蚀速度，g·m-2·h-1；m2——带有腐蚀产物的试件质量，g；对于密度相同的金属，可以用上述方法比较其耐腐蚀性能，对于密度不同的金属，尽管单位表面上的质量变化相同，其腐蚀深度却不一样，对此，应用腐蚀深度来表示更为合适。应当指出，重量法也有其局限和不足。首先，它只考虑均匀腐蚀的情况，而没有考虑局部腐蚀的情况。其次，对于失重法很难将腐蚀产物完全除去，如果用重量法测定其腐蚀速度，肯定不能说明实际情况。另外，失重法的实验周期较长，短则几小时，多则数年乃至数十年，对于重量法要想做出腐蚀速度(V增)－时间（t）曲线需要大量的样品和冗长的时间。2、容量法对于伴随析氢或吸氧的腐蚀过程，通过测定一定时间内的析氢量或吸氧量来StmmV10＝失StmmV02＝增计算金属的腐蚀速度的方法即为容量法。许多金属在酸性溶液中，某些电负性较强的金属在中性甚至于碱性溶液中都会发生氢去极化作用而遭到腐蚀，其中：阳极过程M→Mn++ne阴极过程nH++ne→(n/2)H2↑在阳极上金属不断失去电子而溶解的同时，溶液中的氢离子与阴极上过剩的电子结合而析出氢气。金属溶解的量和析氢出的量相当。即有一克当量的金属溶解，就有一克当量的氢析出。由实验测出一定时间内的析氢体积VH（毫升），由气压计读出大气压力P（毫米汞柱）和用温度计读出室温，并查出该室温下的饱和水蒸气的压力PH2O（毫米汞柱）。根据理想气体状态方程式：PV=NRT，可以计算出所析出氢气的摩尔数：为了得到更准确的结果，还应考虑到氢在该实验介质中的溶解量VH′，即由表查出室温下氢在该介质中的溶解度（cm3/cm3），（可用氢在水中的溶解量近似计算，并略去氢在量气管的水中的溶解量）乘以该介质的体积（cm3）。则金属的腐蚀速度：式中N—金属的氧化还原当量，g；S—金属的暴露面积，m2；t—金属腐蚀的时间，h；R—气体状态常数62.36ml·毫米汞柱×103/摩尔·度。3、极化曲线法当金属浸于腐蚀介质时，如果金属的平衡电极电位低于介质中去极化剂（如H+或氧分子）的平衡电极电位，则金属和介质构成一个腐蚀体系，称为共轭体系。此时，金属发生阳极溶解，去极化剂发生还原。以金属锌在盐酸体系中为例：阳极反应：Zn-2e=Zn2+阴极反应：H++2e=H2阳极反应的电流密度以ia表示，阴极反应的速度以ik表示，当体系达到稳定时，即金属处于自腐蚀状态时，ia=ik=icorr（icorr为腐蚀电流），体系不会有净的电流积累，体系处于一稳定电位c。根据法拉第定律，体系通过的电流和电极上发生反应的物质的量存在严格的一一对应关系，故可阴阳极反应的电流密度代表阴阳极反应的腐蚀速度。金属自腐蚀状态的腐蚀电流密度即代表了金属的腐蚀速度。因此求得金属腐蚀电流即代表了金属的腐蚀速度。金属处于自腐蚀状态时，外测电流为零。极化电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线称为极化曲线。极化曲线在金属腐蚀研究中有重要的意义。测量腐蚀体系的阴阳极极化曲线可以揭示腐蚀的控制因素及缓蚀剂的作用机理。在腐蚀点位附近积弱极化区的举行集会测量可以可以快速求得腐蚀速度。还可以通过极化曲线的测量获得阴极保护和阳极保护的主要参数。在活化极化控制下，金属腐蚀速度的一般方程式为：其中I为外测电流密度，ia为金属阳极溶解的速度，ik为去极化剂还原的速度，βa、βk分别为金属阳极溶解的自然对数塔菲尔斜率和去极化剂还原的自然对数塔菲尔斜率。若以十为底的对数，则表示为ba、bk。这就是腐蚀金属电极的极化曲线方程式，令∆E称为腐蚀金属电极的极化值，∆E＝0时，I＝0；∆E0时，是阳极极化，I0,体系通过阳极电流。∆E0时，I0，体系通过的是阴极电流，此时是对腐蚀金属电极进行阴极极化。因此外测电流密度也称为极化电流密度：测定腐蚀速度的塔菲尔直线外推法当对电极进行阳极极化，在强极化区，阴极分支电流ik=0：改写为对数形式：当对电极进行阴极极化，∆E0,在强极化区，阳极分支电流ia=0：改写成对数形式:)]exp()[exp(kcaccorrkaiiiIcE)]exp()[exp(kacorrEEiI)exp(acorraEiiIcorracorraiIbiIElgln)exp(kcorrEiIcorrkcorrkiIbiIElgln强极化区，极化值与外测电流满足塔菲尔关系式，如果将极化曲线上的塔菲尔区外推到腐蚀电位处，得到的交点坐标就是腐蚀电流。图1塔菲尔外推法求金属腐蚀电流的基本原理二、实验数据记录及处理1、实验数据记录选择材料为45钢，腐蚀溶液为3.5%NaCl溶液。（1）腐蚀前：试样尺寸（mm）重量（g）高度（mm）腐蚀前20.1431.8010.90（2）腐蚀中：实验过程中试样反应速度很缓慢，基本上无变化，腐蚀过程数据记录如下：初始(ml)10min20min30min1h2h94.594.494.394.193.793.6（3）腐蚀后：试样尺寸（mm）重量（g）高度（mm）腐蚀后20.1031.7210.852、数据处理(1)容量法由公式：得出NH=(760mmHg-11.987mmHg)×(94.5ml-93.6ml)/(62.36×14)=0.771mol由公式：查表得VH,=0.0192S=π×（20.1/2）2×2+π×20.1×10.9=1322.91mm2=0.00132m2得：v=N×2NH×(VH+VH,)/(s×t)=0.05×2×0.771×(0.9-0.0192)/(0.00132×2)=25.72g/m2·h(2)失重法：V=（31.80-31.72）/（0.00132×2）=30.01g/m2·h三、思考题StmmV10＝失1、重量法和容量法测定金属腐蚀速度的优缺点、适用范围及误差来源？答：对于密度相同的金属，可以用重量法比较其耐腐蚀性能，对于密度不同的金属，尽管单位表面上的质量变化相同，其腐蚀深度却不一样，对此，应用腐蚀深度来表示更为合适。应当指出，重量法也有其局限和不足。首先，它只考虑均匀腐蚀的情况，而没有考虑局部腐蚀的情况。其次，对于失重法很难将腐蚀产物完全除去，如果用重量法测定其腐蚀速度，肯定不能说明实际情况。另外，失重法的实验周期较长，短则几小时，多则数年乃至数十年，对于重量法要想做出腐蚀速度(V增)－时间（t）曲线需要大量的样品和冗长的时间。而容量法测量也简单，但只能测量有气体产生的物质，且读数时存在较大误差。重量法误差来源：腐蚀产物没有完全去除、天平称重精确度不够、没完全干燥等原因。容量法误差来源：测定时仍有反应进行，即系统误差；容器读数误差，即偶然误差。2、分析不同金属腐蚀产生的现象及原因？答：金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化（离子）状态。腐蚀过程一般通过两种途径进行：化学腐蚀和电化学腐蚀。（1）化学腐蚀：金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。（2）电化学腐蚀：金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触,通过电极反应产生的腐蚀。3、分析不同溶液浓度下金属的腐蚀速度？答：对同一电解质,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。4、讨论涂层对金属腐蚀行为的影响程度？涂层有效阻止、减缓了腐蚀的发生。涂层的作用主要是物理阻隔作用，将金属基体与外界环境分离，从而避免金属与周围环境的作用。但是有两种原因导致金属腐蚀。一是涂层本身存在缺陷，有针孔的存在；二是在施工和运作过程中不可避免涂层会破坏，使金属暴露于腐蚀环境。这些缺陷的存在导致大阴极小阳极的现象，使得涂层破损处腐蚀加速。