化學腐蝕與電化學腐蝕原理

2021-01-18 辰鍍

1.腐蝕的基本概念


腐蝕的分類方法有很多,按材料腐蝕原理的不同,可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕是金屬在乾燥的氣體介質中或在不導電的液體介質中(如酒精、石油等〉發生的腐 蝕,腐蝕過程中無電流產生。電化學腐蝕是指金屬在導電的液態介質中因電化學作用導致 的腐蝕,在腐蝕過程中有電流產生。大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕等都屬於電化學腐 蝕。根據熱力學第二定律,產生金屬腐蝕的驅動力是腐蝕過程中金屬與環境介質組成系統 總自由能的降低。


按腐蝕環境不同,可將腐蝕分成3類:溼蝕(包括水溶液腐蝕、大氣腐蝕、土壤腐蝕 和化學藥品腐蝕八幹蝕(包括高溫氧化、硫腐蝕、氫腐蝕、液態金屬腐蝕、熔鹽腐蝕、羧 基腐蝕等、微生物腐蝕(包括細菌腐蝕、真菌腐蝕、流化菌腐蝕、藻類腐蝕)等。


按腐蝕形態不同,可將腐蝕分為全面腐蝕和局部腐蝕兩大類。腐蝕分布在整個金屬表 面上(包括較均勻的和不均勻的〕稱為全面腐蝕;腐蝕局限在金屬的某一部位則稱為局部腐 蝕。在全面腐蝕過程中,進行金屬溶解反應和物質還原反應的區域都非常小,甚至是超顯 微的,陰、陽極區域的位置在腐蝕過程中隨機變化,使腐蝕分布相對均勻,危害也相對小些。而在局部腐蝕過程中,腐蝕集中在局部位置上,金屬的其餘部分幾乎沒有發生腐蝕。


金屬化學腐蝕的基本原理


當裸金屬表面與乾燥的空氣或氧氣接觸時,首先將在表面形成氧分子的物理吸附層, 並迅速轉化為一層較為穩定的化學吸附膜。隨著氧化過程的繼續進行,反應物質必須先通 過膜層然後再與基體起反應,氧化速度往往由傳質過程所控制。在低溫和常溫時熱擴散不能發生,只可能發生離子電遷移,此時膜的生長速率較慢。在較高溫度時膜的增長主要依靠熱擴散。


材料化學的腐蝕動力學過程是用幾種典型形式表示的。在實際的腐蝕過程中,由於腐 蝕環境或腐蝕介質的複雜性,材料化學腐蝕的動力學過程往往是上述幾種機制的綜合。


可見,提高材料抗氧化能力的重要途徑就是改變材料的表面成分,使其氧化動力學曲 線呈對數變化。


3.金屬電化學腐蝕原理


金屬材料與電解質接觸,將發生電化學反應,在界面處形成雙電層並建立相應的電 位。這種金屬電極與溶液界面之間存在的電位差就稱為金屬的電極電位。然而,通常所說 的電極電位是指以該電極為陽極,以標準氫電極為陰極構成原電池,所測得原電池的電動 勢(即原電池開路時兩個電極之間的電位差〉,因此又稱為標準電極電位。當電極上氧化還 原反應為可逆反應時的電極稱為可逆電極,在沒有電流通過時,可逆電極所具有的電位稱 為平衡電位。平衡電位除了與該電極的標準電極電位大小有關外,還與電解質的溫度、有 效濃度(即活度)等因素有關。


4.腐蝕原電池與腐蝕微電池


如果把兩種電極電位不同的金屬同時放在同一種電解液中,並把它們用導線通過電流表連接起來,就組成了一個原電池。


5.從電化學過程來看,電流大小反映著腐蝕速度的大小。而每一個步驟的電位降,反映 著這一步驟阻滯作用的大小。根據各個步驟電壓降的大小及其在總電位差中所佔的份額, 可判定腐蝕過程中哪個步驟對抑止腐蝕起重要作用,即為腐蝕的控制步驟。控制步驟不僅 對過程的速度起著主要作用,而且在一定程度上反映腐蝕過程的實質。要減少腐蝕程度, 最有效的方法就是設法影響其控制因素。


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