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阳极极化曲线

实验五阳极极化曲线的测定

一、实验目的

1.掌握用恒电位法测定碳钢在碳铵溶液中的阳极极化曲线。

2.了解阳极极化曲线的意义和应用。

二、实验原理

1.电极的极化

在研究可逆电池的电动势和电池反应时, 电极上几乎没有电流通过,每个电极或电池反应都是在无限接近于平衡条件下进行的,因此电极反应是可逆的。当有电流通过电池时,则电极的平衡状态被破坏,此时电极反应处于不可逆状态,随着电极上电流密度的增加,电极反应的不可逆程度也随之增大。在有电流通过电极时,由于电极反应的不可逆而使电极电位偏离平衡值的现象称为电极的极化。

当把金属插入其盐溶液中时,金属表面上的正离子受到极性水分子的作用,有变成溶剂化离子进入溶液而将电子留在金属表面的倾向。与此同时,溶液中的金属离子也有从溶液中沉积到金属表面的倾向。当这种溶解与沉积达到平衡时,形成了双电层,在金属/溶液界面上建立起一个不变的电位差值,这个电位差值就是金属的平衡电位,E R表示。当有电流通过电极时,电极电势偏离平衡电极电势,成为不可逆电极电势,用E IR表示;通常把某一电流密度下的电势E R与E IR之间的差值的绝对值称为超电势,即:η=│E IR-E R│。

影响超电势的因素很多,如电极材料,电极的表面状态,电流密度,温度,电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等。

2.极化曲线

为了探索电极过程的机理及影响电极过程的各种因素,必须对电极过程进行研究,在该研究过程中极化曲线的测定是重要的方法之一。根据实验测出的数据来描述电流密度与电极电位之间关系的曲线称为极化曲线,如图5-1所示。

阳极极化曲线

图5-1 金属极化曲线

ab.活性溶解区; b.临界钝化点; bc.钝化过渡区; cd.钝化稳定区; de.超(过)钝

化区

金属的阳极过程是指金属作为阳极时,在一定的外电势下发生的阳极溶解过程,如下式所示:

M → M n+ + ne-

此过程只有在电极电位大于其热力学电位时才能发生。阳极的溶解速度随电位变正而逐渐增大,这是正常的阳极溶出,当阳极电位正到某一数值时,其溶解速度达到一最大值。此后阳极溶解速度随着电位变正,反而大幅度的降低,这种现象称为金属的钝化现象。

图5-1曲线表明,电位从a点开始上升(即电位向正方向移动),电流密度也随之增加;电位超过b点以后,电流密度迅速减至很小,这是因为在金属表面上生成了一层电阻高、耐腐蚀的钝化膜;到达c点以后,电位再继续上升,电流仍保持在一个基本不变的很小的数值上;电位升到d点后,电流又随电位的上升而增大。从a点到b点的范围称为活性溶解区;b点到c点称为钝化过渡区;c点到d点称为钝化稳定区;d点以后称为过钝化区。对应于c~d段的电流密度称为维钝电流密度。如果对金属通入维钝电流,再用维钝电流保持其表面的钝化膜不消失,则金属的腐蚀速度将大大降低,这就是阳极保护的基本原理。

3..影响金属钝化过程的几个因素

影响金属钝化过程及钝化性质的因素,可归纳为以下几点:

(1) 溶液的组成。在中性溶液中,金属一般比较容易钝化,而在酸性或某些碱性溶液中,则不易钝化;溶液中卤素离子(特别是Cl-)的存在,能明显地阻止金属的钝化;溶

2-)则可以促进金属的钝化。

液中存在某些具有氧化性的阴离子(如CrO

4

(2) 金属的化学组成和结构。各种纯金属的钝化能力不尽相同,例如铁、镍、铬三种金属的钝化能力为铬>镍>铁。因此,添加铬、镍可以提高钢铁的钝化能力及钝化的稳定性。

(3) 外界因素(如温度、搅拌等)。一般来说,温度升高以及搅拌加剧,可以推迟或防止钝化过程的发生,这与离子扩散有关。

4.极化曲线的测量

恒电位法:将研究电极上的电位控制在某一数值上,然后测量对应于该电位下的电流。由于电极表面状态在未建立稳定状态之前,电流会随时间而改变,故一般测出来的曲线为“暂态”极化曲线。在实际测量中,常采用的控制电位测量方法有下列两种:

(1) 静态法:将电极电位较长时间地维持在某一恒定值,同时测量电流随时间的变化,直到电流值基本上达到某一稳定值。如此每隔20~50 mV逐点地测量各个电极电位下的稳定电流值,即可获得完整的极化曲线。

(2) 动态法:控制电极电位以较慢的速度连续地改变(扫描),并测量对应电位下的瞬时电流值,并以瞬时电流与对应的电极电位作图,获得整个的极化曲线。扫描速度(即电位变化的速度)应较慢,使所测得的极化曲线与采用静态法的接近。

比较上述两种测量方法,静态法测量结果较接近稳态值,但测量的时间较长;而动态法距稳态值相对较差,但测量的时间较短,故在实际工作中,常采用动态法来进行测量。

恒电流法:将研究电极的电流恒定在某定值下,测量其对应的电极电位,得到的极化曲线。但恒电流法所得到的阳极极化曲线不能完整地描绘出碳钢的溶解和钝化的实际过程。Abc段测不出。

本实验采用恒电位动态法测量碳钢电极的阳极极化曲线。

5.研究电极超电势通常采用三电极法,其装置如图示。

阳极极化曲线

图5-2 三电极装置图

辅助电极的作用是与研究电极构成回路,组成电解池,通过电流,借以改变研究电极的电势。参比电极与研究电极组成电池,恒电位仪测定其电势差(电动势)即以饱和甘汞

电极为参比的研究电极的电极电势值,E

研究=E+E

参比

。参比电极为负极,阳极电极为正极。

三、仪器与药品

HDY-I恒电位仪1台;碳钢电极(研究电极)1支;

饱和甘汞电极(参比电极)1支;铂电极(辅助电极)1支;

100mL三口电解池1只; 50mL量筒2只(公用);

饱和碳酸氢铵溶液;浓氨水等。

四、实验步骤

1. 用金相砂纸将研究电极磨光,再用绒布抛光成镜面,用脱脂棉沾丙酮除油。电极除一个工作面外,其余各面均用环氧树脂封住。

2. 打开恒电位仪开关,预热15min。

3. 用量筒分别量取30mL饱和碳酸氢铵溶液和30mL浓氨水,加至100mL三口电解池中。固定电解池于铁架台上,将研究电极(碳钢电极)、铂电极、甘汞电极插入电解池中

4. 将恒电位仪的接线夹分别与碳钢电极(WE研究电极)、铂电极(辅助电极CE0)、甘汞电极(参比电极)连接,检查,注意不要接错。

5. 设定恒电位仪电流档为“10mA”,工作方式为“参比”,负载选择为“电解池”,通/断方式选择“通”,先测量“参比”对“研究”电极的自腐电位(电压表数字应在0.80V 以上方为合格,否则需要重新处理研究电极)。

6. 通/断方式选择“断”将工作方式设为“恒电位”,负载调整给定电位旋钮,从自腐电位(约+0.88V)开始,每次改变50mV,恒定2-3分钟,测量其相应的电流值;至

表头电压为-1.0V为止(注:电压表上显示的电位数字符号,与实际实验值相反)。当调到零时,微调给定,使少许电压显示,按+/-显示-值,再以50mv间隔测到-1.0V。

7. 实验完毕,先将通/断方式选择“断”状态,再关掉恒电位仪电源,取出电极,清洗仪器。

五、数据记录与处理

1.将实验数据列成表格。

阳极极化曲线

2.以电流密度为纵坐标,电极电位(相对于参比电极)为横坐标,绘出阳极极化曲线。

及i钝化的值。

3.讨论所得实验结果及曲线的意义,指出φ

钝化

六、注意事项

1.按照实验要求,严格进行研究电极表面的处理。

2.必须先测量“参比”对“研究”电极的自腐电势,合格时方能开始下一步的恒电位测定工作。

3.恒电位仪工作时,严禁将研究电极与辅助电极接线夹短路。

七、思考题

1.测定阳极极化曲线为什么要用恒电位法?

2.阳极保护的基本原理是什么?

阳极极化曲线