卤素离子在酸性条件下对金属铁阳极溶解影响的研究综述.docx

1、卤素离子在酸性条件下对金属铁阳极溶解影响的研究综述 本科生毕业论文（设计）题目 卤素离子在酸性条件下对金属铁 阳极溶解影响的研究 姓名 学号 院系 化学与化工学院 专业 化学 指导教师 职称 教授 2012 年 05 月 04 日 卤素离子在酸性条件下对金属铁阳极溶解影响的研究 摘要：通过极化曲线以及塔菲尔曲线等电化学研究方法，对金属的电化学氧化进行了初步研究。运用了改变硫酸溶液中氯离子浓度和改变卤素离子种类的方法，做出相应的塔菲尔曲线以及极化曲线。通过对比分析特征曲线得出卤素离子对金属氧化的影响，以便采取措施，进而提升对金属的防护。对于国家资源的节约与保护以及可持续性发展具有重要的战略意义。

2、关键词：极化曲线 氯离子 卤素离子 塔菲尔曲线The study of the dissolution of metallic iron anode with Halogen ions in acidic conditionsStudent majoring in chemistry Tutor professorAbstract： By polarization curves and Tafel curves of electrochemical research methods, the electrochemical oxidation of the metals are studied

3、. Through the method of changing the sulfuric acid solution of chloride ion concentration and the type of halide ions, the corresponding Tafel curves and polarization curves can be made. By contrast and analysis of characteristic curve,we can come to the influence of halide ions on metal oxide. And

4、then it is easy to take mesaures and find the way to enhance the protection of metal. It has important strategic significance for the national resource saving and protection and sustainable development.Keywords: polarization curve；Chloride ion；Halide ions；Tafel curve1 引言：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

5、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。这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能,破坏金属构件的几何形状,增加零件间的磨损,恶化电学和光学等物理性能,缩短设备的使用寿命,甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。美国1975年因金属腐蚀造成的经济损失为700亿美元,占当年国民经济生产总值的4.2。据统计,每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的1020%。金属腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算。金属腐蚀按照腐蚀过程的机理分为两大类：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属与周围介质只发生化学作用而没有电流产生的腐蚀过程;化学

6、腐蚀又分成气体腐蚀和液体腐蚀两个小类别。气体腐蚀是金属在完全干燥环境中产生的表面腐蚀，如高温氧化产生的氧化铁，其成份有FeO、Fe2O3、Fe3O4等。液体腐蚀是金属在非电解质溶液中在金属表面产生的腐蚀，如含硫的煤气管道中表面产生的腐蚀现象等。生活中最常见危害最大的是电化学腐蚀金属的电化学腐蚀是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的损坏，是日常生产生活中一种常见的化学现象。电化学腐蚀给国民经济带来严重的危害，就我国而言，我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿。腐蚀的巨大危害不仅体现在经济损失上，它还会带来惨重的人员伤亡、环境污染、资源浪费、阻碍新技术的发展、促进自然资源的损耗。金属的电化学

7、腐蚀，本质上就是金属的氧化，其电极反应M-ne-M n+离子，这是一个阳极溶解的过程，其电极电势越小，则金属的化学性质越活泼，越容易失去电子被氧化，即金属越容易被腐蚀。由于卤素离子特别是氯离子广泛海水中以及人民的日常生产生活中，对金属的腐蚀有一定的影响，故选择具有一定卤素离子浓度的硫酸溶液作为电解质溶液，金属主要研究铁，本实验主要通过改变氯离子的浓度以及卤素的种类，测量相应条件下塔菲尔曲线和极化曲线，研究金属的氧化过程。通过对比分析得出卤素离子对铁腐蚀的影响，进而得出对铁防护的最佳条件。2 材料与方法 21 实验方法与原理 本实验采用江苏江分电分析仪器有限公司MCP1型恒电位仪，并使用三电极体

8、系。三电极构成了两个回路，一是电位测量回路，一是极化回路。电位测量回路用电位测量或控制仪器来测量或控制研究电极相对于参比电极的电位，这一回路几乎没有电流通过。极化回路中有计划电流通过，极化电流大小的控制和测量在此电路中进行。利用此系统可以同时测量通过研究电极的电流和电位，进而得到相应单个电极的极化曲线。试验中辅助电极为铂电极，参比则为饱和甘汞电极。辅助电极的表面积要比研究电极大;试验中研究电极为铁电极，；实验前后要用砂纸打磨研究电极至光亮平整，然后在分别用蒸馏水和所用的电解质溶液冲洗。连接电极，用动态恒电位法测量电位和电流。22 实验药品H2SO4（分析纯 莱阳经济技术开发区精细化工厂）NaC

9、l（分析纯 天津市广成化学试剂有限公司） NaBr（分析纯 天津化学试剂三厂）KI （分析纯 国药集团化学试剂有限公司）23 实验溶液（1）0.5 mol/L H2SO4 溶液（2）0.001 mol/L NaCl + 0.5mol/L H2SO4 溶液（3）0.005 mol/L NaCl + 0.5mol/L H2SO4 溶液（4）0.01 mol/L NaCl + 0.5mol/L H2SO4 溶液（5）0.05 mol/L NaCl + 0.5mol/L H2SO4 溶液（6）0.05 mol/L NaBr + 0.5mol/L H2SO4 溶液（7）0.05 mol/L KI + 0

10、.5mol/L H2SO4 溶液3 实验结果与讨论31 铁在硫酸溶液（空白溶液）中的极化曲线图1 铁在硫酸溶液（空白溶液）中的极化曲线图2 铁在硫酸溶液中的Tafel曲线 由图1可看出铁在硫酸溶液（空白）中，铁的钝化电势为0.65V，此时临界钝化电流约为0.52mA,钝化区间为0.65-1.2V。维顿电流是0.0015mA,超钝化电流为1.2V。结合图1和图2，可以分析得知，此时铁的腐蚀电位0.5V。32 铁在含有卤素离子溶液中的极化曲线活性阴离子对金属钝化膜的破坏原理：处于钝态的金属仍有一定的反应能力，即钝化膜的溶解和修复（再钝化）处于动平衡状态。当介质中含有活性阴离子（常见的如氯离子）时，

11、平衡便受到破坏，溶解占优势。氯离子能优先地有选择地吸附在钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，结果在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑（孔径多在2030m），这些小蚀坑称为孔蚀核，亦可理解为蚀孔生成的活性中心。常见的的卤素有氟、氯、溴、碘四种元素，试验中采用其相对应的盐溶于硫酸溶液中，通过改变氯离子的浓度，卤素种类，初步探究卤素离子对溶液中金属腐蚀的影响。321 铁在含有不同浓度氯离子的硫酸溶液中的极化曲线 图3 铁在含有不同浓度氯离子的硫酸溶液中的极化曲线图4 铁在含有0.001M NaCl 硫酸溶液中的Tafel曲线 由图3和图4可以分析得知在含有0.001

12、M NaCl的硫酸中，铁的腐蚀电位仍为0.5V，但铁的钝化点位增至0.702V，钝化区间为0.702-1.3V，钝化电流变大，腐蚀加剧。同理，由图3和图5可以得知在含有0.005M NaCl 硫酸溶液中，铁的腐蚀电位不变。铁的钝化电位为0.801V，铁的钝化区为0.801-1.201V，钝化电流明显变大。图5 铁在含有0.005M NaCl 硫酸溶液中的Tafel曲线 图6 铁在含有0.01M NaCl 硫酸溶液中的Tafel曲线 同上，由图3和图6易知在0.01M NaCl 的硫酸溶液中，铁的钝化电位为0.903V，钝化区为0.903-1.201V。同时钝化电流显著变大。图7 铁在含有0.0

13、5M NaCl 硫酸溶液中的Tafel曲线 由上图和图3可以看出铁的钝化电位变大，同时在图中看不到钝化区的过渡，铁直接进入过钝化而被氧化腐蚀。综合以上各图，对含不同浓度氯离子溶液中的铁电极采取恒电位法测量的电位与电流关系曲线中可以看出阳极电位达到一定值，电流密度突然变小，表示开始形成稳定的钝化膜，其电阻比较高，并在一定的电位区域（钝化区）内保持。随着氯离子浓度的升高，其临界电流密度增加，初级钝化电位也升高，并缩小了钝化区范围。对这种特性的解释是在钝化电位区域内，氯离子与氧化性物质竞争，并且进入薄膜之中，从而产生晶格缺陷，降低了氧化物的电阻率。因此在有氯离子存在的环境下，既不容易产生钝化，也不容

14、易维持钝化。 322 铁在含他卤素离子的硫酸溶液中的极化曲线 图8 铁在含有卤素离子的硫酸溶液中的极化曲线图9 铁在含有0.05M NaBr 硫酸溶液中的Tafel曲线图10 铁在含有0.05M KI 硫酸溶液中的Tafel曲线由8、9、10可以看出在硫酸溶液中，铁的腐蚀电位并未因卤素的加入而改变，但铁的钝化电位、钝化电流随着卤素离子变化而变化，表现为氯溴碘，同时表现为对铁的腐蚀能力逐渐变小，铁在含有氯离子的硫酸中最容易被腐蚀，溴离子次之，碘离子的影响最小，即NaClNaBrKI。相关资料显示，卤素离子主要通过点腐蚀腐蚀金属材料。所谓点腐蚀，卤素离子能优先地有选择地吸附在钝化膜上，把氧原子排挤

15、掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，结果在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑（孔径多在2030m），这些小蚀坑称为孔蚀核，亦可理解为蚀孔生成的活性中心。之所以NaCl的腐蚀更严重，原因之一可能是因为氯离子体积更小，更容易进入蚀坑。而碘离子因为体积大，不容易进入蚀坑，不如氯离子和溴离子更能促进金属腐蚀。4 结论 1 在酸性溶液中，氯离子可以通过改变金属的钝化电位而影响金属在溶液中的电化学腐蚀，随着氯离子溶度的增加，其临界电流密度增加，初级钝化电位也升高，并缩小了钝化区范围，即金属腐蚀的越严重，这也是金属在海水中腐蚀的更加严重的原因。2 在酸性溶液中由于氯离子的活性大于溴离子和碘离子，

16、即表现出在含有氯离子的溶液中金属更容易被腐蚀，溴离子溶液次之，碘离子溶液影响相对较小。3. 通过以上研究，对于金属的防腐蚀具有重要的意义，在现实生活中尽量的让金属远离卤素离子，亦可以用其它材料替代金属以减少金属的浪费。致谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师 老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，孔老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了孔老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。另外我还要感谢 大

17、学大学化学与化工学院四年来对我的培养与帮助，在这里我学到了知识，开阔了思维，感受了快乐。最后真诚的谢谢和我一起完成设计实验的同学，感谢他们给予我关心与帮助！参考文献：1 张文谦，蔡邦宏.金属腐蚀与防护的理论与方法J. 内江科技，2011,3:12 夏春兰，吴田，刘海宁，楼台芳，胡超珍.铁极化曲线的测定及应用试验研究J . 大学化学，2003.18（5）：1-2.3 毕新民，曹楚南.PH值和氯离子浓度对铁在酸溶液中的腐蚀电化学行为的影响J。中国腐蚀与防护学报.第3卷 第4期 199-2164 董俊华，曹楚南，林海潮.酸度和氯离子浓度对工业纯铁腐蚀的促进作用机制研究.J 腐蚀科学与防护技术.第7卷 第4期 293-2995 叶国栋.铁在含氯离子的酸溶液中阳极溶解研究.中国科学院金属与防护研究所九一届硕士研究生.32-34