H - 金属钝化曲线的测定
金属极化曲线测定及机理分析
金属极化曲线测定及机理分析一、实验目的1. 了解测定金属极化曲线的意义和方法。
2. 了解自腐蚀电势、自腐蚀电流和钝化电势、钝化电流等概念以及它们的测定方法。
3. 了解电化学保护的概念、种类及其意义。
4. 了解CHI电化学工作站基本工作原理，掌握其使用方法。
二、基本原理将一种金属(电极)浸在电解液中，在金属与溶液之间就会形成电位，这种电位称为该金属在该溶液中的电极电位。
当有外加电流通过此电极(电解)时，其电极电位会发生变化，这种现象称为电极的极化。
如果电极为阳极，则电极电位将向正方向偏移，称为阳极极化；对于阴极，电极电位将向负方向偏移，称为阴极极化。
令：(16.1)图16.1 典型的阴、阳极极化曲线对于可逆电极，即为平衡电极电位; 对于不可逆电极，为系统达到稳态时的电极电位，即稳态电极电位，或称自腐蚀电位。
习惯上将电极电流密度为i 时对应的电极电位与平衡电极电位之差定义为在该电流密度时的过电位，用符号表示。
并规定阴、阳极的过电位均为正。
根据上述定义，可以分别写出阴、阳极的过电位计算公式为：过电位是一个很重要的电化学参量。
例如在金属电沉积中，析出金属的过电位越小，消耗的电能也就越少。
在电解提纯工艺中，往往借助改变析出金属的过电位，来改变金属的析出顺序，从而获得所需的金属，达到提纯的目的。
如前所述，过电位的大小与流经电极的电流密度有关，电极电位(或过电位)与电流密度的关系曲线称为极化曲线。
图16.1是一种典型的极化曲线。
随着电流密度的增加，电极电位将越来越偏离平衡电位，亦即过电位将越来越大。
极化曲线还常用半对数座标表示，如图16.2 所示。
考察图16.2 可知，当电流密度较大时，过电位与电流密度的对数成线性关系，即：式(16.4)，式(16.5) 均称为塔菲尔(Tafel)公式。
图16.2 半对数极化曲线示意图事实上，对于任一电极总是同时存在着两个共轭反应(也可存在两对或两对以上的反应)，一是还原反应：(16.6)与之相对应的共轭反应是氧化反应：(16.7)式中o为氧化态；R 为还氧态。
铁的极化和钝化实验详细步骤及数据处理
实验13 铁的极化和钝化曲线的测定一、极化曲线1. 详细的实验步骤(1) 将电解液倒入三电极电解池指定的刻度，将工作电极(铁电极)、辅助电极(铂电极)以及参比电极(饱和甘汞电极)置于三电极电解池相应的玻璃管中并与电化学工作站相连(三个电极一一对应)。
(2) 打开电化学工作站开关，双击电脑桌面的文件夹” set660c”，双击应用程序“chi660c”进入电化学工作站专用软件。
(3) 单击工具栏中“T”按钮，选择” Tafel Plot”，点击”ok”进入极化曲线参数设置对话框，手动输入参数如下图所示：点击“ok”，再单击工具栏中“►”按钮即开始测定极化曲线。
测试完毕后要存盘，“File”-“Save as”，选择要存盘的地址并输入文件名如“04110711-2-Na”即可，文件格式为系统定义的格式(BIN文件)，为了能用于撰写实验报告要先转化为txt格式并导入到origin7.5中作图。
在文件打开的情况下运行“File”-“Convert to text”，并使用相同的文件名存在相同的目录下即可。
(4) 先测定铁电极在中性水溶液中的极化曲线，数据存盘后用直尺测量铁电极没入电解液的高度(其宽度为1cm)，从而求得其面积(用于计算自腐蚀电流密度)。
将铁电极用金相砂纸打磨备用。
将溶液换为1mol/LH2SO4溶液，重复上述步骤得到铁电极在1mol/LH2SO4溶液中的极化曲线，文件名可命名为“04110711-2-H”。
2.数据处理及报告撰写2.1 在origin 7.5中将铁电极在两个不同电解液中的极化曲线放在同一坐标内具体操作如下：先运行origin 7.5，执行如下命令：“File”-“Import”-“Simple Single ACSII”，在弹出的对话框中定位到已经换化好的文本文件(如04110711-2-Na)，在显示器上你将看到：然后运行“File”-“Save Project as (或在汉化版中选择“保存工程为”)”，选择相应的目录，将文件名命名为“04110711-2-Na”备用，按上述方法建立另外一个文件“04110711-2-H”，备用。
铁的极化和钝化实验详细步骤及数据处理
实验13 铁的极化和钝化曲线的测定一、极化曲线1. 详细的实验步骤(1) 将电解液倒入三电极电解池指定的刻度，将工作电极(铁电极)、辅助电极(铂电极)以及参比电极(饱和甘汞电极)置于三电极电解池相应的玻璃管中并与电化学工作站相连(三个电极一一对应)。
(2) 打开电化学工作站开关，双击电脑桌面的文件夹” set660c”，双击应用程序“chi660c”进入电化学工作站专用软件。
(3) 单击工具栏中“T”按钮，选择” Tafel Plot”，点击”ok”进入极化曲线参数设置对话框，手动输入参数如下图所示：点击“ok”，再单击工具栏中“►”按钮即开始测定极化曲线。
测试完毕后要存盘，“File”-“Save as”，选择要存盘的地址并输入文件名如“04110711-2-Na”即可，文件格式为系统定义的格式(BIN文件)，为了能用于撰写实验报告要先转化为txt格式并导入到origin7.5中作图。
在文件打开的情况下运行“File”-“Convert to text”，并使用相同的文件名存在相同的目录下即可。
(4) 先测定铁电极在中性水溶液中的极化曲线，数据存盘后用直尺测量铁电极没入电解液的高度(其宽度为1cm)，从而求得其面积(用于计算自腐蚀电流密度)。
将铁电极用金相砂纸打磨备用。
将溶液换为1mol/LH2SO4溶液，重复上述步骤得到铁电极在1mol/LH2SO4溶液中的极化曲线，文件名可命名为“04110711-2-H”。
2.数据处理及报告撰写2.1 在origin 7.5中将铁电极在两个不同电解液中的极化曲线放在同一坐标内具体操作如下：先运行origin 7.5，执行如下命令：“File”-“Import”-“Simple Single ACSII”，在弹出的对话框中定位到已经换化好的文本文件(如04110711-2-Na)，在显示器上你将看到：然后运行“File”-“Save Project as (或在汉化版中选择“保存工程为”)”，选择相应的目录，将文件名命名为“04110711-2-Na”备用，按上述方法建立另外一个文件“04110711-2-H”，备用。
实验36镍在H2SO4溶液中的极化曲线的测定.-实验36镍在H2SO4溶液中
实验36 镍在H2SO4溶液中的极化曲线的测定一 实验目的1.掌握恒电势法测定极化曲线的方法。
2．了解极化曲线的物理意义及其应用。
3．学会使用电化学分析仪。
二 预习要求1. 熟悉极化曲线上每一段所表示的意义。
2. 学会用极化曲线分析物质的钝化行为。
三 实验原理金属钝化现象是很常见的。
用控制电位法测量能够钝化的金属的阳极溶解过程时，一般均可得到如图36-1所示的阳极极化曲线。
图中的曲线可分成4个区域[1，2]：(1)AB段为活性溶解区。
此时金属进行正常的阳极溶解，阳极电流随电位的变化符合Tafel公式。
(2)BC段为过渡钝化区。
电位达到B点时，电流为最大值，此时的电流称为钝化电流(i 钝)，所对应的电位称为临界电位或钝化电位(E钝)。
电位过B点后，金属开始钝化，其溶解速度不断降低并过渡到钝化状态(C点之后)。
(3)CD段为稳定钝化区。
在该区域中金属的溶解速度基本上不随电位而改变。
此时的电流称为钝态金属的稳定溶解电流。
(4)DE段为过钝化区。
D点之后阳极电流又重新随电位的正移而增大，此时可能是高价金属离子的产生；也可能是水电解析出的O2；还可能是两者同时出现。
图36-1 金属钝化曲线金属钝化现象具有实际应用价值。
在化学电源和电镀工业中均采取一定的措施防止阳极钝化现象的发生；而在金属防腐蚀领域中则要求金属处于稳定钝化状态。
在钢铁中添加金属铬和镍使之成为不锈钢是一个典型的例子。
传统测定金属的钝化行为均采用恒电位仪、信号发生器和函数记录仪等模拟电路的仪器[2，3] 。
本文利用CHI电化学分析仪的线性电位扫描法功能测定镍在硫酸溶液和不同氯离子浓度的硫酸溶液中的钝化行为。
与传统方法相比，CHI电化学分析仪在视窗界面下操作，有操作简便、精度和灵敏度高以及处理数据方便等优点。
将该仪器的功能开发应用到基础物理化学实验中，不但提高了物理化学实验的测试层次，也可提高学生对基础实验的兴趣。
四 测量装置和试剂仪器采用美国CH Instruments公司生产(或由上海辰华仪器公司组装)的电化学分析仪，只要具有线性电位扫描(Linear Sweep Vohammetry)测定功能的CHI电化学分析仪(包括CHI600和CHI800系列)均可用于该实验测量。
金属钝化曲线测定
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。所 采用的扫描速度( 即电位变化的速度)需要根据研究体系的性质选定。一般来说， 电极表面建立稳态的速度愈慢， 则扫描速度也应愈慢， 这样才能使所测得的极化 曲线与采用静态法的接近。 上述两种方法都巳获得了广泛的应用。从其测量结果的比较，可以看出静态 法测量结果虽较接近稳态值，但测量时间长，例如对于钢铁等金属及其合金，为 了测量钝态区的稳态电流往往需要在每一个电位下等待几个小时， 所以在实际工 作中，较常采用动态法来测量。 本实验亦采用动态法。 动态法测定极化曲线通常使用恒电位仪，它能自动地使被研究电极电位保持 在所需的电位值。 1.仪器和试剂 恒电位仪 一台
1.金属的钝化及钝化曲线 金属表面状态的变化，使阳极溶解过程的超电势升高，金属的溶解速度急剧 下降，这种现象称为金属的钝化。 可钝化金属可采用控制不同的恒电势来测量电 流密度的方法，绘制出如图的完整的阳极极化曲线 ,图中曲线分为以下四个区域： (1)从点 a 到点 b 的电势区为金属活化区， 在此区域内是金属的正常阳极溶解， a 点为金属的自然腐蚀电势。 (2)点 b 到点 c 为金属钝化过渡区，这是金属从活化态到钝化态的转变过程， b 点称为致钝电势，它所对应的电流 Ib 为致钝电流。 (3)点 c 到点 d 的电势范围叫钝化区，此时金用处于钝化阶段 .cd 段所对应的 电流 I m 称为钝化电流， 在钝化区维持在钝化电流下 ,金属的腐蚀速度将急剧下降。 (4)点 d 后的电势范围为过钝化区,阳极电流密度随电势的正移而增大，金属 的溶解速度加大。 钝化金属可以活化，凡能促使金属保护层被破坏的因素都能使钝化的金属 重新活化。例如，加热、通入还原性气体、加入某些活性离子等等。
将铁锈指示剂加热成粘稠状，放置一会。待凝固之前，涂在去锈的铁片上。 10min 后即可看到铁片上的阴阳区。在阳极区，铁成二价铁离子，进入溶液中， 由于二价铁离子和铁氰化钾反应的结果而出现蓝色斑点。 在阴极区， 由于氧的去 极化作用，指示剂变成弱碱性而呈现出粉红色斑点，这个过程为： 在阳极： 在阴极： Fe→Fe 2++2e3Fe2++2[Fe(CN)6]3-→Fe3[Fe(CN)6]2 O2+2H2O+4e-→40HOH-离子遇酚酞变成粉红色。 2．阴阳极防腐蚀镀层 取一镀锡的铁片(可用废罐头盒子) 用锉刀划破表面镀层，在划痕处滴上几滴 稀硫酸和一滴铁氰化钾， 不久可以看见在划破处发生蓝色沉淀， 证明铁层发生溶 解。 另取一镀锌铁片同样进行操作， 可以看到只有镀锌溶解而划痕处没有蓝色沉 淀。 3．阻化剂 取一铁片放入 20％的盐酸溶液中， 加热至 60~70℃， 则可以看到铁片迅速地 溶解并放出氢气。如果这时加入六次甲基四胺(CH2)6N4(乌洛托平) 则可以看到氢 气泡消失，说明铁的腐蚀已经停止。 (二 )动态法测定碳钢在碳酸铵溶液中的钝化曲线及极化曲线
金属钝化
金属的钝化在现代工业生产中，我们常常会遇到金属钝化现象。
一些较活泼的金属，在某些特定的环境介质中，会呈现惰性状态。
如金属的电极电位因外加阳极电流或局部阳极电流而向正方向移动,当超过一定数值后,金属的溶解速度反而剧烈地减小了,铁和不锈钢在硫酸中进行阳极极化时便观察到此现象。
金属阳极溶解过程中的这种“反常”现象称为金属的钝化过程。
§1-1钝化现象及其分类一、钝化现象及定义如果在室温时试验铁片在硝酸中的反应速率以及和硝酸浓度的关系,我们将会发现铁的反应速率,最初是随硝酸浓度增大而增大的。
当硝酸浓度增加到30%~40%时,溶解度达到最大值,若继续增大硝酸的浓度(>40%),铁的溶解度却突然成万倍下降,并使表面处于一种特殊的状态。
这时即使把它转移到硫酸中去,也不会再受到酸的浸蚀。
也就是说当硝酸增大到一定程度时,它的反应速率迅速减小,继续增大浓度时,它的反应速率更小,最后不再起反应,即铁变得“稳定”了,或者像一般说的,铁发生“钝化”了。
除了铁之外,其他一些金属也可以发生钝化。
例如,Cr、Ni、Co、Mo,Al、Ta、Nb和W等,其中最容易钝化的金属是Cr、Al、Mo,Ni、Fe，称作自钝化金属，能在空气中发生自钝化。
不仅硝酸,其他强氧化剂如浓硫酸、氯酸、碘酸、重铬酸钾、高锰酸钾等,都可以引起金属钝化。
但是钝化现象的发生虽然通常和氧化性介质作用有关，但是有些金属却可在非氧化性介质中钝化。
例如镁可以在氢氟酸中钝化，钼和铌可以在盐酸中钝化，汞和银可以在氯离子的作用下发生钝化，不锈钢在硝酸中钝化等等。
金属钝化的定义：在一定条件下，当金属的电位由于外加阳极电流或局部阳极电流而移向正方向时，原来活泼地溶解着的金属表面状态会发生某种突变，同时金属的溶解速度急速下降，这种表面状态的突变过程叫做钝化。
二、金属钝化的几种类型金属钝化可以分为三种类型：化学钝化、阳极钝化、机械钝化1.化学钝化又称自动钝化(autopassivation)。
钝化金属阳极极化曲线的测定
二.实验原理
可钝化金属的阳极极化曲线
二.实验原理
图1.CP6型恒电位/恒电流仪面板
二.实验原理
图2.电极连接示意图
三.仪器与试剂
CP6型恒电位仪 金相试样磨光机 饱和甘汞电极、铂电极 不锈钢电极 0.05mol/L H2SO4 电吹风 铁夹、铁架
一台 一台 各一只 一个
钝化金属阳极极化曲线的测定阳极极化曲线的测定阳极极化曲线极化曲线的测定阴极极化曲线的测定金属钝化曲线的测定阳极化处理阳极化表面阳极化处理铬酸阳极化
实验九 钝化金属阳极极化曲线的测定
一. 实验目的
1.掌握CP6恒电位测定极化曲线的 原理和方法。 2.通过阳极极化曲线的测定，判断 实施阳极保护的可能性。 3.掌握恒CP6恒电位/电流电仪的 使用方法。
Preparation
检查线路
Computer
Potentiosat
五.实验结果
不锈钢极化曲线
1
电流 密度 A/cm2
测试试样：不锈钢 浸泡介质：0.05mol/LH2SO4 极化速率：480mv/min 开路 电位：-0.495V
0
-1
1E-4
1E-3
0.01
0.1
电位/v
一个 各一个
四.实验步骤
1.将不锈钢电极在耐水砂纸打磨，再分别用 丙酮和乙醇脱去表面油脂，吹干。 2.按图2连接好测试线路，检查各接头是否 正确。 3.测量不锈钢电极在0.05mol/LH2SO4中的 开路电位。 4.采用CP6恒ation 电源(On)
电化学实验
第一章不锈钢腐蚀行为及影响因素的综合评价实验一、不锈钢在0.25mol/ L H2SO4中钝化曲线的测量及耐腐蚀能力的评价(一）实验目的1）掌握电化学工作站原理和使用方法。
2）掌握线性扫描伏安法的应用。
3）掌握不锈钢阳极钝化曲线的测量。
（二）实验原理应用控电位线性极化扫描伏安法测定不锈钢在腐蚀介质中的阳极钝化曲线，是评价钝态金属耐腐蚀能力的常规方法。
给被测量的不锈钢施加一个阳极方向的线性变化电势，测量电流随电势变化的函数关系i=f(φ),可得如图1的曲线。
图1不锈钢的阳极钝化曲线由图1可见，整个曲线分为4个区，AB段为活性溶解区，在此区不锈钢阳极溶解电流随电势的正移增大，一般服从半对数关系。
随不锈钢的溶解，腐蚀物的生成在不锈钢表面形成保护膜。
BC段为过渡区。
电势和电流出现负斜率的关系，即随着保护膜的形成不锈钢的阳极溶解电流急速下降。
CD段为钝化区。
在此区不锈钢处于稳定的钝化状态，电流随电位的变化很小。
DE段为超钝化区。
此时不锈钢的阳极溶解重新随电势的正移而增大，不锈钢在介质中形成更高价的可溶性的氧化物或氧的析出。
钝化曲线给出几个特征的电势和电流为评价不锈钢在腐蚀介质中的耐蚀行为提供了重要的实验参数。
图1中Φp为致钝电势。
Φp越负，不锈钢越容易进入钝化区。
ΦF称为flad电势，是不锈钢由钝态转入活化态的电势。
ΦF越负表明不锈钢越不容易由钝化转入活化。
ΦD称为点蚀电势，ΦD越正表明不锈钢的钝化膜越不容易破裂。
Φp’~ΦD称为钝化范围，Φp’~ΦD电势范围越宽，表明不锈钢的钝化能力越强。
图中的两个特征的电流——致钝电流i p和维钝电流i p’也为我们评价不锈钢耐蚀行为提供了参数。
（三）实验仪器与试剂1.仪器1）电化学工作站2．试剂1）0.25mol/L H2SO4。
2）430不锈钢、304不锈钢。
（四）实验步骤1）电解槽系统的装置。
2）电极的前处理。
3）电位扫描速率、范围、灵敏度的选择。
4）430不锈钢在0.25mol/L H2SO4中阳极钝化曲线的测量。
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一、实验目的
1、掌握准稳态法测定金属钝化曲线的基本方 法，测定金属镍在硫酸溶液中的钝化曲线及其维 钝电流密度和维钝电位值
2、 学会处理电极表面，了解表面状态对钝化曲 线测量的影响。
二、实验原理
E Ni j E Ni 0
E j E Hg 2SO 4 E Ni j E 0 E Hg 2SO 4 E Ni 0
四、实验步骤
搭设实验装置 测量E(0) 调节E(j)初始值 E(j)0=E(0) 按规定步幅调 节E(j)i 收拾台面，仪器 调至初始状态
1 E(j)序列向负方向调节 2 调节幅度为0.05V 3 E(j)<-0.60V后幅度改为0.10V 1 检查仪器初始状态（初始给定电位为0.600V） 2 电极处理和线路连接 1 E(0)测量时要稳定5min左右 2 合理范围：0.60~0.70V
五、数据记录与处理
1、记录实验条件并计算超电势 η及 电流密度 j，列表。
E 0
E j / V I / mA
V
S Ni
cm2
/V
j / mA cm -2
lg j / mA cm -2
2、举出一个计算示例，注意有效数字。 3、以η 为横坐标， lg j为纵坐标，作 η ～lg j极化曲线 4、从钝化曲线上确定Ni在H2SO4溶液中维钝电位（以超电势
E 0 E j
*超电势 *阳极电极电势 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ开路电位
lg{ j }
lg{ jb }
lg{ jc } 金属钝化曲线
*活性溶解区；钝化过渡区；钝化稳定区；超钝化区 *致钝电流密度和致钝电位；维钝电流密度和维钝电位
三、仪器与试剂
试剂：0.05mol.L-1 H2SO4溶液、去离子水 仪器：JH11X型数字式恒电位仪、电解槽、饱和硫酸亚汞电 极（参比电极）、Pt电极（辅助电极）、直径 9mm的Ni电 极（研究电极）
E 0 E Hg 2SO 4 E Ni 0
5、用静态法调节给电位；将K6置于准备位，K2置于给定位， K4置于恒电位，调节给定1（W2）、给定2（W2），使显示 屏的电位显示值等于E（0），然后将K6置于工作位，1min后 记下相应的电流值，（注：电流测量量程由K3调节，其量程 由电流读数而定。） 6、通过给定1、给定2的调节使电位E（j）值0.05V，1min后记 下E（j）及与之对应的电流值，给定电位减至-0.6V左右后再 为每次减少0.1V，直到电位值为-1.2V止。 7、实验完毕，调节给定电位到0.6V，K6置于准备位，K3置于 20mA后关闭电源，拆除三电极上的连接导线，洗净电极与电 解池。
η表示）范围和维钝电流密度值。
5、完成思考题及讨论
实验注意事项：
1、参比电极相对研究电极的开路电位在+0.60V左右。若开路 电位偏离该范围，则要重新处理Ni电极并仔细检查各连接导线 是否接触良好并检查给定电位值是否位于0.6V左右。 2、由于恒电位仪电位表示值是参比电极相对研究电极的开路 电位，在+0.60～0.70V，故测量系统中Ni电极相对参比电极的 平衡电极电位应在 0.60～0.70V。阳极极化给定电位值向负值 变化。 3、实验完毕，按实验步骤7做好结束工作。
四、实验步骤
1、将Ni电极表面用金相砂纸磨亮，随后用去离子水洗净。 2、掌握JH2X型数字式恒电位仪的各旋钮、开关的作用。 3、在电解池内倒入约60mL0.05moL.L-1H2SO4溶液，按图46-1 组装实验装备，公共端接研究电极。 4、接通恒电位仪电源，将恒电位仪上开关K6置准备位（此时 测量回路处于开路状态，j=0），K4置于恒电位，K3置于 2mA，K2置于参比位，打开恒电位仪电源开关，预热 15min。此时显示屏上所显示的数据即为参比电极（饱和硫酸 亚汞电极）与研究电极（Ni）的开路电位 。待数据稳定下来 后读下E(0)值 (E(0)为0.6V左右)。