铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀对比实验设计
析氢腐蚀和吸氧腐蚀
析氢腐蚀的基本原理
金属发生析氢腐蚀时，阴极上将进行如下 反应：
由反应式可知，其最终产物是氢分子。当 电极电位比氢的平衡电位负时，上式的平 衡就向右移动，发生氢离子放电，溢出氢 气；若电极电位比氢的平衡电位略正时， 平衡将向左移动，氢气转变为氢离子。
发生析H2腐蚀的必要条件: EH>EM
对于
阴极过程由氧的去极化和氢去极化共同组 成。
当i=id时,ηO→∞，极化曲线将有着FSN
走向。但实际上，电位向负方向移动不可能 无限制的继续下去，因为当电位负到一定程 度时，在电极上除了氧的还原外，某种新的 电极过程也可以进行了。
在水溶液中，这一过程通常是析氢反应
的还原过程，该反应的平衡电位比氧还原反 应的平衡电位要负1.23V。在达到氢电极的平 衡电位Ee,H后，氢离子去极化过程就开始与氧 去极化过程加和起来（曲线FSQG）
Had+ H+•H2O+e→H2↑+H2O
④ H2分子聚集成H2泡逸出。 H2的不断逸出，吸收了阴极极化而积累的大量电子，完 成去极化作用。
H+去极化过程的阴极极化曲线
减小析氢腐蚀的途径
析氢腐蚀多数为阴极控制或阴、阳极混合 控制，腐蚀速度主要决定于析氢过电位的 大小。
ηO = ao + bo lg ic
ao：与电极材料、表面状态、溶液组成和温度有关； bo：与电极材料无关。
• 氧离子化过电位越小，氧与电子结合越容易，腐蚀速率越大； 一般金属上氧离子化过电位都较高，多在1V以上。
当电流密度较小时，氧过电位与电流密度呈直线关系
ηO＝ωi = RFi
在一定的阴极电流密度下氧还原反应的实际电位与该溶液中 氧电极的平衡电位间的差值，称为该电流密度下氧离子化过 电位，简称氧过电位，以η 表示。
析氢腐蚀和吸氧腐蚀实验的最佳条件及临界ph值的探究
析氢腐蚀和吸氧腐蚀实验的最佳条件及临界ph值的探究
氢腐蚀和吸氧腐蚀是影响铝合金的两种主要的腐蚀损害的机理，两者的腐蚀过程与pH值关系密切，因此，探究它们的最佳条件及临界pH值是十分重要的。
最佳条件：
(1)氢腐蚀：最佳条件是高pH值、水温50～60℃，出渣速度低、pH值在9～9.5，杂质和离子含量低，无海绵铝合金以外的有机物等。
(2)吸氧蚀：最佳条件是pH值低，常低于7.2，而且室温低，保持在50℃以下；杂质含量低，低至ppm级；溶液影响因子最小，有机物含量极低，无抗腐蚀剂的添加。
临界pH值：
(1) 氢腐蚀的临界pH值：一般来说，当pH值超过9.5时，氢腐蚀就会发生，因此可以认为9.5就是氢腐蚀的临界pH值。
(2) 吸氧蚀的临界pH值：当pH值降低到7.2以下时，就会发生吸氧腐蚀，临界pH值可以认为是7.2。
析氢腐蚀和吸氧腐蚀
降，腐蚀速度迅速增大。 一方面,pH值下降, Eec正移，腐蚀倾向增大；
另方面,pH值下降,ic0增大，阴极极化性能减小。
(2) 溶液中的其他组分
(3) 温度 温度升高，腐蚀速度迅速增大。
/ /2
腐 400 蚀 速 度 （ 克 300 米 小 时 ）
密 度
Ni
1/2Ni2++e=1/2Ni 2.0NNiSO4
2x10-9
室
Fe
1/2Fe2+e=1/2Fe 2.0NFeSO4
10-8
温
Co
1/2Co2+e=1/2Co 2.0NCocl2
8x10-7
()
Cu
1/2Cu2++e=1/2Cu 2.0NCuSO4
2x10-5
Zn
1/2Zn2+e=1/2Zu 2.0NZuSO4
蚀 速
175
度 150
小 时
125
米 100
克 75
50
5
0
腐 蚀 速 20000 度 小 时 15000 米 克 10000
5000
0
0.4 0.8 1.2 1.6 3.3
C.%
0.4 0.8 1.2 1.6 3.3
C.%
含碳量对铁碳合金在20%硫酸(25摄氏度) 中腐蚀速度的影响
含碳量对铁碳合金在30%硝酸(25 摄氏度)中腐蚀速度的影响
腐 蚀 速 度 mpy
腐
材料
酸
浓度%
氧饱和的酸 （无氧）
氧饱和的酸
软钢
H2SO4
6
31
358
第 4 章 析氢腐蚀与吸氧
4.2 吸氧腐蚀
二. 氧的阴极还原过程及过电势
氧从空气中进入溶液并迁移到阴极表面发生还原反应，包括 个过程 氧从空气中进入溶液并迁移到阴极表面发生还原反应，包括4个过程 阴极极化曲线的三个区域： 阴极极化曲线的三个区域： 1. 当阴极电流密度较小，且供氧充分时，阴极极化过程的速度决定氧的离子化反应 当阴极电流密度较小，且供氧充分时， 2. 阴极电流密度增大，出现了浓差极化 阴极电流密度增大， 3. 当阴极反应速度＝极限扩散电流密度时，出现新的阴极极化 当阴极反应速度＝极限扩散电流密度时，
3. 当V输＝V反时，吸氧腐蚀同时受电化学极化和扩散浓差极化控制。 反时，吸氧腐蚀同时受电化学极 吸氧腐蚀的过程及特点 1. 如腐蚀金属在溶液中的电势较高，腐蚀过程中氧的传递速度大，金 如腐蚀金属在溶液中的电势较高，腐蚀过程中氧的传递速度大， 属腐蚀速度主要由氧在电极上的放电速度决定； 属腐蚀速度主要由氧在电极上的放电速度决定；阳极极化曲线与阴 极极化曲线相交于氧还原反应的活化区。 极极化曲线相交于氧还原反应的活化区。 2. 如腐蚀金属在溶液中的电势很低，腐蚀过程中氧的传递速度太小， 如腐蚀金属在溶液中的电势很低，腐蚀过程中氧的传递速度太小， 阴极过程将由氧去极化和氢离子去极化两个反应共同组成； 阴极过程将由氧去极化和氢离子去极化两个反应共同组成；此时腐 蚀电流大于氧的极限扩散电流 3. 如腐蚀金属在溶液中的电势较低，且处于活性溶解状态，而氧的传 如腐蚀金属在溶液中的电势较低，且处于活性溶解状态， 输速度又有限，则金属腐蚀速度将由氧的极限扩散电流密度决定。 输速度又有限，则金属腐蚀速度将由氧的极限扩散电流密度决定。 阳极极化曲线与阴极极化曲线相交于氧的扩散控制区。 阳极极化曲线与阴极极化曲线相交于氧的扩散控制区。
1. 当V输》V反时，阴极去极化反应是控制因素，即有充足的氧化剂到达阴极。 阴极去极化反应是控制因素，即有充足的氧化剂到达阴极。 2. 当V输《V反时，氧向阴极表面的输送是控制步骤。 氧向阴极表面的输送是控制步骤。 空气中的氧输送到被腐蚀件的阴极表面上，要经历一个复杂的过程。 空气中的氧输送到被腐蚀件的阴极表面上，要经历一个复杂的过程。
36 析氢腐蚀和吸氧腐蚀
16
3.6.2 氧去极化腐蚀(吸氧腐蚀)
必要条件： 金属的氧化电位比氧还原反应的电位负。 EM<EO2 中、碱性溶液中氧还原反应 O2+2H2O+4e 4OH酸性溶液中反应 O2+4H++4e 2H2O
相较于氢去极化腐蚀，氧还原反应可以在正 得多的电位下进行，因此氧去极化腐蚀要更为 普遍。
9
杂质对Zn在0.25M的H2SO4溶
液中腐蚀速度的影响
吸氧图
1 2
（ ） 铝
速（
率 ；
） 铜
不 同 的
、 、杂
铅 铁质
、 、对
汞 锑锌
降 、腐
低 砷蚀
了 、速
锌 锡度
的 、的
腐 镉影
蚀 加响
速 速是
率 了不
。 锌同
的的
动力学数据
腐。 蚀 10
的 腐 蚀 过 程 。
是 高 氢 过 电 位 金 属 ， 属 于 阴 极 控 制
17
氧向金属（电极）表面的输送过程-消耗型
18
吸氧腐蚀中氧气传输的特点
• 对于氧去极化的阴极过程，浓度极化很突出，常 常占有主要地位。这是因为作为阴极去极化剂的 氧分子与氢离子的本质不同所决定的。
• （1）氧分子向电极表面的输送只能依靠对流和扩 散；
• （2）由于氧的溶解度不大，所以氧在溶液中的浓 度很小，一般为10-4mol/L；
8
四、氢去极化腐蚀概况
• 一般来说，电势较负金属在氧化性较弱的 酸和非氧化性酸中以及电极电位很负的金 属（如Mg）在中性或碱性溶液中的腐蚀都 属于氢去极化的腐蚀。
• 当金属中含有电位比金属电位更正的杂质 时，如果杂质上的氢过电位低，则阴极反 应过程将主要发生在杂质表面上进行，杂 质就成为阴极区。此时，杂质的氢过电位 的高低对基体金属的腐蚀有很大影响。
第三章2析氢腐蚀和吸氧腐蚀
四、氢去极化腐蚀概况
• 一般来说，电势较负金属在氧化性较弱的 酸和非氧化性酸中以及电极电位很负的金 属（如Mg）在中性或碱性溶液中的腐蚀都 属于氢去极化的腐蚀。 • 当金属中含有电位比金属电位更正的杂质 时，如果杂质上的氢过电位低，则阴极反 应过程将主要发生在杂质表面上进行，杂 质就成为阴极区。此时，杂质的氢过电位 的高低对基体金属的腐蚀有很大影响。
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析氢腐蚀的特征
• （1）浓度极化小，原因： • a. 去极化剂是带电的，半径很小的氢离子，在溶 液中有较大的迁移速度和扩散速度； • b. 去极化剂的浓度大； • C. 还原产物氢分子以气泡形式离开电极而析出， 使金属表面附近的溶液得到了较充分的搅拌作用。 • （2）与溶液的pH值关系很大。 • （3）与金属材料本身的性质和表面状态有关。 • （4）与阴极面积有关。 • （5）与温度有关。
过对 程于 是铝 属、 于不 阳锈 极钢 控等 制易 的钝 过化 程金 。属 ， 腐 蚀
15
五、减小析氢腐蚀的途径
阴极控制：
1. 减少或消除金属中的有害杂质，特别是析氢
过电位小的阴极性杂质；
2. 加入氢过电位高的成分，如Hg、Zn、Pb等；
3. 加入缓蚀剂增大析氢过电位，如若丁等；
4. 降低活性阴离子成分如Cl-、S2-等的浓度。
1
3.6.1 析氢腐蚀
一、析氢腐蚀定义：
由氢离子作为去极剂的阴极过程，在其还原析 氢气的同时，消耗金属中的电子，导致腐蚀的发 生 。亦称为氢去极化腐蚀。
发生析氢腐蚀的必要条件：
腐蚀电池中的阳极金属氧化电位a必须低于氢 的析出电位 H+/H2，即a＜ H+/H2。
2
3
二、析氢腐蚀步骤
析氢腐蚀与吸氧腐蚀
O2+4H++4e→2H2O
味着什么？
其平衡电位为：
EO2
E
2.3RT 4F lg pO2
H
4
E°=0.401V(SHE)， P= 21278.25Pa，氧的平衡电位与溶液pH值
的关系为；
EO2=1.22 - 0.0591pH (4-11)
7.2.2 氧的阴极还原过程及其过电位
C ,O2
2.3RT nF
lg1
iC iL
这时阴极过程受氧的离子化反应和扩
散共同控制，总的阴极过电位为：
(3) iC≈iL时，由式(4-14)可知，
实际上不会发生这种情况。因为当电位负到一定的数值时，另外的 还原反应就开始了。例如，达到氢的平衡电位后，氢的去极化过程 就开始与氧的去极化过程同时进行(图中DEF段)。两条极化曲线加 合，得到总的阴极极化曲线E0ABCDEF 曲线。
nFDC 0
iL
室温下氧在水中的溶解度很小。例如，20℃时，被空气饱和
的纯水中大约含40ppm的氧。在5℃的海水中氧含量约l0ppm(约
0.3mol／m3)。如此低的溶解度意味着氧阴极还原的极限电流密
度很小。典型情况下，取扩散层有效厚度δ=0.1mm，氧在水中
的扩散系数D=10－9m2／s，氧在海水中的溶解度C0 =0.3mo析氢腐蚀主要发生在铝、 不锈钢等钝化金属在稀酸中的腐蚀。 这种情况下，金属离子必须穿透氧 化膜才能进入溶液，因此有很高的 阳极极化。图4-5为铝在弱酸中的析 氢腐蚀极化图，为阳极控制。
当溶液中有氧存在时，铝、钛、不 锈钢等金属上钝化膜的缺陷处易被 修复，因而腐蚀速度降低。当溶液 中有Cl-离子时，其钝化膜易被破坏， 从而使腐蚀速度大大增加。这可能 是由于C1-离子的易极化性质，容易 在氧化膜表面吸附，形成含氯离子 的表面化合物(氧化—氯化物而不是 纯氧化物)。由于这种化合物晶格缺 陷及较高的溶解度，导致氧化膜的 局部破裂。
铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的实验原理探查
在 空气中， 盐 酸溶 液湿润 的碳粉 、 铁粉混 合物
发生 电化学腐蚀 ， 导致实 验装 置 中 Ｕ型玻璃 导管
图 １ 铁 的 析 氢 腐 蚀 和 吸氧 腐 蚀 买验 装置
内红墨水 的液面发生变 化。 不 同浓度 的盐酸 溶液 湿润 的碳 粉 、 铁粉混合 物发 生电化学腐蚀 时 Ｕ型 化 曲线如图 ３ 所示 。 图中 △ ＾＜ ０ 表示具支试 管内
氢 腐蚀 的同时是否也发 生吸氧腐蚀 的探 查较少。 验 开始 时 调节具 支试 管 中的压 强 与外界压 强一 具支试 管与盛有红 墨水 的 Ｕ型玻璃 细导管相 为了帮 助学 生更 好地 理 解 铁 的析 氢 腐蚀 和吸 氧 致 ； 结合标尺， 可观察记录 Ｕ型玻璃细导管中红墨 腐蚀 的原理 ， 笔 者改进了实验装 置和实验 操作 方 连 ， △ ｈ ） 随时间的变化 。 法， 从定量 的角度探 究铁 的析氢 腐蚀和吸氧腐 蚀 水 的液面差 （
电池反应 ： Ｆ ｅ ＋ ２ Ｈ 一 ＋ Ｈ ， Ｔ
随 着 氢气 的析 出， 水膜的 ｐ Ｈ不 断上 升，
用稀醋酸浸湿的滤纸条沾附铁粉 和碳粉混合物进 与 Ｏ Ｈ 一 结合 生 成 Ｆ ｅ （ Ｏ Ｈ ） ， 再继续和 ０ ２ 作用， 生
行铁的析氢腐蚀实验； 陶俞佳 ｆ ４ 对铁粉和碳粉混 成 Ｆ ｅ （ ０ Ｈ ） ， 进而形成铁锈 。
ｊ口＿－ ．＿＿＿Ｅ＝＿ ＿＿＿＿ －
使碳粉 、 铁粉混合物 附着在试管壁上 ， 迅速塞紧橡 皮塞， 打开活塞 ， ｕ型玻璃导管 中红墨水左右两 边
液 面持平后关 闭活塞 。 每 隔一定 时间记录 Ｕ型 玻 璃 导管 中红墨水左 右两边的液面高度差 △ ＾ 。
３ 实验 结果 与讨 论 ３ ． １ 不 同酸 度 溶 液 对铁 析 氢 腐蚀 的影 响
《钢铁吸氧腐蚀再探究》教学设计
《钢铁吸氧腐蚀再探究》教学设计吸氧腐蚀是人教版化学选修4第四章电化学基础第四节《金属的电化学腐蚀与防护》的部分内容。
相比之下，析氢腐蚀是产生气体，现象和反应原理学生比较熟悉，而吸氧腐蚀是吸收气体，表现为速率不快，某些现象不够明显，甚至仍有同学对吸氧腐蚀过程中氧气的参与与否表示怀疑，对锈蚀结果都很熟悉、而对锈蚀过程却很陌生，对生锈的严重性及应用认识不够。
故本人想对吸氧腐蚀的原理、过程、应用等做进一步的介绍，这样既可以加强对所学知识的巩固，同时又能对学生学科素养加以培养与提升。
一、教材内容与学生学情1.教材地位：钢铁的吸氧腐蚀是金属腐蚀最普遍的一种现象，和析氢腐蚀一起同属于电化学腐蚀，安排在第四章电化学的最后一节。
是对前三节电化学原理知识的应用和总结，符合先理论后实际的认知规律，同时也体现了化学学科学以致用的初衷。
2.学生学情：在知识上，学生已经完成电化学原理的认识、理解与训练，初步掌握了比较化学反应速率快慢的方法，以及控制变量法；在能力上，初步具备对实验原理、操作、装置的描述和评价能力，具有一定的归纳、演绎和逻辑推理能力。
在心理上，高三学生相比较于高一、高二学生，比较成熟理性，具有一定的动手能力、合作意识以及对化学现象背后的原因具有较强的求知欲。
二、教学重难点与目标1.教学重难点：(1)教学重点：钢铁吸氧腐蚀的原理；钢铁锈蚀过程的探究；钢铁吸氧腐蚀能量转化的探究；吸氧腐蚀的应用。
(2) 教学难点：钢铁锈蚀过程的探究；“暖宝宝”的制取及分析。
2.教学目标：(1)知识目标：通过符号、宏观、微观以及曲线等化学的“四重表征”完成对吸氧腐蚀的进一步理解，通过吸氧腐蚀的应用达到学以致用的目的。
(2)能力目标：通过学生对吸氧腐蚀过程的探究、能量实验的设计与体验、“暖宝宝”的制取与思考，训练并提升学生分析问题、解决问题的能力。
(3)情感态度、价值观：通过对比“钢铁锈蚀的危害”与吸氧腐蚀的应用——“暖宝宝”，让学生意识到化学是一把双刃剑。
中学化学实验《吸氧腐蚀》
吸氧腐蚀的演示实验
学习原电池知识后，学生对电化腐蚀中的析氢腐蚀原理容易理解。
对日常生活中钢铁在潮湿空气中容易生锈虽有所了解，但对该现象是吸氧腐蚀、发生了原电池反应却难以理解，若能做以下演示实验，对学生的认知过程会大有益处。
一、实验装置
实验装置见图1，图2。
A，B都是用八号铁丝折成W状再锤打成的铁片。
二、实验步骤
1．先加热制取氧气，用带火星的木条检验。
2．用导管把氧气通入到A处液面内，观察电流计指针偏转，说明吸氧腐蚀产生了电流。
3．再用导管把氧气通入到B处液面内，观察电流计指针逆向偏转，说明电流方向相反。
4．数分钟后，取出A，B两铁片，观察有铁锈生成。
三、说明
1．演示时，水槽中的液体可以是普通水也可以是中性、微酸或碱性溶液。
2．此实验不受湿度、温度、气压等变化的影响。
此实验的完成，使学生对吸氧腐蚀并产生电流的知识由抽象到直观变得易于理解，而且对金属腐蚀的防护知识（保护层防护、电化学保护）都能理解加深，得以巩固并能应用，为后边的电解原理的学习也打下了基础，若让学生亲自动手又能培养学生创新思维。
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铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀对比实验设计该实验旨在比较铁在吸氧腐蚀和析氢腐蚀条件下的腐蚀行为，探究吸氧腐蚀和析氢腐蚀对铁腐蚀的影响。
具体实验设计如下：
1. 实验材料和设备：
铁片、饱和NaCl溶液、吸氧装置、析氢装置、电子天平、扫描电子显微镜(SEM)等。
2. 实验步骤：
（1）将铁片清洗干净后，分别放入吸氧装置和析氢装置中；
（2）在吸氧装置中，将铁片浸泡在饱和NaCl溶液中，将装置中的氧气通入，控制气体流量，使铁片表面充分接触氧气；
（3）在析氢装置中，将铁片同样浸泡在饱和NaCl溶液中，将装置中的氢气通入，控制气体流量，使铁片表面充分接触氢气；
（4）在不同时间下，取出吸氧和析氢装置中的铁片，用电子天平测量其质量变化；
（5）将吸氧和析氢装置中的铁片分别进行SEM观察，观察其表面形貌变化。
3. 数据处理和分析：
（1）计算不同时间下铁片的腐蚀速率和腐蚀深度；
（2）比较吸氧腐蚀和析氢腐蚀下铁片的腐蚀行为差异，分析其机理。
4. 实验注意事项：
（1）实验过程中，应注意安全，避免吸入氧气和氢气；
（2）实验前应清洗干净所有实验器材，保证实验结果的准确性；（3）实验过程中应严格控制气体流量，以保证实验的可重复性。