实验一_极化曲线的测定

物理化学实验2020/1/20实验一极化曲线的测定指导教师：单云2020/1/202020/1/20一、极化曲线的的测定目的要求【目的要求】1.掌握稳态恒电位法测定金属极化曲线的基本原理和测试方法。2.了解极化曲线的意义和应用。3.掌握恒电位仪的使用方法。2020/1/20二极化曲线的的测定的原理1.极化现象与极化曲线为了探索电极过程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，其中极化曲线的测定是重要方法之一。我们知道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，每个电极反应都是在接近于平衡状态下进行的，因此电极反应是可逆的。但当有电流明显地通过电池时，电极的平衡状态被破坏，电极电势偏离平衡值，电极反应处于不可逆状态，而且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。由于电流通过电极而导致电极电势偏离平衡值的现象称为电极的极化，描述电流密度与电极电势之间关系的曲线称作极化曲线，如图1所示。2020/1/20图1极化曲线A-B：活性溶解区；B：临界钝化点B-C：过渡钝化区；C-D：稳定钝化区D-E：超(过)钝化区二极化曲线的的测定的原理2020/1/20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→Mn+＋ne-此过程只有在电极电势正于其热力学电势时才能发生。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，但当阳极电势正到某一数值时，其溶解速度达到最大值，此后阳极溶解速度随电势变正反而大幅度降低，这种现象称为金属的钝化现象。二极化曲线的的测定的原理2020/1/20图1中曲线表明，从A点开始，随着电位向正方向移动，电流密度也随之增加，电势超过B点后，电流密度随电势增加迅速减至最小，这是因为在金属表面生产了一层电阻高，耐腐蚀的钝化膜。B点对应的电势称为临界钝化电势，对应的电流称为临界钝化电流。二极化曲线的的测定的原理2020/1/20电势到达C点以后，随着电势的继续增加，电流却保持在一个基本不变的很小的数值上，该电流称为维钝电流，直到电势升到D点，电流才有随着电势的上升而增大，表示阳极又发生了氧化过程，可能是高价金属离子产生也可能是水分子放电析出氧气，DE段称为过钝化区。二极化曲线的的测定的原理2020/1/202.极化曲线的测定(1)恒电位法恒电位法就是将研究电极依次恒定在不同的数值上，然后测量对应于各电位下的电流。极化曲线的测量应尽可能接近体系稳态。稳态体系指被研究体系的极化电流、电极电势、电极表面状态等基本上不随时间而改变。在实际测量中，常用的控制电位测量方法有以下两种：二极化曲线的的测定的原理2020/1/20静态法：将电极电势恒定在某一数值，测定相应的稳定电流值，如此逐点地测量一系列各个电极电势下的稳定电流值，以获得完整的极化曲线。对某些体系，达到稳态可能需要很长时间，为节省时间，提高测量重现性，往往人们自行规定每次电势恒定的时间。二极化曲线的的测定的原理2020/1/20动态法：控制电极电势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，以瞬时电流与对应的电极电势作图，获得整个的极化曲线。一般来说，电极表面建立稳态的速度愈慢，则电位扫描速度也应愈慢。因此对不同的电极体系，扫描速度也不相同。为测得稳态极化曲线，人们通常依次减小扫描速度测定若干条极化曲线，当测至极化曲线不再明显变化时，可确定此扫描速度下测得的极化曲线即为稳态极化曲线。同样，为节省时间，对于那些只是为了比较不同因素对电极过程影响的极化曲线，则选取适当的扫描速度绘制准稳态极化曲线就可以了。二极化曲线的的测定的原理2020/1/20(2)恒电流法恒电流法就是控制研究电极上的电流密度依次恒定在不同的数值下，同时测定相应的稳定电极电势值。采用恒电流法测定极化曲线时，由于种种原因，给定电流后，电极电势往往不能立即达到稳态，不同的体系，电势趋于稳态所需要的时间也不相同，因此在实际测量时一般电势接近稳定(如1min～3min内无大的变化)即可读值，或人为自行规定每次电流恒定的时间。二极化曲线的的测定的原理2020/1/20三、仪器试剂【仪器试剂】恒电位仪一台；饱和甘汞电极1支；碳钢电极1支；铂电极1支；三室电解槽1只。2mol·dm-3(NH4)2CO3溶液；丙酮溶液2020/1/20图2-19-2三室电解槽1.研究电极;2.参比电极;3.辅助电极三仪器试剂2020/1/20三仪器试剂恒电位仪2020/1/20四实验步骤1.碳钢预处理：分别用6#和2#金相砂纸将碳钢研究电极打磨至镜面光亮，面积固定为1cm2，然后在丙酮中除油。打磨时，工作电极一定要平磨。2.线性电位扫描法测定极化曲线的步骤：A准备工作仪器开启前，“工作电源”置于“关”。2020/1/20B通电插上电源，打开恒电位仪的电源开关，开启电脑，点击打开电化学工作站。C在电解池中，倒入约40mL的碳酸铵电解溶液，依次将处理好的碳钢电极、饱和甘汞电极（参比电极）和铂电极（对电极）按仪器上的指示依次连接好。四实验步骤2020/1/20D在电化学工作站的界面上选择实验技术为线性电位扫描，按书中所给参数进行设定。扫描线性范围设定为-0.2-1.0V。四实验步骤E电极开始按钮，仪器自动记录电流-电势曲线。F实验完成，依次拆除电极，洗净电解池和各个电极。将仪器中记录的电流-电极电势曲线转化成文本格式后导出，用于进行数据处理。2020/1/20五数据处理1.对线性电位扫描法测试的数据进行处理。2.用作图软件将仪器所给的曲线转换成以电流密度为纵坐标，电极电势(相对饱和甘汞)为横坐标的极化曲线。3.讨论所得实验结果及曲线的意义，指出钝化曲线中的活性溶解区，过渡钝化区，稳定钝化区，过钝化区，并标出临界钝化电流密度(电势)，维钝电流密度等数值。2020/1/20六注意事项1按照实验要求，严格进行电极处理。2将研究电极置于电解槽时，要注意工作电极与参比电极之间的距离每次应保持一致。研究电极与参比电极应尽量靠近。3每次做完测试后，应在确认恒电位仪或电化学综合测试系统在非工作的状态下，关闭电源，取出电极。2020/1/20七思考题1.用线性电位扫描法测定极化曲线时，为何要使用比较慢的扫描速度，说明原因。2.测定阳极钝化曲线为何要用恒电位法？3.做好本实验的关键有哪些？2020/1/201.电化学稳态的含义指定的时间内，被研究的电化学系统的参量，包括电极电势，极化电流，电极表面状态，电极周围反应物和产物的浓度分布等，随时间变化甚微，该状态通常被称为电化学稳态。电化学稳态不是电化学平衡态。实际上，真正的稳态并不存在，稳态只具有相对的含义。到达稳态之前的状态被称为暂态。在稳态极化曲线的测试中，由于要达到稳态需要很长的时间，而且不同的测试者对稳态的认定标准也不相同，因此人们通常人为界定电极电势的恒定时间或扫描速度，此法尤其适用于考察不同因素对极化曲线的影响时。八讨论2020/1/202.三电极体系极化曲线描述的是电极电势与电流密度之间的关系。被研究电极过程的电极被称为研究电极或工作电极。与工作电极构成电流回路，以形成对研究电极极化的电极称为辅助电极，也叫对电极。其面积通常要较研究电极为大，以降低该电极上的极化。参比电极是测量研究电极电势的比较标准，与研究电极组成测量电池。参比电极应是一个电极电势已知且稳定的可逆电极，该电极的稳定性和重现性要好。八讨论2020/1/20为减少电极电势测试过程中的溶液电位降，通常两者之间以鲁金毛细管相连。鲁金毛细管应尽量但也不能无限制靠近研究电极表面，以防对研究电极表面的电力线分布造成屏蔽效应。八讨论2020/1/203.影响金属钝化过程的几个因素金属的钝化现象是常见的，人们已对它进行了大量的研究工作。影响金属钝化过程及钝化性质的因素，可以归纳为以下几点：(1)溶液的组成。溶液中存在的H+、卤素离子以及某些具有氧化性的的阴离子，对金属的钝化现象起着颇为显著的影响。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的溶液中，钝化则困难得多，这与阳极产物的溶解度有关系。卤素离子，特别是氯离子的存在，则明显地阻滞了金属的钝化过程，已经钝化了的金属也容易被它破坏(活化)，而使金属的阳极溶解速度重新增大。溶液中存在的某些具有氧化性的阴离子(如CrO2-4)则可以促进金属的钝化。八讨论2020/1/20(2)金属的化学组成和结构。各种纯金属的钝化性能不尽相同，以铁、镍、铬三种金属为例，铬最容易钝化，镍次之，铁较差些。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，这显然与离子的扩散有关。八讨论2020/1/20谢谢！