湖南大学材料化学电化学实验报告

实验一线性极化法测定金属Fe在稀H2SO4中的腐蚀速度一、基本要求1.掌握动电位扫描法测定电极极化曲线的原理和实验技术。通过测定Fe在0.1M硫酸溶液中的极化曲线，求算Fe的自腐蚀电位，自腐蚀电流。2.讨论极化曲线在金属腐蚀与防护中的应用。二、实验原理当金属浸于腐蚀介质时，如果金属的平衡电极电位低于介质中去极化剂（如H+或氧分子）的平衡电极电位，则金属和介质构成一个腐蚀体系，称为共轭体系。此时，金属发生阳极溶解，去极化剂发生还原。以金属铁在盐酸体系中为例：阳极反应：Fe-2e=Fe2+阴极反应：H++2e=H2阳极反应的电流密度以ia表示，阴极反应的速度以ik表示，当体系达到稳定时，即金属处于自腐蚀状态时，ia=ik=icorr（icorr为腐蚀电流），体系不会有净的电流积累，体系处于一稳定电位c。根据法拉第定律，体系通过的电流和电极上发生反应的物质的量存在严格的一一对应关系，故可阴阳极反应的电流密度代表阴阳极反应的腐蚀速度。金属自腐蚀状态的腐蚀电流密度即代表了金属的腐蚀速度。因此求得金属腐蚀电流即代表了金属的腐蚀速度。金属处于自腐蚀状态时，外测电流为零。极化电位与极化电流或极化电流密度之间的关系曲线称为极化曲线。极化曲线在金属腐蚀研究中有重要的意义。测量腐蚀体系的阴阳极极化曲线可以揭示腐蚀的控制因素及缓蚀剂的作用机理。在腐蚀点位附近积弱极化区的举行集会测量可以可以快速求得腐蚀速度。还可以通过极化曲线的测量获得阴极保护和阳极保护的主要参数。在活化极化控制下，金属腐蚀速度的一般方程式为：其中I为外测电流密度，ia为金属阳极溶解的速度，ik为去极化剂还原的速度，βa、βk分别为金属阳极溶解的自然对数塔菲尔斜率和去极化剂还原的自然对数)]exp()[exp(kcaccorrkaiiiI塔菲尔斜率。若以十为底的对数，则表示为ba、bk。这就是腐蚀金属电极的极化曲线方程式，令∆E称为腐蚀金属电极的极化值，∆E＝0时，I＝0；∆E0时，是阳极极化，I0,体系通过阳极电流。∆E0时，I0，体系通过的是阴极电流，此时是对腐蚀金属电极进行阴极极化。因此外测电流密度也称为极化电流密度测定腐蚀速度的塔菲尔直线外推法当对电极进行阳极极化，在强极化区，阴极分支电流ik=0,改写为对数形式：当对电极进行阴极极化，∆E0,在强极化区，阳极分支电流ia=0改写成对数形式:强极化区，极化值与外测电流满足塔菲尔关系式，如果将极化曲线上的塔菲尔区外推到腐蚀电位处，得到的交点坐标就是腐蚀电流。cE)]exp()[exp(kacorrEEiI)exp(acorraEiiIcorracorraiIbiIElgln)exp(kcorrEiIcorrkcorrkiIbiIElgln图1塔菲尔外推法求金属腐蚀电流的基本原理三、实验仪器及药品CHI660C电化学工作站1台；烧杯一个；汞/硫酸亚汞（参比电极）1支Pt片电极（辅助电极）1支。45号钢（圆柱体）电极0.1MH2SO4溶液蒸馏水，金相砂纸图2极化曲线测量示意图四、实验步骤1.电极处理：用金相砂纸将45号钢电极表面打磨平整光亮，测量试样的直径，计算工作面的面积。2.将打磨光亮的电极用蒸馏水清洗、酒精去油。3.测量极化曲线：（1）打开CHI660C工作站的窗口。（2）将三电极分别插入电极夹的三个小孔中，使电极进入电解质溶液中。将CHI工作站的绿色夹头夹Fe电极，红色夹头夹Pt片电极，白色夹头夹参比电极。（3）测定开路电位。点击“T”（Technique）选中对话框中“OpenCircuitPotential-Time”实验技术，点击“OK”。点击“░”（parameters）选择参数，可用仪器默认值，点击“OK”。点击“►”开始实验，测得的开路电位即为电极的自腐蚀电势Ecorr。（4）开路电位稳定后，测电极极化曲线。点击“T”选中对话框中“Tafel”实验技术，点击“OK”初始电位（InitE）设为比Ecorr低“-0.5V”，终态电位（FinalE）设为比Ecorr高“1.25V”，扫描速率（ScanRate）设为“0.0025V/s”灵敏辅助电极极化电解池工作电极参比电极参比电池盐桥恒电位仪度（sensivitivty）设为“自动”，其它可用仪器默认值，极化曲线自动画出。（5）自腐蚀电流的拟合，打开CHI660C的控制软件，利用自带的软件求得自腐蚀电流密度。也可将实验数据考贝回去，用origin软件作图，用tafel外推法求的自腐蚀电流。将两者互相比较。4.实验完毕，清洗电极、电解池，将仪器恢复原位，桌面擦拭干净。五、注意事项不能将电极线接错。六、实验报告内容利用塔菲尔外推法求腐蚀电流。从Fe在0.1M硫酸溶液中的极化曲线图中可以看出，Fe的自腐蚀电位：vc96798.0因为831.1lgci，所以自腐蚀电流：Aic014757.0七、思考题（1）平衡电极电位、自腐蚀电位有何不同。答：平衡电极电位是指腐蚀电池开路时未发生极化时的阴极反应和阳极反应的平衡电位；而自腐蚀电位腐蚀体系的混合电位，由同时发生的两个电极过程共同决定，是不可逆的非平衡电位。平衡电位不是自腐蚀电位。电极位于不用介质中，会有一个电极电位，比如管道在土壤中通常电极电位为0.55-065V.CSE，那么给管道加上一个极化电位，管道就不会有腐蚀电流流出，这时的电位叫平衡电位。也就是腐蚀电流为零的电位就是平衡电位。（2）为什么可以用自腐蚀电流icorr来代表金属的腐蚀速度？答：金属的腐蚀是金属被氧化，可以理解成铁失去电子，就是被氧化的过程。根据法拉第定律，即在电解过程中，阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比。自腐蚀电流Icorr越大，自腐蚀电位越负，说明腐蚀严重，腐蚀速度越快，腐蚀电流密度越大。即金属自腐蚀状态的腐蚀电流密度即代表了金属的腐蚀速度。故可阴阳极反应的电流密度代表阴阳极反应的腐蚀速度。实验二铁的钝化曲线一、基本要求1.掌握有钝化行为的金属阳极过程的极化曲线特征2.求得Fe的自腐蚀电位，致钝电位、钝化电流密度、过钝化电位等参数。3.讨论极化曲线在金属腐蚀与防护中的应用。二、实验原理铁的钝化曲线(图1)：图1abc段是Fe的正常溶解，生成Fe2+，称为活化区。cd段称为活化钝化过渡区。de段的电流称为维钝电流，此段电极处于比较稳定的钝化区,Fe2+离子与溶液中的离子形成FeSO4沉淀层，阻滞了阳极反应，由于H+不易达到FeSO4层内部，使Fe表面的pH增大，Fe2O3、Fe3O4开始在Fe表面生成，形成了致密的氧化膜，极大地阻滞了Fe的溶解，因而出现钝化现象。ef段称为过钝化区。测得铁的钝化曲线可采用恒电位法（静态法）或动电位扫描法（动态法）。静态法：将电极电势较长时间地维持在某一恒定值，同时测量电流密度随时间的变化，直到电流基本上达到某一稳定值。如此逐点地测量在各个电极电势下的稳定电流密度值，以获得完整的极化曲线的方法。动态法：控制电极电势以较慢的速度连续地改变（扫描），并测量对应电势下的瞬时电流密度，并以瞬时电流密度值与对应的电势作图就得到整个极化曲线。所采用的扫描速度（即电势变化的速度）需要根据研究体系的性质选定。一般说来，电极表面建立稳态的速度越慢，则扫描也应越慢，这样才能使测得的极化曲线与采用静态法测得的结果接近。三、实验仪器及药品仪器CHI660C电化学工作站（上海辰华公司）1台；电解池1个；硫酸亚汞电极（参比电极）、Fe电极（研究电极）、Pt片电极（辅助电极）各1支；试剂1mol/LH2SO4溶液四、实验步骤1、电极处理：用金相砂纸将铁电极表面打磨平整光亮，用蒸馏水清洗后滤纸吸干。每次测量前都需要重复此步骤，电极处理得好坏对测量结果影响很大。2、测量极化曲线：（1）打开电化学工作站的窗口；（2）安装电极，使电极进入电解质溶液中，将绿色夹头夹Fe电极，红色夹头夹Pt片电极，黄色夹头夹参比电极；（3）测定开路电位。选中恒电位技术中的“开路电位—时间”实验技术，双击选择参数，可用仪器默认值，点击“确认”。点击“►”开始实验，测得的开路电位即为电极的自腐蚀电势Ecorr；（4）开路电位稳定后，测电极极化曲线。选中“线性扫描技术”中的“塔菲尔曲线”实验技术，双击。为使Fe电极的阴极极化、阳极极化、钝化、过钝化全部表示出来，初始电位设为比Ecorr负500mV，终止电位设为“2.0V”，扫描速度设为“0.0025V/s”，灵敏度（sensivitivty）设为“自动”。其它可用仪器默认值，极化曲线自动画出。3、实验完毕，清洗电极、电解池，将仪器恢复原位，桌面擦拭干净。五、注意事项1、测定前仔细了解仪器的使用方法。2、电极表面一定要处理平整、光亮、干净，不能有点蚀孔。六、实验报告内容从极化曲线上求出Fe电极的自腐蚀电位、钝化电流密度及钝化电位范围，对比上一实验，分析H2SO4浓度对Fe钝化的影响。利用origin软件进行数据处理，得到电位E与lgI之间的关系图，即极化曲线如下：C点对应的是致钝电位（横坐标：vEp020.0）和致钝电流（AIp351.0)D点对应的是过钝化电位（横坐标：vEp735.0）那么，钝化电位范围就是0.020v—0.735v七、思考题（1）分析H2SO4浓度对Fe钝化在影响。答：常温下，硫酸浓度越大，对Fe的钝化作用越明显，而稀硫酸不能使铁钝化，因为浓硫酸是强氧化性酸，能把铁氧化成特殊价态的四氧化三铁（薄而致密），这种铁的氧化物不溶于浓硫酸和浓硝酸。而稀硫酸没有强氧化性，不能使金属表面生成致密的氧化膜，只能与金属发生置换反应，产生氢气。（2）Fe在盐酸中能否钝化，为什么?答：不能。因为铁经强氧化剂如浓硫酸或浓硝酸处理后，由活泼态转变为钝化态，由于钝化后表面生成了致密的氧化膜，起保护作用，不易被腐蚀，而盐酸是还原性酸，其酸根具有强还原性，是浓度高的氯离子的还原性，其中的氢离子的氧化性没有含氧酸根的氧化性强，不能使铁钝化。（3）测定钝化曲线为什么不采用恒电流法?答：金属钝化指的是阳极电势超过一定值后发生的溶解速度迅速减小的现象，电势变化给了电子不同的运动力。而恒电流法只是给了恒定数量的电荷，并不是给了不同的活跃度，没法得到变化参数，所以不采用恒电流法。实验三铁氰化钾在玻碳电极上的氧化还原一、基本要求1.掌握用循环伏安法判断电极反应过程的可逆性2.学会使用伏安极谱仪3.学会测量峰电流和峰电位二、实验原理循环伏安法是用途最广泛的研究电活性物质的电化学分析方法，在电化学、无机化学、有机化学、生物化学等领域得到了广泛的应用。由于它能在很宽的电位范围内迅速观察研究对象的氧化还原行为，因此电化学研究中常常首先进行的是循环伏安行为研究。循环伏安是在工作电极上施加一个线性变化的循环电压，记录工作电极上得到的电流与施加电压的关系曲线，对溶液中的电活性物质进行分析。由于施加的电压为三角波，这种方法也称为三角波线性扫描极谱法。典型的循环伏安图如图所示：Ut+-++-++-+三角波选择施加在a点的起始电位Ei，然后沿负的电位即正向扫描，当电位负到能够将Ox还原时，在工作电极上发生还原反应：Ox+Ze=Red，阴极电流迅速增加（b-d），电流在d点达到最高峰，此后由于电极附近溶液中的Ox转变为Red而耗尽，电流迅速衰减（d-e）；在f点电压沿正的方向扫描，当电位正到能够将Red氧化时，在工作电极表面聚集的Red将发生氧化反应：Red=Ox+Ze，阳极电流迅速增加（i-j），电流在j点达到最高峰，此后由于电极附近溶液中的Red转变为Ox而耗尽，电流迅速衰减（j-k）；当电压达到a点的起始电位Ei时便完成了一个循环。循环伏安图的几个重要参数为：阳极峰电流（ipa）、阴极峰电流（ipc）、阳极峰电位（Epa）、阴极峰电位（Epc）。对于可逆反应，阴阳极峰电位的差值，即△E=Epa－Epc≈56mV/Z，峰电位与扫描速度无关。而峰电流ip＝2.69×105n3/2AD1/2V1/2C，ip为峰电流（A），n为电子转