线性电位扫描法测定镍在硫酸介质中的钝化行为

1实验九线性电位扫描法测定镍在硫酸介质中的钝化行为一．实验目的1．掌握准稳态法测定金属钝化曲线的基本方法，测定金属镍在硫酸介质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，了解电极表面状态对钝化曲线测量的影响。二．实验原理在以金属作阳极的电解池中，通过电流时，通常会发生阳极的电化学溶解过程MM+enn+−⎯⎯→在金属的阳极溶解过程中，其电极电位必须正于其热力学电位（即平衡电位），电极过程才能发生。这种电极电位偏离其热力学电位的现象称为极化。当阳极的极化不太大时，溶解速率随着阳极电极电势（电极电位）的增大而增大，这是金属正常的阳极溶解。但是在某些化学质介中，当阳极电极电势超过某一正值后，阳极的溶解速率随着阳极电极电势的增大反而大幅度地降低，这种现象称为金属的钝化。研究金属的钝化过程需要测定钝化曲线，通常用恒电位法。将被研究金属，例如铁、镍、铬等或其合金置于硫酸或硫酸盐溶液中即为研究电极，它与辅助电极（铂电极）组成一个电解池，同时它又与参比电极（甘汞电极）组成原电池，以镍为阳极为例。其测量装置示意图如图9.1所示，分为两部分，一是研究电极和辅助电极形成的极化回路，由mA表测量极化电流的大小。二是参比电极与研究电极形成的电位测量回路。图9.1恒电位法测定金属钝化曲线实验装置示意图1—辅助电极；2—研究电极；3—参比电极通过恒电位仪对研究电极给定一个恒电位后，测量与之对应的准稳态电流值I。以通过研究电极的电流密度i的对数lg{i}对超电势η作图，得金属钝化曲线如图9.2所示。超电势η即为电流密度为i时的阳极电极电势Ni()Ei与i=0时的阳极电极电势Ni(0)E之差为NiNi()(0)EiEη=−(9.1)即22HgClNi()()EiEEi=−222HgClNi(0)(0)EEE=−所以(0)()EEiη=−(9.2)图9.2金属钝化曲线用控制电位的方法测定的阳极极化曲线如图9.2所示，可以分为四个区域。图中ab线段表明，当表示阳极电极电势的外加给定电位增加，电流密度i随之增大，此区间为金属正常溶解的区间，称为活性溶解区，a点为金属的自然腐蚀电位。bc线段即表明阳极已经开始钝化，此时，作为阳极的金属表面开始生成钝化膜，故其电流密度i（溶解速率）随着阳极电极电势增大而减小，这一区间称为钝化过渡区，金属溶解的速度不断降低，并过渡到钝化状态，b点的电位称为临界钝化电位。cd线段表明金属处于钝化状态，此时金属表面生成了一层致密的钝化膜，在此区间电流密度i稳定在很小的值，而且与阳极电极电势的变化无关，这一区间称为钝化稳定区。随后的de线段，电流密度i又随阳极电极电势的增大而迅速增大，在此区间钝化了的金属又重新溶解，称为“超钝化现象”。这一区间称为超钝化区。对应于b点的电流密度ib称为致钝电流密度，对应的电位称为致钝电位。对应于c点的ic称为维钝电流密度，cd段所对应的电位称为维钝电位。处在钝化区域的金属溶解速度很小，所以利用阳极钝化，使金属表面生成一层耐腐蚀的钝化膜来防止金属腐蚀，叫阳极保护。但是，在另一方面，如化学电源、电冶金和电镀中的可溶性阳极，金属的钝化又是非常有害的。本实验是采用控制电位法测量阳极极化曲线。三、仪器与试剂ZF-3数字式恒电位仪，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），100mL烧杯作电解池。0.2mol·dm–3H2SO4溶液。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．在电解池内移入10mL0.2mol·dm–3的H2SO4溶液，加入40mL去离子水稀释。3．按要求组装实验设备，公共端接研究电极。接通恒电位仪电源，将恒电位仪上“通、断”档开关置于断档，此时测量回路处于开路状态，i=0。“参比、给定、电流”档开关置于参比，打开恒电位仪电源开关，预热15分钟。此时显示屏上所显示的数据即为参比电极（饱和甘汞电极）与研究电极（Ni）间的开路电位(0)E，22HgClNi(0)(0)EEE=−。待数据稳定后读取(0)E值，即为开路电3位。4．用静态法调节给定电位。将“参比、给定、电流”档开关置于给定，调节旋钮使显示屏的电位显示值等于(0)E，然后将“参比、给定、电流”档开关置于电流，2分钟后记下相应的电流值。注意：电流测量量程可以调节，其量程视电流读数而定，以保证电流测量精度。5．通过调节给定电位()Ei值逐一改变0.05V，2分钟后记下()Ei及与之对应的电流值，直至出现e点为止。6．实验完毕，将恒电位仪上“通、断”档开关置于断档，“参比、给定、电流”档开关置于参比后关闭电源，拆除三电极上的连接导线，洗净电极和电解池。五、数据处理1．将实验数据列表记录如下室温：研究电极面积：介质条件：开路电位：(0)E=()Ei/mVη/mV/AIμ2/(Am)(/)iiIS−⋅={}lgi2．由实验数据计算超电势η并填入表中。3．计算电流密度i，并填入表中，根据表中数据绘制钝化曲线。4．从钝化曲线上确定Ni在H2SO4溶液中维钝电位（以超电势η表示）范围和维钝电流密度值。六、思考题1．金属钝化的基本原理是什么？2．测定阳极极化曲线为什么要用恒电位仪？是否可用恒电流法测量金属钝化曲线？3．试说明实验所得金属钝化曲线各转折点的意义。4．在测量电路中，参比电极和辅助电极各起什么作用？