金属的电化学腐蚀和防腐.doc

金属的电化学腐蚀和防腐 以氧化还原反应为基础的各种化学电池是重要的电力来源，但由这类反应引发的腐蚀过程的确也在给人类添乱。钢铁是最重要的结构材料, 据估计, 世界钢铁年产量的20%用于更新因生锈而损坏的钢铁制件。铁生锈现象因此而成为人们最关心的一种腐蚀过程。这里先讨论腐蚀的电化学原理，接着您将会了解，同样的原理又是怎样用于防止腐蚀的。 铁生锈过程是铁被O2氧化生成铁的水合氧化物(Fe2O3·xH2O)的过程。但如果没有水存在, 该过程将极为缓慢。通常认为, 铁的生锈是Fe, O2和H2O(湿气)参与的一种电化学过程。参见图S-6-6的示意: 金属表面的一个区域作为阳极, 阳极发生的氧化半反应是: Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e - 反应中产生的电子经过金属流到表面的另一个区域(阴极), 在那里将空气中的O2还原为H2O: O2(g) + 4 H3O+(aq) + 4 e- 6 H2O(l) 阳极生成的Fe2+最终被氧化为Fe3+, 后者形成的水合氧化物即铁锈: 4 Fe2+(aq) + O2(g) + 4 H2O(l) + (2x+8) H2O(l) 2 (Fe2O3·xH2O)(s) + 8 H3O+(aq) 作为阳极的区域往往是供氧不充分的区域(例如被泥土覆盖等), 作为阴极的区域往往是供氧较充分的光滑表面。由于阴极氧供应比较充分, 铁锈往往就在那里沉积。如果仔细观察一把长期放在潮湿空气中、刃口附着有脏物的铁锹, 您会发现, 被污物覆盖的区域往往出现凹陷(Fe氧化为Fe2+后经由溶液转移至其它区域), 而锈则在与氧充分接触的其他部位生成。盐的存在会导致腐蚀加快, 这是因为盐的组成离子提供了完成电池回路所需的电解质。这使得冬季行驶在撒盐路面上的汽车更容易受到腐蚀。 铁质材料和铁制器件通常通过涂油漆或镀以锡、锌、铬等其他金属以防止表面腐蚀。例如, 饮料和食品罐头盒用的薄板钢材可以通过镀锡防止腐蚀。不过, 一旦镀层破损使铁质暴露在空气和水中, 不但不再能起到保护作用, 而且将会加速腐蚀。这是因为构成了分别以锡和铁为电极的原电池。以 标准电极电势作参考进行判断, Fe作为阳极, 将优先于Sn被空气中的O2所氧化, 相关的半反应同前。 镀层为锌的铁叫白铁。与锡镀层不同的是, 镀层表面破损后仍能起到保护作用。这是因为Zn比Fe活泼, 从而成为电化学腐蚀过程的阳极。相关的半反应为: 阳极: Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e - 阴极: O2(g) + 4 H3O+(aq) + 4 e- 6 H2O(l) 该过程的最终结果是, Zn代替Fe被腐蚀。从理论上讲, 作为阳极的Zn被耗尽之前, 作为阴极的Fe是不会受到腐蚀的。将被保护的金属作为电化学电池的阴极而得到保护, 化学上叫作阴极保护(Cathodic protection)。用来保护阴极的那个被氧化的活泼金属叫殉葬阳极(Sacrificial Anode)。 阴极保护法被用于保护与水或潮湿土壤接触的大型钢铁物件, 如船舶、储罐和地下管道等。在美国, 每年大约有5 000多吨金属镁用作殉葬阳极。图2示意地下水管道的保护, 金属镁用作殉葬阳极, 通过导线与管道焊接在一起, 并与管道一起埋在地下。为了促进离子导电, 金属镁周围填以石膏、硫酸钠和黏土的混合物。 Fig. 1 Corrosion of iron in contact with water. Fig. 2 Cathodic protection of an iron water pipe.