腐蚀金属电极稳态极化曲线测量和数据处理
一、实验目的:
1、掌握恒电位测定极化曲线的原理和方法
2、巩固金属极化理论,确定金属实施阳极保护的可能性。初步了解阳极保护参数及其确
定方法。
3、了解恒电位仪器及相关电化学仪器的使用。
4、测定铁在酸性介质中的极化曲线, 求算自腐蚀电位、自腐蚀电流、掌握线性扫描伏安法
和TAFEL方法测定极化曲线。
实验原理
铁在酸溶液中,将不断被溶解,同时产生H2,即:
Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 (a)
Fe/HCl体系是-个二重电极,即在Fe/H+界面上同时进行两个电极反应: FeFe2+ + 2e (b)
2H+ + 2eH2 (c)
反应(b)、(c)称为共轭反应。正是由于反应(c)存在,反应(b)才能不断进行,
这就是铁在酸性介质中腐蚀的主要原因。
当电极不与外电路接通时,其净电流I总为零。在稳定状态下,铁溶解的阳极电
流I(Fe)和H+还原出H2的阴极电流I(H),它们在数值上相等但符号相反,即:
(1)
IFe的大小反映Fe在H+中的溶解速率,而维持I(Fe),I(H)相等时的电势
称为Fe/H+体系的自腐蚀电势εcor。
图12-1 Fe的极化曲线
图12-1是Fe在H+中的阳极极化和阴极极化曲线图。当对电极进行阳极极化(即加更大正电势)时,反应(c)被抑制,反应(b)加快。此时,电化学过程以Fe的溶解为主要倾向。通过测定对应的极化电势和极化电流,就可得到Fe/H+体系的阳极极化曲线rba。。由于反应(c)是由迁越步骤所控制,所以符合塔菲尔(Tafel)半对数关系,即:
(2)
直线的斜率为bFe。
当对电极进行阴极极化,即加更负的电势时,反应(b)被抑制,电化学过程以反应(c)为主要倾向。同理,可获得阴极极化曲线rdc。由于H+在Fe电极上还原出H2的过程也是由迁越步骤所控制,故阴极极化曲线也符合塔菲尔关系,即:
(3)
当把阳极极化曲线abr的直线部分ab和阴极极化曲线cdr的直线部分cd外延,理论上应交于一点(z),z点的纵坐标就是 ,腐蚀电流Icor的对数,而z点的横坐标则表示自腐蚀电势εcor的大小。
恒电势方法和恒电流方法的简单线路如图12-3所示:
(a)恒电势法 (b)恒电流法
图12-3 恒电势和恒电流测量原理
Ba--低压稳压电源;Bb--稳压电源; Ra--低电阻; Rb--高电阻 A--精密电流表 V--高阻抗毫伏计; L--鲁金毛细管;W--工作电极;C--辅助电极; r --参考电极;
三、仪器药品
仪器:电化学分析仪,电解池、辅助电极.铂电极、带盐桥的饱和甘汞电极、工作电极碳钢
药品:粒度为400、600号砂纸。
实验溶液:(1)1mol/L的HCl溶液,中性水溶液;蒸馏水;
四、实验步骤
1.仪器装置及电极处理
采用三室电解池。辅助电极室和工作电极室之间采用玻璃砂隔板。工作电极为铁电极,与铂电极相对,工作电极的结构见5所示。
工作电极先后用400/600粒度的砂纸抛光,水冲洗干净,将电极固定在电极杆上,擦拭干净后待用。
图12-4 恒电势法测定极化曲线装置图 图12-5 工作电极
1. 饱和甘汞电极;2. Fe工作电极 3. 铂片辅助电极;4&5. 玻璃沙隔板
2. 线性扫描伏安法测量铁的极化曲线
在工作站中选择线性扫描伏安法(Linear Sweep Voltammetry),设置电位范围为-0.5V ~ +0.8V ,扫描速率为3mV/s,,可由仪器自动获得整个的极化曲线。所采用的扫描速率(即电势变化的速率)需要根据研究体系的性质选定。一般来讲,电极表面建立稳态的速率越慢,扫描速率就应越慢。
按顺序依次测定第(1)、(2)组溶液体系下的极化曲线。
测完之后,应使仪器复原,清洗电极,记录室温。
五、数据处理
1. 由ORIGIN画图,由二条切线的交点z求εco、Icor、jcor (mA/cm2)。并分别求出斜率bH和bFe。
注:自腐蚀电流密度jcor与自腐蚀速率的换算关系如下
,
式中u为腐蚀速率(g/m2·h),jcor为自腐蚀电流密度,M为金属的摩尔质量(g/mol),n为金属的原子价
2. 由极化曲线求钝化电势εp、钝化电流Ip和钝化电流密度ip。
-1
-2
logi
-3-4-5
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
Potential/V
A-B
Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------ A B
-4.72304 -- -4.01949 --
[C-D
Linear Regression for Data1_B: Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------ A B
0.21759 -- 6.30474 --
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
-1 0 2 <0.0001
------------------------------------------------------------
交点(-0.476708464,-2.80900673)
缓蚀剂浓度(mg/L) 腐蚀电流icorr (A/cm2)
塔菲尔斜率ba (V) 塔菲尔斜率bc (V) 自然电位Eocp (V)
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
1 0 2 <0.0001
------------------------------------------------------------
1mol/L 缓蚀
率
0.001552362
6.30474 -4.01949 -0.508
铁的极化曲线
实验结果的记录与处理:
1、 Fe在0.1mol/L的硫酸溶液中铁的极化钝化曲线
联立两直线方程得:log Icorr= ?4.25A , Icorr=5.58×10?5A ; Ecorr= ?0.56V。
因为实验所用电极直径为2mm,面积为Πmm2,
故自腐蚀电流密度=自腐蚀电流/电极面积=5.58×10?5 /(Π×0.0012)=17.8(A/ m2)
由图知,钝化电流Ip=1.14×10?2A,
钝化电流密度=1.14×10?2/(Π×0.0012)=3.63×103(A/ m2)
钝化电位范围:1.318?1.602V
2、 Fe在1.0mol/L的硫酸溶液中铁的极化钝化曲线
联立两直线方程得:log Icorr= ?4.25A , Icorr=5.58×10?5A ; Ecorr= ?0.56V。
因为实验所用电极直径为2mm,面积为Πmm2,
故自腐蚀电流密度=自腐蚀电流/电极面积=5.58×10?5 /(Π×0.0012)=17.8(A/ m2)
由图知,钝化电流Ip=1.14×10?2A,
钝化电流密度=1.14×10?2/(Π×0.0012)=3.63×103(A/ m2)
钝化电位范围:1.318?1.602V
3、 Fe在1.0mol/L的HCl溶液中铁的极化钝化曲线
联立两直线方程得:log Icorr= ?4.25A , Icorr=5.58×10?5A ; Ecorr= ?0.56V。
因为实验所用电极直径为2mm,面积为Πmm2,
故自腐蚀电流密度=自腐蚀电流/电极面积=5.58×10?5 /(Π×0.0012)=17.8(A/ m2)
由图知,钝化电流Ip=1.14×10?2A,
钝化电流密度=1.14×10?2/(Π×0.0012)=3.63×103(A/ m2)
钝化电位范围:1.318?1.602V
4、 Fe在含1%的乌洛托品的1.0mol/L的HCl溶液中铁的极化钝化曲线
联立两直线方程得:log Icorr= ?4.25A , Icorr=5.58×10?5A ; Ecorr= ?0.56V。
因为实验所用电极直径为2mm,面积为Πmm2,
故自腐蚀电流密度=自腐蚀电流/电极面积=5.58×10?5 /(Π×0.0012)=17.8(A/ m2)
由图知,钝化电流Ip=1.14×10?2A,
钝化电流密度=1.14×10?2/(Π×0.0012)=3.63×103(A/ m2)
钝化电位范围:1.318?1.602V
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