科普——電化學(xué)及金屬防腐蝕

電能，是我們當(dāng)今生活無(wú)法離開的必要能量。我們知道，燈泡的發(fā)光需要電，電器的工作要電……無(wú)疑，電能已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。那么，這么有用的電能是怎么來(lái)的呢？

最簡(jiǎn)單的方法，就是摩擦起電現(xiàn)象；再高級(jí)一點(diǎn)的，就是導(dǎo)體切割磁感線所產(chǎn)生的電流；更高級(jí)的，莫過(guò)于核電了。然而真正充斥在我們身邊的電并非是這幾種方式，而是通過(guò)一種輕小的發(fā)電裝置——電池。這就要引出我們今天科普的主題了——電化學(xué)基礎(chǔ)。

1.電池

原電池，就是能把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，而所有物質(zhì)本身都具有化學(xué)能，但這并不意味著所有物質(zhì)都可以參與到原電池反應(yīng)中釋放化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。我們知道，產(chǎn)生電流的基本條件是電子要在閉合回路中定向移動(dòng)，然而并非所有物質(zhì)都可以滿足這一點(diǎn)，那么什么樣的物質(zhì)可以滿足呢？

我們知道，化學(xué)反應(yīng)的幾大類型中，伴隨著電子得失和偏移，也就是電子移動(dòng)的反應(yīng)就是氧化還原反應(yīng)。氧化還原反應(yīng)中氧化劑的電子轉(zhuǎn)移到還原劑上，同時(shí)釋放出巨大能量。那么好了，既然電子是從一邊到另一邊的，說(shuō)明電子定向移動(dòng)，這樣條件就滿足了。

但是，氧化還原反應(yīng)中電子定向移動(dòng)產(chǎn)生的能量都變成了熱能釋放了，我們?cè)撛趺醋霾拍馨堰@部分熱能以電能的形式釋放呢？

這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的原電池，其中左邊的金屬是鋅Zn，右邊的金屬是銅Cu，而連接他們的則是一根連有電流表的導(dǎo)線。

我們知道，依照金屬活動(dòng)順序表中的位置Zn＞H＞Cu可以得出，這個(gè)反應(yīng)應(yīng)該是Zn與酸的反應(yīng)。這個(gè)氧化還原反應(yīng)中電子從Zn轉(zhuǎn)移到了H上導(dǎo)致  H被還原成了單質(zhì)，這應(yīng)該是屬于鋅片和硫酸只見(jiàn)的電子轉(zhuǎn)移，當(dāng)然，如果沒(méi)有這根導(dǎo)線和銅片，也的確是這樣的。

不過(guò)一旦導(dǎo)線出現(xiàn)，電子就會(huì)順著導(dǎo)線移動(dòng)，這導(dǎo)致了鋅片的電性顯正，而電子轉(zhuǎn)移到了銅片上，所以銅片顯現(xiàn)出負(fù)電。根據(jù)同種電荷相互吸引，異種電荷相互排斥，溶液中硫酸電離出的氫正離子和硫酸根負(fù)離子團(tuán)會(huì)向兩級(jí)定向移動(dòng)。這就直接導(dǎo)致了在導(dǎo)線中，帶負(fù)電的電子從鋅片向銅片定向移動(dòng)，而水溶液中氫離子也向銅片移動(dòng)。根據(jù)規(guī)律，在這個(gè)體系中，帶負(fù)電荷的粒子在閉合通路中發(fā)生了定向移動(dòng)，從而導(dǎo)致了電流的產(chǎn)生。

氫離子在銅片上得到電子成為了氣體離開體系，但失去電子的Zn則會(huì)很快變成離子進(jìn)入溶液中維系電荷平衡，所以這個(gè)體系滿足電荷守恒。

比較復(fù)雜的原電池還有一種帶有鹽橋的體系，

在這個(gè)體系中，電子從Zn流向Cu，導(dǎo)致陰陽(yáng)離子發(fā)生定向移動(dòng)，而U形管中裝有的瓊脂-氯化鉀混合物中的氯離子和鉀離子也會(huì)定向移動(dòng)。左邊的燒杯中鋅片變成鋅離子進(jìn)入溶液中，氯離子就會(huì)向左移動(dòng)保證電荷平衡，右邊銅離子變成單質(zhì)析出，那么鉀離子就會(huì)右移保證電荷平衡。這個(gè)體系的好處就是電流穩(wěn)定并且最大限度的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為了電能。

那么怎么做原電池呢？

其實(shí)原電池的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，首先，原電池反應(yīng)一定是可以自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，一般的，你需要兩個(gè)活動(dòng)性不同的金屬，活潑金屬做負(fù)極，并且要能和電解質(zhì)溶液反應(yīng)。比如最常見(jiàn)的干電池、堿性鋅錳電池和鋰電池。比較復(fù)雜的電池包括鉛蓄電池和燃燒電池，便不再過(guò)多講解。

2.電解

電解池，就是以一種強(qiáng)的氧化還原手段，強(qiáng)行的向物質(zhì)內(nèi)的離子輸送和搶奪電子達(dá)到電子定向移動(dòng)而發(fā)生氧化還原的目的，一般是用來(lái)發(fā)生不能自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

上圖是電解CuCl2溶液的裝置。通電后發(fā)生反應(yīng)：CuCl2=（電解）Cu + Cl2

陽(yáng)極：2Clˉ―2e→Cl2

陰極：Cu2﹢+2e→ Cu↓

電解過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化（裝置特點(diǎn)）一定不參與反應(yīng) 不一定惰性電極陽(yáng)極：不一定參與反應(yīng) 也不一定是惰性電極。

方程式的書寫：

陽(yáng)極：活潑金屬—電極失電子（Au,Pt 除外）；惰性電極—溶液中陰離子失電子

失電子能力：活潑金屬（除Pt Au）>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根(NO3 ->SO4 2-)>F-

陰極：溶液中陽(yáng)離子得電子

得電子能力：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+（酸）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H2O（水）>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+（即金屬活潑性順序表的逆向）

規(guī)律：鋁前（含鋁）離子不放電，氫（酸）后離子先放電，氫（酸）前鋁后的離子看條件。四類電解型的電解規(guī)律（當(dāng)陽(yáng)極為惰性電極時(shí)）　

①電解水型（強(qiáng)堿，含氧酸，活潑金屬的含氧酸鹽），pH由溶液的酸堿性決定，溶液呈堿性則pH增大，溶液呈酸性則pH減小，溶液呈中性則pH不變。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加適量水。

②電解電解質(zhì)型（無(wú)氧酸，不活潑金屬的無(wú)氧酸鹽，），無(wú)氧酸pH變大，不活潑金屬的無(wú)氧酸鹽PH不變。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加適量電解質(zhì)。

③放氫生堿型（活潑金屬的無(wú)氧酸鹽），pH變大。電解質(zhì)溶液復(fù)原—加陰離子相同的酸。

④放氧生酸型（不活潑金屬的含氧酸鹽），pH變小。電解質(zhì) 溶液復(fù)原—加陽(yáng)離子相同的堿或氧化物。

電鍍：應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或者合金的過(guò)程

條件：

①     鍍件做陰極

②     鍍層金屬做陽(yáng)極

③     電鍍液中含鍍層金屬離子電鍍時(shí)，把待鍍的金屬制品（即鍍件）作陰極，鍍層金屬作陽(yáng)極，用含有鍍層金屬離子的溶液作電鍍液。

④     陽(yáng)極：Mn－e－=Mn+陰極：Mn++e－=Mn

這樣，在直流電的作用下，鍍層金屬就均勻地覆蓋到鍍件的表面。

3.金屬的化學(xué)腐蝕

金屬的腐蝕可以分為兩種——化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。常見(jiàn)的化學(xué)腐蝕就比如純金屬直接接觸到酸而產(chǎn)生的損耗；電化學(xué)腐蝕則是因?yàn)榘l(fā)生的原電池反應(yīng)或電解池反應(yīng)。

那么化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕有什么不同呢？當(dāng)然有不同。電化學(xué)腐蝕會(huì)產(chǎn)生微弱電流，并且原電池反應(yīng)會(huì)加速氧化還原反應(yīng)的發(fā)生。

其中，最常見(jiàn)的是鋼鐵的電化學(xué)腐蝕。鋼鐵中混有少量的碳，碳鐵和潮濕且溶解了酸性氣體或氧氣的水形成了原電池，這里就有了“析氫腐蝕”和“吸氧腐蝕”。

例如工業(yè)用鋼材其中含雜質(zhì)(如碳等)，當(dāng)其表面覆蓋一層電解質(zhì)薄膜時(shí)，鐵、碳及電解質(zhì)溶液就構(gòu)成微型腐蝕電池。 該微型電池中鐵是陽(yáng)極:Fe→Fe2++2e- 碳作為陰極:如果電解質(zhì)溶液是酸性，則陰極上有氫氣放出(2H++2e-→H2);如果電解質(zhì)溶液是堿性，則陰極上發(fā)生反應(yīng)O2+2H2O+4e-→4OH-。

總結(jié):從上面的分析可以看出:所形成的腐蝕電池陽(yáng)極反應(yīng)一般都是金屬的溶解過(guò)程: M→Mz++ze- 陰極反應(yīng)在不同條件下可以是不同的反應(yīng)，最常見(jiàn)的有下列兩種反應(yīng)：

在缺氧條件下，H+離子還原成氫氣的反應(yīng)(釋氫腐蝕) 2H++2e-→H2。(=0.0V) 該反應(yīng)通常容易發(fā)生在酸性溶液中和在氫超電勢(shì)較小的金屬材料上。

氧氣還原成OH-離子或H2O的反應(yīng)(耗氧腐蝕) 中性或堿性溶液中O2+2H2O+4e-→4OH-。(=0.401V) 在酸性環(huán)境中，O2+4H++4e-→2H2(=1.229V) 2.腐蝕電流一旦組成腐蝕電池之后，有電流通過(guò)電極，電極就要發(fā)生極化，因而研究極化對(duì)腐蝕的影響是十分必要。在金屬腐蝕文獻(xiàn)中，將極化曲線(電勢(shì)~電流關(guān)系)繪成直線(橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)標(biāo)度)，稱為Evans(埃文斯)極化圖(圖10-8)。在Evans極化圖中的電流密度j腐蝕表示了金屬腐蝕電流，實(shí)際上代表了金屬的腐蝕速率。

影響金屬表面腐蝕快慢(即腐蝕電流j)的主要因素:

①腐蝕電池的電動(dòng)勢(shì)--兩電極的平衡電極電勢(shì)差越大，最大腐蝕電流也越大。

②金屬的極化性能--在其它條件相同的情況下，極化程度愈大(即極化曲線的斜率)，腐蝕電流愈小。

③氫超電勢(shì)--釋氫腐蝕時(shí)，氫在金屬表面析出的超電勢(shì)逾大，極化曲線的斜率就逾大，腐蝕電流反而減小。

那么我們?cè)撊绾畏雷o(hù)呢？

很簡(jiǎn)單，要么是用特殊手段改造金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其穩(wěn)定而耐腐蝕；再或者，刷層油漆也是可以的鍍金也是可以的！

其實(shí)，還有兩種方法，叫做犧牲負(fù)極（正極）的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法

外加電流的陰極保護(hù)法：目前在保護(hù)閘門、地下金屬結(jié)構(gòu)(如地下貯槽、輸油管、電纜等)、受海水及淡水腐蝕的設(shè)備、化工設(shè)備的結(jié)晶槽、蒸發(fā)罐等多采用這種方法，它是目前公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)、有效的防腐蝕方法之一。該法是將被保護(hù)金屬與外電源的負(fù)極相連，并在系統(tǒng)中引入另一輔助陽(yáng)極，與外電源的正極相連。

犧牲陽(yáng)極保護(hù)法：它是在腐蝕金屬系統(tǒng)上聯(lián)結(jié)電勢(shì)更負(fù)的金屬，即更容易進(jìn)行陽(yáng)極溶解的金屬(例如在鐵容器外加一鋅塊)作為更有效的陽(yáng)極，稱為保護(hù)器。這時(shí)，保護(hù)器的溶解基本上代替了原來(lái)腐蝕系統(tǒng)中陽(yáng)極的溶解，從而保護(hù)了原有的金屬。此法的缺點(diǎn)是用作保護(hù)器的陽(yáng)極消耗較多。

對(duì)于電化學(xué)，其實(shí)并不只是這么一些，但我們的科普必須到此結(jié)束了，如果再有時(shí)間，我會(huì)詳細(xì)介紹。