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金属腐蚀与防护课后答案

《金属腐蚀理论及腐蚀控制》

习题解答

第一章

1.根据表1中所列数据分别计算碳钢和铝两种材料在试验介质中的失重腐蚀速度V- 和年腐蚀深度V p，并进行比较，说明两种腐蚀速度表示方法的差别。

解：由题意得：

（1）对碳钢在30%HNO3( 25℃)中有：

Vˉ=△Wˉ/st

=(18.7153-18.6739)/45×2×(20×40＋20×3＋40×30)×0.000001 =0.4694g/ m?h

又有d=m/v=18.7154/20×40×0.003=7.798g/cm2?h

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×0.4694/7.798=0.53mm/y

对铝在30%HNO3(25℃)中有：

Vˉ=△Wˉ铝/st

=(16.1820-16.1347)/2×(30×40＋30×5＋40×5)×45×10-6

=0.3391g/㎡?h

d=m铝/v=16.1820/30×40×5×0.001=2.697g/cm3

说明：碳钢的Vˉ比铝大，而Vp比铝小，因为铝的密度比碳钢小。

（2）对不锈钢在20%HNO

( 25℃)有：

表面积S=2π×2

015

.0＋2π×0.015×0.004=0.00179 m2

Vˉ=△Wˉ/st=(22.3367-22.2743)/0.00179×400=0.08715 g/ m2?h

试样体积为：V=π×1.52×0.4=2.827 cm3

d=W/V=22.3367/2.827=7.901 g/cm3

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×0.08715/7.901=0.097mm/y

对铝有：表面积S=2π×2

.0＋2π×0.02×0.005=0.00314 m2 Vˉ=△Wˉ/st=(16.9646-16.9151)/0.00314×20=0.7882 g/ m2?h

试样体积为：V=π×2

2×0.5=6.28 cm3

d=W/V=16.9646/6.28=2.701 g/cm3

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×0.7882/2.701=2.56mm/y

试样在98% HNO

(85℃)时有：

对不锈钢：Vˉ=△Wˉ/st

=(22.3367-22.2906)/0.00179×2=12.8771 g/ m2?h

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×12.8771/7.901=14.28mm/y

对铝：Vˉ=△Wˉ/st=(16.9646-16.9250)/0.00314×40=0.3153g/ m2?h

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×0.3153/2.701=1.02mm/y 说明：硝酸浓度温度对不锈钢和铝的腐蚀速度具有相反的影响。

3.镁在0.5mol/L NaCl 溶液中浸泡100小时，共放出氢气330cm3。试验温度25?C，压力760mmHg；试样尺寸为20?20?0.5 (mm)的薄板。计算镁试样的失重腐蚀速度V p。（在25?C 时水的饱和蒸汽压为23.8mmHg）

解：由题意得：该试样的表面积为：

S=2×(20×20＋20×0.5＋20×0.5)×6

10-m2

10-=840×6

压力P=760mmHg-23.8 mmHg =736.2 mmHg=98151.9Pa

根据PV=nRT 则有放出的氢气的物质的量为：

n=PV/RT=98151.9×330×6

10-/8.315×(25＋273.15)=0.01307mol

又根据Mg ＋2+

Mg＋

H—>+2

Mg腐蚀的量为n(Mg)=0.01307mol

所以：Vˉ=nM(Mg)/St=0.01307×24.3050/840×6

10-×100=3.7817 g/ m2?h

查表得：d Mg=1.74 g/cm3

有：Vp=8.76Vˉ/d=8.76×3.7817/1.74=19.04mm/y

4.表面积4cm2的铁试样，浸泡在5%盐酸溶液中，测出腐蚀电流为Icor = 0.55mA。计算铁试样的腐蚀速度V-和V p。

解：由题意得：

根据Vˉ=A/nF=i cor可知

Vˉ=（A/nF）I cor/s

=55.845×0.55×0.001/2×26.8×4×0.0001=1.4326g/ m2?h 查表得d(Fe)=7.8g/ cm3

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×1.4326/7.8=1.61mm/y

即铁试样的腐蚀速度Vˉ=1.4326 g/㎡*h Vp=1.61mm/y

第二章

1.将铜片和锌片插在3%NaCl 溶液中，测得铜片和锌片未接通时的电位分别为+0.05V和–0.83V。当用导线通过电流表把铜片和锌片接通，原电池开始工作，电流表指示的稳定电流为0.15mA。已知电路的欧姆电阻为200Ω。

(1)原电池工作后阳极和阴极的电位差E c– E a = ？

(2)阳极极化值?E a与阴极极化值?E c的绝对值之和?E a + ∣?E c∣等于多少?

(3)如果阳极和阴极都不极化，电流表指示应为多少？

(4)如果使用零电阻电流表，且溶液电阻可以忽略不计，那么电流达到稳态后，阳极与阴极的电位差E c– E a、阳极极化值与阴极极化值的绝对值之和?E a + ∣?E c∣等于多少？电流表的指示又为多少？

解：由题意得：

（1）：根据Ec-Ea=IR 则有：Ec-Ea=IR=0.51mA×200欧=30mV=0.03V

即原电池工作后阳极和阴极的电压差Ec-Ea=0.03V

（2）：△Ea=Ea-Eoa |△Ec|=Eoc-Ec

△Ea＋|△Ec|=Ea-Eoa+Eoc-Ec=(Eoc-Eoa)-(Ec-Ea)

=0.05＋0.83-0.03=0.85V

即阳极极化值△Ea与阴极极化值△Ec的绝对值之和为0.85V。（3）：如果阳极和阴极都不极化，则有Pc=0 ，Pa=0

I cor=(Eoc-Eoa)/R=(0.05＋0.83)/200=0.0044A=4.4mA

即电流表指示应为4.4mA。

（4）：当使用零电阻电流表时有，阳极与阴极的电位差Ec=Ea，则有：电位差Ec-Ea=0

由（2）知：△Ea＋|△Ec|=(Ea-Ec)-(Eoa-Eoc)=0-(-0.83-0.5)=0.88V Pc+Pa=(Eoc-Ec＋Ea-Eoa)/ I cor=(0.88-0.03)/0.15×3

10-=5666.7Ω

I=(Eoc-Eoa)/ (Pc+Pa)=(0.05＋0.83)/5666.7=0.000155A

2. 某腐蚀体系的参数为：

E 0a = -0.4V，E0c = 0.8V，E cor = -0.2V。当R = 0时，I cor = 10mA，该腐蚀电池属于什么控制类型？如果欧姆电阻R = 90Ω，那么I'cor =？腐蚀电池又属于什么控制类型？

解：由题可知：当R=0时有：

I cor=(Eoc-Eoa)/ （Pc+Pa）

Pc+Pa=(Eoc-Eoa)/ I cor=（0.8+0.4）/10×2

10-=120Ω

Pc=(Eoc-Ec)/ I cor=(0.8＋0.2)/10×3

10-=100Ω

则有Pa=120-100=20Ω

因为Pc>>Pa，所以该电池属于阳极极化控制。

当欧姆电阻R=90Ω时有：

Icor=(Eoc-Eoa)/(Pc+Pa+R)=(0.8+0.4)/(120+90)=5.71mA

因为R与Pc接近，所以该腐蚀电池为欧姆电阻和阳极极化共同控制。

第三章

1. 在下列情况下，氧电极反应的平衡电位如何变化： (1) 温度升高10?C (取Po 2 =1atm ，pH = 7)。 (2) 氧压力增大到原来的10倍 (温度25?C)。 (3) 溶液pH 值下降1单位 (温度25?C)。

解：在中性溶液中，阴极的反应为：O 2+2H 2O+4-

e =4OH-

其平衡位则为Ee=E 0（OH-/O2）+nF

RT ㏑(Po 2/4

OH a -) （1）当温度升高10℃后有：

Ee = E 0（OH-/O2）+

T R )10(+×㏑(Po 2/4

OH a -) =E+nF RT ㏑(Po 2/4OH a )+ nF

R 10㏑Po 2/4

OH a -

则平衡电位变化量△Ee1= Ee ’- Ee=nF

R 10㏑(Po 2/4

OH a -)

=nF R 10㏑Po 2－nF

R 10㏑4OH a -

又因㏑4OH a =2.3lg 4

OH a ，则有lg OH

=pH －14

所以：△Ee1=10×8.314/(4×96500) ×

㏑Po 2-10×8.314/(4×96500)×4×2.3×(7-14)

=0+0.01387=0.0139V>0 即：温度升高10℃后平衡电位正移0.0139V 。（2）当氧压力增加到原来的10倍时

=E ＋nF RT ㏑(10Po 2/4OH a )=E ＋nF RT ln10＋nF

RT ㏑(Po 2/4

OH a -) △E 2= Ee ’’－Ee =nF RT

ln10

=(8.314×298.15)/(4×96500)×2.3 =0.0148V>0

即氧压力增大到原来的10倍时有氧电极平衡电位正移0.0148V （3）当溶液pH 值下降1时有

''3

=E ＋nF RT ㏑(Po 2/'4OH a -)=E ＋nF RT ln Po 2－nF

RT 4㏑'

OH a - ΔE 3= Ee ’’’－Ee=E ＋nF RT ln Po 2－nF

RT 4㏑'

OH a －(E ＋nF RT ln Po 2－

4㏑OH a ) =nF RT 4- 2.3('PH －14)＋nF RT

4 2.3(pH －14)

=F RT ×2.3=96500

.215.298315.8??=0.0591V>0

即pH 值下降1个单位，氧电压反应平衡电位正移0.0591V 。

2. 将铁置于饱和空气的碱溶液(pH = 10)中，按阳极反应为

(1) Fe + Fe 2+ + 2e

(2) Fe + 2OH - = Fe(OH)2 + 2e 计算腐蚀倾向，二者是否相同？为什么？

解：在pH=10的碱溶液中，去极化还原反应为：

O 2+2H 2O+4-

e =4-

Ee=E 0（OH-/O2）+

RT ㏑(Po 2/4

OH a -) =0.401＋4

0591

.0lg(0.21/1610-)

=0.627V (1) 当阳极反应为Fe=+

2Fe ＋2-

有+

2Fe

＋2-

=Fe(OH)2↓

查得Ksp Fe(OH)2

=1.87×15

10-

a(+

2Fe

)=Ksp Fe(OH)/a 2

]

[OH =1.87×15

-/ 8

-=1.87×7

-mol/L

由：Fe=+

2Fe ＋2-

又有Eea= -0.440＋0.02955lg a(+

2Fe ) = -0.440＋0.02955lg1.8×7

10-

= -0.639V

（2）当阳极反应为 Fe ＋2-

OH =Fe(OH)2＋2-

查表有?

)/(OH Fe Ee =-0.875V [OH]= 4

- mol/L

Ee=E 0 +

㏑(1/a 4

][OH )

= -0.875＋(8.315×298.15)/(2×96500)×2×2.3lg 4

10-

= -0.639V

综上则有两种计算所得结果相同，即二者的腐蚀倾向一样。

3. 将两根铜棒分别浸于0.01mol/L CuSO 4溶液和0.5mol/L CuSO 4溶液，组成一个金属离子浓差电池。

(1) 哪一根铜棒是阳极，哪一根铜棒是阴极？ (2) 写出阳极反应和阴极反应，计算其平衡电位。该金属离子浓差电池的腐蚀倾向是多少伏？

解：（1）铜棒在0.01 mol/LCuSO 4溶液中时有：Cu=+

2Cu ＋2-

查表得：γ(+

2Cu

)=0.41

又根据+2/cu Cu Ee =E 0

＋nF

RT ㏑a(+2Cu )

=0.337＋2

059

.0lg(0.01×0.41)=0.266V

当铜棒在0.5mol/LCuSO 4溶液中时有：γ(+

2Cu

)=0.0668

2/+cu Cu Ee = E 0

＋nF

㏑a(+2Cu )’ =0.337＋2

059

.0lg(0.5×0.0668)

=0.293V 因为+

2/cu Cu Ee

<'2/+

cu Cu Ee ，即铜在0.01 mol/LCuSO 4溶液中的电位比

在0.5mol/LCuSO 4溶液中电位低。故有铜在0.01 mol/LCuSO 4溶液中作阳极，而在0.5mol/LCuSO 4溶液中的铜棒作阴极。

（2）阳极反应：Cu=+

2Cu

＋2-