鎳在硫酸溶液中的鈍化行為

1、深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：線性電位掃描法測定鎳在硫酸溶液中的鈍化行為學(xué)院：化學(xué)與化工學(xué)院專業(yè)：指導(dǎo)教師： 報(bào)告人：學(xué)號(hào)：班級(jí)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2013-11-29實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間：2013-12-13教務(wù)處制一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、測定鎳在硫酸溶液中的恒電勢(shì)陽極極化曲線及其鈍化電勢(shì)。2、了解金屬鈍化行為的原理和測量方法。二. 實(shí)驗(yàn)原理：一、金屬的陽極過程金屬的陽極過程是指金屬作為陽極發(fā)生電化學(xué)溶解的過程，如下式所示：M M+ + ne -在金屬的陽極溶解過程中，其電極電勢(shì)必須高于其熱力學(xué)電勢(shì)，電極過程才能發(fā)生。這種電極 電勢(shì)偏離其熱力學(xué)電勢(shì)的現(xiàn)象稱為極化。當(dāng)陽極極化不大時(shí)，

2、陽極過程的速率隨著電勢(shì)變正而逐 漸增大，這是金屬的正常溶液。但當(dāng)電極電勢(shì)正到某一數(shù)值時(shí)，其溶解速率達(dá)到最大，而后，陽 極溶解速率隨著電勢(shì)變正，反而大幅度地降低，這種現(xiàn)象稱為金屬的鈍化現(xiàn)象。金屬鈍化一般可分為兩種。若把鐵浸入濃硝酸（比重d 1.25 ）中，一開始鐵溶解在酸中并置換出，這時(shí)鐵處于活化狀態(tài)。經(jīng)過一段時(shí)間后，鐵幾乎停止了溶解，此時(shí)的鐵也不能從硝酸 銀溶液中置換出銀，這種現(xiàn)象被稱之為化學(xué)鈍化。另一種鈍化稱之為電化學(xué)鈍化，即用陽極極化 的方法使金屬發(fā)生鈍化。金屬處于鈍化狀態(tài)時(shí)，其溶解速度較小，一般為io-6io-8a cm2。金屬由活化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殁g化狀態(tài)，至今還存在著兩種不同的觀點(diǎn)。有人認(rèn)

3、為金屬鈍化是由于 金屬表面形成了一層氧化物，因而阻止了金屬進(jìn)一步溶解；也有人認(rèn)為金屬鈍化是由于金屬表面 吸附氧而使金屬溶解速度降低。前者稱為氧化物理論，后者稱為表面吸附理論。二、影響的金屬鈍化過程的幾個(gè)因素金屬鈍化現(xiàn)象是十分常見的，人們已對(duì)它進(jìn)行了大量的研究工作，影響金屬鈍化過程及鈍態(tài)性 質(zhì)的因素可歸納為以下幾點(diǎn)：1.溶液的組成 溶液中存在的H：鹵素離子以及某些具有氧化性的陰離子對(duì)金屬的鈍化現(xiàn)象 起著頗為顯著的影響。在中性溶液中，金屬一般是比較溶液鈍化的，而在酸性溶液或某些堿性溶 液中要困難得多。這是與陽極反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度有關(guān)的。鹵素離子，特別是氯離子的存在則明顯 到阻止金屬的鈍化過程，已經(jīng)鈍

4、化了的金屬也容易被它破壞（活化），而使金屬的陽極溶解速率 重新增加。溶液中存在某些具有氧化性的陰離子（如Cr&4）則可以促進(jìn)金屬的鈍化。2.金屬的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu) 各種純金屬的鈍化能力很不相同，以鐵、鎳、鉻三種金屬為例， 鉻最容易鈍化，鎳次之，鐵較差些。因此添加鉻、鎳可以提高鋼鐵的鈍化能力，不銹鋼材是一個(gè) 極好的例子。一般來說，在合金中添加易鈍化的金屬時(shí)可以大大提高合金的鈍化能力及鈍態(tài)的穩(wěn)定性。3. 外界因素（如溫度、攪拌等），一般來說溫度升高以及攪拌加劇是可以推遲過防止鈍化過 程的發(fā)生，這明顯與離子的擴(kuò)散有關(guān)。三、恒電勢(shì)陽極極化曲線的測量原理和方法控制電勢(shì)法測量極化曲線時(shí)，一般采用恒電位儀，它

5、能將研究電極的電勢(shì)恒定地維持在所需值， 然后測量對(duì)應(yīng)于該電勢(shì)下的電流。由于電極表面狀態(tài)在未建立穩(wěn)定狀態(tài)之前，電流會(huì)隨時(shí)間而改 變，故一般測出的曲線為“暫態(tài)”極化曲線。在實(shí)際測量中，常采用的控制電勢(shì)測量方法有下列 兩種。1.靜態(tài)法 將電極電勢(shì)較長時(shí)間地維持在某一恒定值，同時(shí)測量電流隨時(shí)間的變化，直到電 流值基本上達(dá)到某一穩(wěn)定值。如此逐點(diǎn)地測量各個(gè)電極電勢(shì)（例如每隔20，50或100mV下的穩(wěn)定電流值，以獲得完整的極化曲線。2.動(dòng)態(tài)法 控制電極電勢(shì)以較慢的速度連續(xù)地改變（掃描），并測量對(duì)應(yīng)電勢(shì)下的瞬間電流 值，并以瞬時(shí)電流與對(duì)應(yīng)的電極電勢(shì)作圖，獲得整個(gè)的極化曲線。所采用的掃描速度（即電勢(shì)變 化的速

6、率）需要根據(jù)研究體系的性質(zhì)選定。一般來說，電極表面建立穩(wěn)態(tài)的速度愈慢，則掃描速 率也應(yīng)愈慢，這樣才能使所測得的極化曲線與采用靜態(tài)法接近。上述兩種方法都已獲得了廣泛的應(yīng)用。從測定結(jié)果的比較可以看出，靜態(tài)法測量結(jié)果雖較接近穩(wěn)態(tài)值，但測量時(shí)間太長。本實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)法線性電位掃描示意圖鈍化曲線示意圖用動(dòng)態(tài)法測量金屬的陽極極化曲線時(shí)，對(duì)于大多數(shù)金屬均可得到如 圖所示的形式。圖中的曲線可分為四個(gè)區(qū)域：（1）AB段為活性溶解區(qū)，此時(shí)金屬進(jìn)行正常的陽極溶解，陽極電流隨電位的變化符合Tafel公（2）BC段為過渡鈍化區(qū)，電位達(dá)到 B點(diǎn)時(shí)，電流為最大值，此時(shí)的電流稱為純化電流（I鈍）, 所對(duì)應(yīng)的電位稱為臨界電位或鈍

7、化電位（E鈍），電位過B點(diǎn)后，金屬開始鈍化，其溶解速度不 斷降低并過渡到鈍化狀態(tài)（C點(diǎn)之后）。（3）CD段為弱定鈍化區(qū)。在該區(qū)域中金屬的溶解速度基本上不隨電位而改變。此時(shí)的電流密度 稱為鈍態(tài)金屬的穩(wěn)定溶解電流密度。（4） DE段為過鈍化區(qū),D點(diǎn)之后陽極電流又重新隨電位的正移而增大。此時(shí)可能7子的產(chǎn)生，也可能是水的電解而析出O 2,2,還可能是兩者同時(shí)出現(xiàn)。亠（紅電.實(shí)驗(yàn)儀器與試劑:DHZ型電化學(xué)工作站測量系統(tǒng)，電腦電解池（三頸瓶）電垢池研究電極：鎳電極參比電極：雙液接飽和甘汞電極（SCE）輔助電極：鉑電極30.5moldm- H2SO4溶液飽和氯化鉀溶液實(shí)驗(yàn)裝置示意圖四. 實(shí)驗(yàn)步驟：1、開啟電

8、腦電源。開啟DHZ型電化學(xué)站測量系統(tǒng)的電源（開關(guān)在儀器背面）。2、2-1、洗凈電解池，注入約 0.5 moldm-3 HjSQ溶液（實(shí)際操作中0.5 moldm-3 H2SO溶液已經(jīng) 注入，除非溶液已發(fā)藍(lán)否則無需倒掉重新注入）。2-2檢查飽和甘汞電極中KCl溶液的液面高度，若KCl溶液過少，請(qǐng)加入飽和 KCl溶液。 用蒸餾水洗凈甘汞電極和鉑電極后將安裝于電解池上。2-3用細(xì)砂紙將鎳片電極的一面打磨至光亮，再將鎳片電極置于HSQ溶液中浸泡2分鐘,安裝于電解池上。2-4電化學(xué)系統(tǒng)與3個(gè)電極連接。W端連接鎳片，R端連接參比電極，C端連接輔助電極3、3-1雙擊電腦桌面上的“電化學(xué)工作站”電化學(xué)測量系統(tǒng)

9、軟件 靜止時(shí)間（s）:1。3-2點(diǎn)擊“聯(lián)機(jī)”-軽一點(diǎn)擊“設(shè)置”里的“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”一點(diǎn)擊“線性掃描伏安法”両:容液電阻補(bǔ)償擇溶液電阻補(bǔ)償怕煉電陽曲-設(shè)置初始電位（V）為:-0.2計(jì)時(shí)電新法選。終止電位（V為：1.6。掃描速度（v/s）: 0.002。采樣間隔（V）: 0.01。靈敏度：10mA。一點(diǎn)擊“確定” 一點(diǎn) 擊“開始”-進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4、實(shí)驗(yàn)過程中，通過鼠標(biāo)顯示，記下所需要的點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)。5、待實(shí)驗(yàn)停止后，可將數(shù)據(jù)以國”上 一.7亠八：=存到桌面。并以實(shí)驗(yàn)者“學(xué)號(hào)+姓名”命名，如為2009140002李玉。同時(shí)把數(shù)據(jù)圖截屏，保存圖片，存入U(xiǎn)盤。6、 把3個(gè)電極從電解池中取出，洗凈。甘汞電極放入

10、飽和KCI溶液中。關(guān)閉電源。V注意事項(xiàng)1、鎳片一定要打磨。2、要仔細(xì)檢查甘汞電極。甘汞電極外套管中裝 0.5moldm3 H2SO4約1/2高，內(nèi)管中裝飽 和KCl溶液。五. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理:ABCDE電壓/V-0.020.280.311.221.55電流/mA3.00571.6131.5212.18129.393(10-3A)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)excel軟件作極化曲線如下所示:實(shí)驗(yàn)過程中截屏的掃描圖如下：六. 實(shí)驗(yàn)討論及結(jié)論:鎳在硫酸中的極化曲線大概可以分為四個(gè)區(qū)：活性溶解區(qū)（ AB段），電極電位從初值開始 逐漸往正變化，相應(yīng)極化電流逐漸增加，此時(shí)鎳進(jìn)行正常的陽極溶解。過渡鈍化區(qū)（BC段），隨

11、著電極電勢(shì)增加到B點(diǎn)，極化電流達(dá)到最大值ip。電極電位繼續(xù)增加，金屬開始發(fā)生鈍化現(xiàn)象， 即隨著電勢(shì)的變正，極化電流急劇下降到最小值。穩(wěn)定鈍化區(qū)（CD段），在此區(qū)域內(nèi)金屬的溶解速度維持最小值，且隨著電位的改變極化電流基本不變。此時(shí)的電流密度稱為鈍態(tài)金屬的穩(wěn)定 溶解電流密度，這段電位區(qū)稱鈍化電位區(qū)。過鈍化區(qū)（DE段），此區(qū)域陽極極化電流隨著電極 電勢(shì)的正移又急劇上升。本實(shí)驗(yàn)用線性電位掃描法測定鎳在硫酸溶液中的鈍化行為及其陽極極化曲線。實(shí)驗(yàn)前注意要將鎳片打磨，沖洗參比電極和輔助電極，注意不要接錯(cuò)電極。實(shí)驗(yàn)設(shè)好參數(shù)，設(shè)參數(shù)時(shí)掃描速率 設(shè)置時(shí)間不能太快也不能太慢。實(shí)驗(yàn)得到曲線如上所示，在0.5 mold

12、m-3 H2SO4溶液中鎳的鈍化=0.28V和 i 鈍化=71.613mA,鈍化電位區(qū)間為（0.28V, 1.22V） 0實(shí)驗(yàn)操作比較簡單，但是也要充分理解實(shí)驗(yàn)金屬鈍化原理和測量方法，注意影響金屬鈍化過 程的幾個(gè)因素。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)需注意：1、掃描速度越慢，極化越接近于靜態(tài)，圖線越完整清晰，但速度 若太慢，一次實(shí)驗(yàn)時(shí)間太長，所以速度不能太慢。2、等待時(shí)間太短或太長得到曲線的峰值都沒有動(dòng)態(tài)時(shí)的峰高，時(shí)間太短，未達(dá)到峰值就進(jìn)入下一個(gè)外加電壓階段，太長峰值已越過故應(yīng)選擇 合適的等待時(shí)間。從極化開始達(dá)到穩(wěn)態(tài)需要較長的時(shí)間，一般情況下。5min左右較為合適。七. 思考題：1.在測量前，為什么電極在進(jìn)行打

13、磨后，還需進(jìn)行陰極極化處理？答：在測量前，對(duì)電極進(jìn)行打磨只能去掉鈍化后鎳電極表面上凸起的氧化層，對(duì)凹進(jìn)的部分不起 作用，對(duì)電極進(jìn)行陰極極化處理是對(duì)鎳電極進(jìn)行電化學(xué)活化，可進(jìn)一步去掉鈍化后鎳電極表面上的氧化層，使其重新活化。2. 如果掃描速率改變，測得的E鈍和I鈍有無變化？為什么？答：如果改變掃描速率，即電極電勢(shì)變化太快，使得電極表面來不及建立穩(wěn)態(tài)就往下進(jìn)行測得的E鈍和i鈍會(huì)有變化。如果掃描速率過慢，測得的 E鈍和i鈍應(yīng)無太大變化，只是測量時(shí)間太長3. 做好本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵有哪些？答：（1）鎳片需要打磨得非常光滑和均勻，盡量除去表面的氧化膜。（2）測定過程要保持體系穩(wěn)定，不能使溶液震動(dòng)，不使電極脫落