东北师范大学物理化学实验报告

东北师范大学远程与继续教育学院（网络教育）实 验 报 告学习 中 心 ： 句容奥鹏教育 专业名称： 化学 课程名称： 物理化学 学 号： 12035104906001 姓 名： 滕忠正 2 013 年 12 月 12 日报 告 正 文课程名称：物理化学实验日期： 2013 年 11 月 18 日 编号 NO： 1 开始时间： 9 时 30 分； 结束时间：11 时 30 分；实验题目：金属的腐蚀同 组 者：陈三宝 一、实验目的和要求1) 掌握动电位扫描法测定阳极钝化曲线的方法； 2) 测量金属在 0.5mol/L H2SO4 中的阳极极化曲线，确定有关特征电位和电流密度； 3) 测量金属在 0.5mol/L H2SO4+0.5mol/LNaCl 中的阳极极化曲线并考察氯离子对金属钝化行为的影响。二、 实验原理与方法阳极极化曲线一般可分为四个区：1）活性溶解区：从腐蚀电位（ ）开始，金属溶解按活性溶解的规律进行；c2）过渡区：金属表面开始发生突变，由活态向钝态转化。此时，电流随电位的正移而急剧下降；3）钝化区：金属处于稳定的钝态，表面生成一层钝化膜，此时阳极溶解电流密度（ ，称为维钝电流密度）很小，并且基本与电位无关；pi4）过钝化区：电流密度又开始随电位的正移而增大；当介质中存在氯离子时，不锈钢等耐蚀金属材料表面的钝化膜容易被破坏，存在点蚀电位，此时，当 时，材料表面开始发生点蚀，电流迅速增大；当电流密度增大到一b定值时（如 1mA/cm2） ，改变扫描方向，开始向阴极方向扫描，可能形成一个滞后环。当< s14rp 时，钝化膜重新愈合，金属恢复完全钝化状态；而当 s14rp < < b，时已形成的点蚀继续进行，但不会产生新的点蚀。 三、 主要仪器设备、材料和试剂1）主要仪器设备CorrTest 腐蚀电化学测试系统；电解池；玻璃活栓盐桥；洗耳球、金相砂纸、镊子、丙酮棉球（处理电极表面） ；量筒；滤纸（保护电极表面不被腐蚀） 。2）三电极种类、材料和有效工作面积工作电极（电极材料为镍、钛或耐蚀合金） 、饱和甘汞电极（SCE） 、大面积铂辅助电极（有效截面积为 1cm2） ；3）测试温度及其控制方法测试在室温下进行四、 实验操作步骤1）启动CorrTest 腐蚀测试系统软件，打开恒电位仪的电源开关，开始预热；2）将玻璃活栓盐桥洗净、烘干后，把玻璃活塞插入盐桥，并使活塞孔对准盐桥的测试溶液端；将活栓插紧后，向盐桥的参比电极室注入适量的过饱和 KCl 溶液。洗净电解池，安装辅助电极、盐桥和参比电极；3）处理电极，将处理好的工作电极置于电解池中使盐桥毛细管尖端对准工作电极的中心，并且它到电极表面的距离为毛细管尖端外径的1倍。然后将三个电极连接到恒电位仪；4）打开“自腐蚀电位测量”窗口（快捷键F2 ） ，输入数据文件名和注释，设置测量时间：15分钟，采样速率：1Hz，其他参数保持默认值。然后，向电解池内注入0.5mol/LH2SO4溶液约200ml后，立即开始计时，并接通盐桥，点击窗口中的“开始”按钮，开始开路电位的测量； 5）当开路电位测量到所设置的测量时间后将自动停止。此时，打开“动电位扫描”窗口（快捷键 F4 ） ，输入数据文件名和注释，设置初始电位：0.05V（相对于开路电位） ，终止电位：1.5V（相对于开路电位） ，扫描速率：1mV/s，采样速率：1Hz，其他参数保持默认值。然后，立即点击窗口中的“确定”按钮，开始极化曲线的测量；6)测量结束后，取下电极接线夹头，取出工作电极和参比电极，清洗电解池和盐桥（测试溶液端内、外侧） ，将工作电极按上述方法进行处理，更换 0.5mol/L+H2SO40.5mol/L NaCl 溶液而上述步骤进行下一次实验。注意：此时，在设置“动电位扫描”控制参数时，应设置回扫电流密度：1mA/cm 2。在测量中，当回扫曲线与正扫曲线；7)待实验结束后，取下电极接线夹头，取出工作电极和参比电极，观察工作电极表面腐蚀形态。然后，清洗电解池和盐桥（测试溶液端内、外侧） ，将工作电极按上述方法进行处理，放入干燥器备用。5 实验结果与讨论5.1 实验结果 图 1-1 金属在 0.5mol/L H2SO4 及 0.5mol/L H2SO4+0.5mol/LNaCl 中的开路电位图 1-2 金属在 0.5mol/LH2SO4 及 0.5mol/L H2SO4+0.5mol/LNaCl 中的阳极极化曲线表1-1 工作电极在0.5mol/L H2SO4及0.5mol/L H2SO4+0.5mol/LNaCl中的开路电位和特征值开路电位cp icp ip p tp0.5mol/L H2SO4 -0.44283 -0.34824 1.69644E-3 1.02569E-5 0.43837 0.854270.5mol/L H2SO4+0.5mol/LNaCl-0.49962 -0.32858 2.09853E-3 6.04628E-5 0.12504 0.266985.2 分析与讨论5.2.1 i曲线图分析当工作电极在0.5mol/L H2SO4溶液中时，由图1-2及表1-1的特征值可知，从腐蚀电位 开始，金属的溶解规律呈现活性溶解规律，当电位达到-0.44283c时电流随电位的增大而增大，基本符合tafel方程；当电极电位正移到钝化电位cp =-0.34824时，金属表面开始发生突变，由活态向钝态变化，此时电流随电位正移而急剧下降直至电位达到稳定钝化电位即 p =0.43837，与钝化电位 cp相对应的阳极电流密度称为钝化电流密度 icp =1.69644E-3；当电位正移到稳定钝化电位 p =0.43837时，金属处于稳定的钝化状态，表面生成一层钝化膜，此时阳极溶解电流密度 ip =1.02569E-5（即维电流密度）很小且基本不随电位变化；当电位达到过钝化电位 tp =0.8527时，由于金属表面钝化膜遭到破坏，腐蚀再次加剧，电流随电位的正移而增大。当工作电极在0.5mol/L H2SO4+0.5mol/LNaCl溶液中时，图 1-1以及表1-1中特征值可知，活性溶解区基本不发生变化，而当电位正移到 cp之后电位先正移至稳定钝化电位 p =0.12504，而后迅速达到过钝化电位 tp =0.26698，达到过钝化电位后由于点蚀的存在电流密度随电位的正移而再次增大；5.2.2 氯离子对钝化过程的影响分析由以上分析可知，在溶液中不含氯离子时，由稳定钝化电位正移至过钝化电位经历的时间远大于含有氯离子时的时间，可见，当溶液中存在氯离子时金属表面的钝化膜溶液破坏从而过早进入过钝化区，这是由于钝化膜的溶解和修复（再钝化）处于动平衡状态当介质中含有活性阴离子（常见的如氯离子）时，氯离子能优先地有选择地吸附在钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，使平衡便受到破坏，金属表面钝化膜发生破坏。5.3 结论1）金属的阳极极化随着电位的正移金属表面会发生钝化，但是随着电位的继续正移金属表面的钝化膜会发生破坏从而使腐蚀从新加剧；2）氯离子能时金属表面的钝化膜发生破坏从而加剧腐蚀；六、 意见和建议可以取含不同氯离子浓度的溶液进行实验从而验证氯离子浓度对钝化膜破坏的影响；可以取不同电极及钝化剂进行实验从而验证钝化介质对钝化的影响；指导教师：杨孝林报 告 正 文课程名称：物理化学实验日期： 2013 年 11 月 22 日 编号 NO： 2 开始时间： 14 时 30 分； 结束时间：16 时 30 分；实验题目：电镀同 组 者：陈三宝一、实验目的1. 了解梯形槽的使用方法；2. 了解电镀溶液的分散能力、电流效率的测定方法；3. 了解电镀溶液中添加剂的作用和杂质对镀层的影响。二、实验原理把化学能转化为电能的过程称为电解。电镀属于电解，是一种电化学沉积过程，是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，在直流电的作用下，以欲镀金属或其它惰性导体为阳极，通过电解作用，阴极镀件表面上沉积出金属，获得牢固的金属膜的过程。（一）梯形槽实验原理梯形槽也叫赫尔槽，其形状如图 所示。槽的容积有三种，即 l L、267 mL和250 I-13mL。由于槽中阴阳极放置不平行，故阴极上各部分电流分布是不均匀的，在离阳极近的近阴极端，电流密度较高，在另一端电流密度较低。通过大量实验，对267 mL的梯形槽而言，得到一个在阴极各部分电流密度分布的经验公式（ ），即I-13（ ）(5.124log)KDIL I-13式中：D k 为阴极上某点的电流密度(A/dm 2)；I 为实验时的电流强度(A)；L 为阴极上该点距近阴极端的距离(cm)。图 梯形槽I-13（二）镀液分散能力的测定原理镀液的分散能力是指电解液所具有的使镀层厚度均匀分布的能力。测定的方法有多种，方法不同用来表达分散能力的公式也不同。因此，为了比较不同镀液分散能力的大小，必须采用同一种方法测量才有意义。本实验采用远阴极和近阴极的方法(图 )，远阴极I-132和近阴极与阳极的距离比为L 2/L1等于K，用这种方法所测得的分散能力可用下式（ ）表达：I-132（ ）120%pmTKI-132式中 为分散能力(%) ；K为远阴极和近阴极与阳极距离之比； 、 为近阴极上和远阴pT 1m2极上金属的增重。图 测定分散能力的电镀槽I-132（三）电镀效率的测定原理根据法拉弟定律，在电镀镍时，通过电镀槽的电量若为l F（96500 C ），则应得镍镀层0.5 mol（58.69/2 g）。而实际上沉积的镍不到0.5 mol，这是由于在电镀过程中，阴极上进行的反应不只是Ni 2+2e = Ni，还有2H +2e = H2副反应的存在，使得用于沉积金属的电流只是通过总电流的一部分，而其余部分消耗在副反应上，所以电流效率达不到100%。电流效率计算公式（ ）如下：I-130%10QW实理 总 I-13图 测量电流效率线路图I-13在实际测定镀液的电流效率时，与被测镀槽串联一个铜库仑计(见图 )。因为铜I-13库仑计上铜阴极的电流效率为100%，所以根据铜阴极上镀层重量可以得到理论上的金属镀层的重量或通过电极的总电量。当采用铜库仑计时，电流效率的计算公式（ ）可表4达为：10%10CuQwMW总式中W为被测金属镀层的重量；M 为被测金属的摩尔质量； WCu为库仑计阴极上铜镀层质量；MCu为铜的摩尔质量（注：被测金属和铜的摩尔质量的值均随所取的基本单元而定。 ）三、实验仪器和试剂直流稳压电源；塑料镀槽；导线；普通镍镀液；库仑镀液 四、实验步骤 （一）具体操作方法1. 配制电镀溶液（已配好）2. 梯形槽实验将铜阴极和镍阳极均用金相砂纸打磨光亮，用水冲洗干净。在267 mL梯形槽中注入一定量的普通镀镍溶液，装上阳极、阴极试片，接通电源，控制电流在1A，电镀5 min后,取出阴极片用水冲洗，观察其外观，并将试片各区域的镀层外观按下述符号记录下来。3. 镀液分散能力的测定取两片铜片，用金相砂纸打磨光亮。用水冲洗，做好近、远阴极标记，吹干后分别准确称重。将镍阳极和两片铜阴极放在长方槽中，并使L 2/L1 = 2。将普通镀镍溶液注入长方槽中，接通电源，电流密度控制在1A/dm 2。电镀30 min后，取出阴极用水冲洗、吹干，用分析天平分别称出远、近阴极重量。4. 电流效率的测定 将被测镀液和铜库仑计的阴、阳极（被测镀液为铜阴极、镍阳极，铜库仑计阴、阳极均为纯铜）用金相砂纸打磨，冲洗干净。两阴极吹干后分别准确称重。接好线路，镀槽中注入镀液，接通电源，电流