电解基础知识：极化与去极化

1、第四节极化与去极化以上己节讨论了金属电化学腐蚀的热力学倾向，并未涉及腐蚀速度和影响腐蚀速度 的因素等人们最为关心的问题。电化学过程中的极化和去极化是影响腐蚀速度的最重要 因素，认清极化和去极化规律对研究金属的腐蚀与保护有重要的意义。一、极化作用我们已经知道，电化学腐蚀是由于腐蚀电池的作用而引起的，腐蚀电池产生的腐蚀电 流的大小可以用来表示电化学腐蚀的速度。根据欧姆定律，腐蚀电流/ =匕一匕（2-7）R式中I腐蚀电流强度（A）；匕阴极电极电位（V）；v”阳极电极电位（V）；R 腐蚀体系总电阻（包括小+R外）（Q）o按理将此带入式（2-5）或（2-6）就可算出理论腐蚀速度，然而通过试验测定的 腐蚀

2、速度与计算值相差甚远，计算值可以到达实测值的几十倍甚至上百倍。进一步的研究 发现，造成这一差异的结果是腐蚀电池的阴、阳极电位的电流通过时发生了明显的变化， 阴极电位变负而阳极电位变正，使得阴、阳极间的电位差（匕-匕）急剧缩小。如果把无 电流通过时的电极电位叫做电极的起始电位，以平衡电位的符号匕表示，那么腐蚀电池的 起始电位差远大于其变化以后的电位差（以-%,%-%）,如图210所示，正因如此, 计算所得腐蚀速度远大于实测的腐蚀速度。极化就是指由于电极上通过电流而使电极电位发生变化的现象。阳极通过电流电位向 正的方向变化叫阳极极化。阴极通过电流电位向负的方向变化叫阴极变化。无论阳极极化 或阴极极

3、化都能使腐蚀原电池的极间电位差减小，导致腐蚀电流减小，阻碍腐蚀过程顺利 进行。极化又称极化作用、极化现象。二、极化曲线试验证明，极化与电流密度关系密切，电流密度越大，电位变化幅度也越大。所谓极 化曲线就是表示同一电极上电极电位与电流密度之间变化关系的曲线。利用图211的装 置，就可以测定腐蚀电池的阴、阳极极化曲线。当H foo时，相当于短路状态，通过电极的电流为零，电极的电位相当于起始电位; 随着R的减小，电流逐渐增大，逐点测量电流强度(再折算成电流密度)及其对应的阴、 阳极电位，经整理在图上就可以分别得到阴、阳极极化曲线。为表示方便，有时也用V-/或V-lgJ曲线表示极化曲线。.起始电位、过

4、电位、极化率图212就是所得的阴、阳极极化曲线示意图，从图可以看到：电极的起始电位值 电极的起始电位就是当电流密度等于零时的电极电位，对于可逆电极，起始电位就是平衡电位，而不可逆电极的起始电位 就是稳定电位。为了表示，图中起始电位均以匕示之。过电位 极化曲线指明任何电流密度下所对应的电位值，从而可以得到 任何电流密度所引起的电位变化值即过电位，过电位又叫极化值或超电 压，以7Z或AV表示。人们规定极化值均取正值，所以阴极极化值 %=%，阳极极化值% =匕-匕。极化值的大小说明极化作用程度 的大小。极化值越大意味着对腐蚀的抑制效应越大。极化率 极化曲线还能发应出任一电流密度下电位变化的趋势，从而

5、说 明电极极化的特性。电位变化的趋势可以用极化率来表示，意即极化曲 线的斜率(=四=也，极化率也叫极化度，而且有电阻的量纲，故又 di di称作极化电阻。极化电阻(越大，说明对电极过程阻力越大，电极过程 难以顺利进行。.两点说明对于图211所示的装置，可以使腐蚀电池阴、阳极面积相等5。=邑， 电流密度与电流强度的有对应的关系，故图212横坐标为1,仍能反 映电流密度与电位的变化关系。在图212中，即使外加电阻为0,两条极化曲线也不会相交，这时电 流为广，因为内电阻R内。0,图中S点是根据腐蚀理论将两条极化曲线 延长后得到的，其对应的电流为/3。三、产生极化的原因（一）极化的分类 我们知道，任何

6、电极过程都是复杂的多相反响，均由一系列串联的反响步骤所组成。由于 每个步骤所受阻力并不相同，反映出各自速度有快有慢。这些串联步骤中，所受阻力最大、 进行速度最慢的步骤控制着整个过程进行的速度。这个步骤就叫作控制步骤。电极的极化 主要取决于该电极过程的控制步骤，极化的特征反映了控制步骤的特征。由于控制步骤不 同就出现了不同类型的极化，通常可将极化分为电化学极化、浓差极化和电阻极化三类。.电化学极化又称活化极化，指由于电化学反响速度小于电子运动速度而造成的极化。.浓差极化指由于溶液中有关物质扩散速度小于电化学反响速度而造成的极化。.电阻极化又称欧姆极化，由于在电极外表生成了具有保护作用的氧化膜、钝

7、化膜或其它不溶性 腐蚀产物，这些高电阻产物增大了体系电阻，使电极反响受阻而造成的极化。（二）产生阳极极化的原因阳极过程是金属失去电子而溶解成水化离子的过程。多种原因都会导致其电位变正而 引起阳极极化。.电化学极化一般情况下，阳极金属离子进入溶液的速度小于从阳极流出的速度，使得阳极外表负 电荷减少而正电荷积累，电位向正的方向变化，这种由于电化学过程进行缓慢而引起电位 变正的极化成为阳极的电化学极化。.浓差极化金属离子化后，首先溶入阳极外表附近的液层中，然后通过扩散进入溶液本体，通常 离子向溶液中扩散的速度小于电化学反响生成离子的速度，在阳极外表液层中金属离子浓 积，由能斯特公式可知金属的电极电位

8、会因此而变正，引起阳极浓差变化。.电阻极化在金属腐蚀溶解中，阳极外表生成保护膜等，阳极过程受到阻碍，金属溶解速度降低, 阳极外表积累过正电荷，电极电位向正的方向变化，造成阳极电阻极化。电阻极化主要出现在阳极上，所以阳极极化中，活性极化、浓差极化、电阻极化对金 属腐蚀速度都可能造成重大的影响。（三）产生阴极极化的原因阴极过程是溶液中能够吸收电子的物质（氧化极）得到电子发生还原反响的过程，其电位变负、产生极化的原因也不是单一的。.电化学极化通常氧化剂在阴极于电子组合的还原反响速度小于电子由阳极流来的速度，造成电子 在阴极积累，于是电位变负，导致电化学极化。例如最常见的氧化剂是H+和。2,由生 成”

9、的阴极极化过程进行缓慢造成的过电位外就是由电化学极化引起的。.浓差极化与阳极类似，阴极附近反响物或反响生成物扩散缓慢也会引起浓差极化，如在某些条 件下，溶液中的溶解氧通过扩散抵达阴极的速度小于阴极还原反响的速度，导致阴极电子 积累，电位变负。同样，阴极反响产物O/T离开阴极速度太慢，也会使阴极电位变负造 成阴极的浓差极化。.电阻极化电阻极化在阴极不太明显，当然也不能排除在某些特定条件下，在阴极外表产生高电 阻产物（如氢氧化物）阻碍阴极过程，造成阴极的电阻极化。四、去极化作用减小或消除极化的作用称为去极化作用，简称去极化。极化是多方面的因素造成的， 当这些因素向相反方向变化，极化效应得以减小或消

10、除，于是产生去极化作用。总的说， 造成去极化的原因可能是诸如温度、浓度、搅拌、溶液pH值等因素，也可能是一些物质, 人们把能引起去极化作用的物质称为去极化剂。升高温度产生明显的去极化效应，这是因为一方面会增大电化学反响速度，减小活化 极化，另一方面促进有关物质的扩散，加速传质过程，消弱浓差极化效应。搅拌或充气能 有效减小电极外表与溶液本体的浓度差，可以减小甚至消除浓差极化。溶液的pH值直接 影响电极外表难溶产物的形成或溶解，从而对欧姆极化产生影响。去极化剂的种类很多，沉淀剂或络合剂使阳极反响产物沉淀或络合,造成阳极去极化。 而阴极去极化剂可以是诸如阳离子、阴离子、中性分子等各种氧化剂。极化和去

11、极化是互为依存又互为矛盾，在科研和生产种，人们通过各种途径实现一定 的极化程度和极化特征，以到达既定的目的。如电镀生产中极化程度和极化特征对镀层质 量有重大影响，而在腐蚀科学中，极化与去极化直接决定了腐蚀速度的大小，可以说：一 切影响极化和去极化的因素都是影响腐蚀速度的因素。五、用外加电源法测定极化曲线应当明确，极化现象并不是原电池自身电流引起的特有现象，不管原电池还是电解池，当 电流通过电极时，都会导致电位变化，引起极化。采用图211的装置用腐蚀电池自身电流测定极化曲线，在腐蚀研究中经常受到限制。这 是因为：第一，这种方法只能用于宏观腐蚀电池。事实上由于金属材料本身的电化学不均匀 性，很难保

12、证金属电极上只出现唯一的电极反响，也无法区分材料上的微阴极和微阳极，也 就谈不上测定电位和电流；第二，这种方法测定的极化曲线不能相交于一点（即图212中 的S点），而S点的坐标是极为重要的测定参数。所以在腐蚀研究中，更为普遍，更有价值的 是用外加电源的方法测定极化曲线。用外加电源法测定腐蚀金属电极的极化曲线叫作实验极化曲线。而把构成腐蚀过程的两个 电极反响（阳极氧化反响和阴极还原反响）的电位电极和电流密度的关系曲线称为真实极化 曲线。工程上真实极化曲线并不是用图211装置测得，而是先测定实验极化曲线，然后再 辅之必要的实验，求出真实的极化曲线，只有这样才能求得极化曲线的交点。（一）实验极化曲线

13、的测定方法测定实验极化曲线常用两种方法，腐蚀金属电极作为待测电极而另设一辅助电极以构 成回路，外电路串接外加电源。恒电流法以流为自变量，测定电流和电位的关系。欲测阳极极化曲线，待测电极接电源正极; 欲测阴极极化曲线，待测电极接电源负极。通过调节可变电阻控制电流的大小，一般是 电阻由大到小逐渐增加，分别纪录每个稳定的电流值及与之相对应的电位值，把整理的 结果移到图上即可。恒电流法设备简单，易于掌握，主要用于一些不受扩散过程控制的电极过程，和整 个测试过程中的电极外表状态不发生很大变化的电化学反响。恒电位法以电位为自变量测定电流与电位的关系，测试装置中外加电源为恒电位仪，以保证 待测电极的电位可控

14、。从实质上看，恒电位和恒电流是同一概念，但当电位和电流呈多值关系时，如测定具有钝化行为的阳极极化关系就只能用恒电流法。（二）实验极化曲线与真实极化曲线的关系如果认真比拟实验极化电极曲线和真实极化曲线，就不能发现二者的显著区别和内 在联系。图 213两种极化曲线关系的示意图。图中：VecS （延长至Q，）是真实阴 极极化曲线；VeaS （延长至P，）是真实阳极极化曲线。VcorrP是实验阳极极化曲线;VcorrQ 是实验阴极极化曲线。两种极化曲线的形式，走向及含义均不相同，其区别列于表26。当然两种极化曲也有密切的内在联系。当外加电源使腐蚀金属电极电位升高（阳 极极化）至V1,测得外加阳极电流为V1M,这时该电极上发生还原反响的阴极电流为 V1M发生氧化反响（金属腐蚀溶解）的阳极电流为V1M”。显然应该有V1M=V1M”-V. iM 所以 ViM=MM。实验极化曲线腐蚀金属电极微观腐蚀电池稳定电位J-同样，当外加电源使腐蚀金属电极电位降低（阴极极化）至V2,测得外加阴极V2N, 这时被测电极上发生的阳极反响电流为V2N阴极反响电流为V2N”,仍有V2N=V2N,-V- 2N V2N=NN。利用实验极化曲线测得的外加电流恰恰等于对应电位下阴极（还原反 应）电流和