实验 碳钢极化曲线的测定 【目的要求】
1. 掌握稳态恒电位法测定金属极化曲线的基本原理和测试方法。 2. 了解极化曲线的意义和应用。 3. 掌握恒电位仪的使用方法。 【实验原理】
1. 极化现象与极化曲线
为了探索电极过程机理及影响电极过程的各种因素，必须对电极过程进行研究，其中极化曲线的测定是重要方法之一。我们知道在研究可逆电池的电动势和电池反应时，电极上几乎没有电流通过，每个电极反应都是在接近于平衡状态下进行的，因此电极反应是可逆的。但当有电流明显地通过电池
时，电极的平衡状态被破坏，电极电势偏离平衡值，图2-19-1 极化曲线 电极反应处于不可逆状态，而且随着电极上电流密度的增加，电极反应的不可逆程度也随之增大。由于电流通过电极而导致电极电势偏离平衡值的现象称为电极的极化，描述电流密度与电极电势之间关系的曲线称作极化曲线，如图2-19-1所示。
金属的阳极过程是指金属作为阳极时在一定的外电势下发生的阳极溶解过程，如下式所示：
M→M＋ne
此过程只有在电极电势正于其热力学电势时才能发生。阳极的溶解速度随电位变正而逐渐增大，这是正常的阳极溶出，但当阳极电势正到某一数值时，其溶解速度达到最大值，此后阳极溶解速度随电势变正反而大幅度降低，这种现象称为金属的钝化现象。图2-19-1中曲线表明，从A点开始，随着电位向正方向移动，电流密度也随之增加，电势超过B点后，电流密度随电势增加迅速减至最小，这是因为在金属表面生产了一层电阻高，耐腐蚀
n+
A-B：活性溶解区；B：临界钝化点B-C：
过渡钝化区；C-D：稳定钝化区D-E：超(过)钝化区
的钝化膜。B点对应的电势称为临界钝化电势，对应的电流称为临界钝化电流。电势到达C点以后，随着电势的继续增加，电流却保持在一个基本不变的很小的数值上，该电流称为维钝电流，直到电势升到D点，电流才有随着电势的上升而增大，表示阳极又发生了氧化过程，可能是高价金属离子产生也可能是水分子放电析出氧气，DE段称为过钝化区。
2. 极化曲线的测定 (1) 恒电位法
恒电位法就是将研究电极依次恒定在不同的数值上，然后测量对应于各电位下的电流。极化曲线的测量应尽可能接近体系稳态。稳态体系指被研究体系的极化电流、电极电势、电极表面状态等基本上不随时间而改变。在实际测量中，常用的控制电位测量方法有以下两种：
静态法：将电极电势恒定在某一数值，测定相应的稳定电流值，如此逐点地测量一系列各个电极电势下的稳定电流值，以获得完整的极化曲线。对某些体系，达到稳态可能需要很长时间，为节省时间，提高测量重现性，往往人们自行规定每次电势恒定的时间。
动态法：控制电极电势以较慢的速度连续地改变(扫描)，并测量对应电位下的瞬时电流值，以瞬时电流与对应的电极电势作图，获得整个的极化曲线。一般来说，电极表面建立稳态的速度愈慢，则电位扫描速度也应愈慢。因此对不同的电极体系，扫描速度也不相同。为测得稳态极化曲线，人们通常依次减小扫描速度测定若干条极化曲线，当测至极化曲线不再明显变化时，可确定此扫描速度下测得的极化曲线即为稳态极化曲线。同样，为节省时间，对于那些只是为了比较不同因素对电极过程影响的极化曲线，则选取适当的扫描速度绘制准稳态极化曲线就可以了。
上述两种方法都已经获得了广泛应用，尤其是动态法，由于可以自动测绘，扫描速度可控制一定，因而测量结果重现性好，特别适用于对比实验。
(2) 恒电流法
恒电流法就是控制研究电极上的电流密度依次恒定在不同的数值下，同时测定相应的稳定电极电势值。采用恒电流法测定极化曲线时，由于种种原因，给定电流后，电极电势往往不能立即达到稳态，不同的体系，电势趋于稳态所需要的时间也不相同，因此在实际测量时一般电势接近稳定(如1min～3min内无大的变化)即可读值，或人为自行规定每次电流恒定的时间。
【仪器试剂】
恒电位仪一台；饱和甘汞电极1支；碳钢电极1支；铂电极1支；三室电解槽1只(见图2-19-2)
2 mol〃dm(NH4)2CO3溶液；0.5 mol〃dmH2SO4溶液；丙酮溶液
【实验步骤】
1. 碳钢预处理：用金相砂纸将碳钢研究电极打磨至镜面光亮，用石蜡蜡封，留出1cm面积，如蜡封多可用小刀去除多余的石蜡，保持切面整齐。然后在丙酮中除油，在0.5M的硫酸溶液中去除氧化层，浸泡时间分别不低于10S。
2. 恒电位法测定极化曲线的步骤：
A 准备工作 仪器开启前，“工作电源”臵于“关”，“电位量程”臵于“20V”，“补偿衰减”臵于“0”，“补偿增益”臵于“2”，“电流量程”臵于“200mA”，“工作选择”臵于“恒电位”，“电位测量选择”臵于“参比”。
B 通电 插上电源，“工作电源”臵于“自然”档，指示灯亮，电流显示为0，电位表显示的电位为“研究电极”相对于“参比电极”的稳定电位，称为自腐电位，其绝对值大于0.8V可以开始下面的操作，否则需要重新处理电极。
C “电位测量选择”臵于“给定”，仪器预热5-15min。电位表指示的给定电位为预设定的“研究电极”相对于“参比电极”的电位。
D 调节“恒电位粗调”和“恒电位细调”使电位表指示的给定电位为自腐电位，“工作电源”臵于“极化”。
F 阴极极化 调节“恒电位粗调”和“恒电位细调”每次减少10mV，直到减少200mV，每减少一次，测定1min后的电流值。测完后，将给定电位调回自腐电位值。
G 阳极极化 将“工作电源”臵于“自然”，“电位测量选择”臵于“参比”，等待电位逐渐恢复到自腐电位〒5mV，否则需要重新处理电极。重复C、D、F步骤，F步骤中给定电位每次增加10mV，直到做出完整的极化曲线。提示，到达极化曲线的平台区，给定电位可每次增加100mV。
H 实验完成，“电位测量选择”臵于“参比”，“工作电源”臵于“关”。
【注意事项】
2
-3
-3
图2-19-2三室电解槽
1.研究电极; 2.参比电极; 3.辅助电极
按照实验要求，严格进行电极处理。
将研究电极臵于电解槽时，要注意与鲁金毛细管之间的距离每次应保持一致。研究电极与鲁金毛细管应尽量靠近，但管口离电极表面的距离不能小于毛细管本身的直径。
每次做完测试后，应在确认恒电位仪或电化学综合测试系统在非工作的状态下，关闭电源，取出电极。
数据处理
一、数据记录
大气压 0.50625 cm2
电压 电流 电流密度 -0.86 -0.205 -0.40494 -0.84 0.079 0.156049 -0.82 0.0383 0.075654 -0.8 0.1198 0.236642 -0.78 0.1748 0.345284 -0.76 0.246 0.485926 -0.74 0.3327 0.657185 -0.72 0.4455 0.88
-0.7 0.5725 1.130864 -0.68 0.7052 1.392988 -0.66 0.8553 1.689481 -0.64 1.0003 1.975901 -0.62 1.1455 2.262716 -0.6 1.302 2.571852 -0.58 1.455 2.874074 -0.56 1.59 3.140741 -0.54 1.637 3.23358 -0.52 0.026 0.051358 -0.5 0.0234 0.046222 -0.48 0.0257 0.050765 -0.46 0.0419 0.082765 -0.44 0.07 0.138272 -0.42 0.0802 0.15842 -0.4 0.0744 0.146963 -0.3 0.0433 0.085531 -0.2 0.0201
0.039704
-0.1 0.00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2
电极面积 0.034963 0.032198 0.026272 0.01837 0.019556 0.017975 0.016395 0.015802 0.014815 0.015802 0.059259 0.141432 0.30558 0.590617 0.961975 1.424 1.896296 2.411852 2.949136 3.48642 4.043457 4.628148 5.260247 5.797531 6.435556 7.024198
室温0.0177 0.0163 0.0133 0.0093 0.0099 0.0091 0.0083 0.008 0.0075 0.008 0.03 0.0716 0.1547 0.299 0.487 0.7209 0.96 1.221 1.493 1.765 2.047 2.343 2.663 2.935 3.258 3.556
二、以极化电流密度对给定电压作图，绘制碳钢极化曲线。
三、碳钢电极的致钝电位、致顿电流密度、维顿电流由上图可得： 致钝电位= —0.54V
2
致顿电流密度 =3.23 mA/cm 维顿电流=0.026 mA
思 考 题
1. 比较恒电流法和恒电位法测定极化曲线有何异同，并说明原因。 恒电流法是恒定电流测定相应的电极电势，恒电位法是很定电位测定相应的电流，对于阴极极化来说，两种方法测得的曲线相同，对于阳极极化来说，由于电流和电位不是一一对应的关系，得到不同的曲线。
2. 测定阳极钝化曲线为何要用恒电位法？
用恒电位法能得到完整的极化曲线，用恒电流法只能得到ABEF曲线，即得到活化区以及过钝化区的一部分，得不到完整的几乎曲线。
3. 做好本实验的关键有哪些？
电极的处理；研究电极与鲁金毛细管的距离；甘汞电极的误差；电位的每次改变值；溶液中杂质离子的存在等等
【讨论】
1. 电化学稳态的含义
指定的时间内，被研究的电化学系统的参量，包括电极电势，极化电流，电极表面状态，电极周围反应物和产物的浓度分布等，随时间变化甚微，该状态通常被称为电化学稳态。电化学稳态不是电化学平衡态。实际上，真正的稳态并不存在，稳态只具有相对的含义。到达稳态之前的状态被称为暂态。在稳态极化曲线的测试中，由于要达到稳态需要很长的时间，而且不同的测试者对稳态的认定标准也不相同，因此人们通常人为界定电极电势的恒定时间或扫描速度，此法尤其适用于考察不同因素对极化曲线的影响时。
2. 三电极体系
极化曲线描述的是电极电势与电流密度之间的关系。被研究电极过程的电极被称为研究电极或工作电极。与工作电极构成电流回路，以形成对研究电极极化的电极称为辅助电极，也叫对电极。其面积通常要较研究电极为大，以降低该电极上的极化。参比电极是测量研究电极电势的比较标准，与研究电极组成测量电池。参比电极应是一个电极电势已知且稳定的可逆电极，该电极的稳定性和重现性要好。为减少电极电势测试过程中的溶液电位降，通常两者之间以鲁金毛细管相连。鲁金毛细管应尽量但也不能无限制靠近研究电极表面，以防对研究电极表面的电力线分布造成屏蔽效应。
实验 碳钢极化曲线的测定 【目的要求】
1. 掌握稳态恒电位法测定金属极化曲线的基本原理和测试方法。 2. 了解极化曲线的意义和应用。 3. 掌握恒电位仪的使用方法。 【实验原理】
1. 极化现象与极化曲线
为了探索电极过程机理及影响电极过程的各种因素，必须对电极过程进行研究，其中极化曲线的测定是重要方法之一。我们知道在研究可逆电池的电动势和电池反应时，电极上几乎没有电流通过，每个电极反应都是在接近于平衡状态下进行的，因此电极反应是可逆的。但当有电流明显地通过电池
时，电极的平衡状态被破坏，电极电势偏离平衡值，图2-19-1 极化曲线 电极反应处于不可逆状态，而且随着电极上电流密度的增加，电极反应的不可逆程度也随之增大。由于电流通过电极而导致电极电势偏离平衡值的现象称为电极的极化，描述电流密度与电极电势之间关系的曲线称作极化曲线，如图2-19-1所示。
金属的阳极过程是指金属作为阳极时在一定的外电势下发生的阳极溶解过程，如下式所示：
M→M＋ne
此过程只有在电极电势正于其热力学电势时才能发生。阳极的溶解速度随电位变正而逐渐增大，这是正常的阳极溶出，但当阳极电势正到某一数值时，其溶解速度达到最大值，此后阳极溶解速度随电势变正反而大幅度降低，这种现象称为金属的钝化现象。图2-19-1中曲线表明，从A点开始，随着电位向正方向移动，电流密度也随之增加，电势超过B点后，电流密度随电势增加迅速减至最小，这是因为在金属表面生产了一层电阻高，耐腐蚀
n+
A-B：活性溶解区；B：临界钝化点B-C：
过渡钝化区；C-D：稳定钝化区D-E：超(过)钝化区
的钝化膜。B点对应的电势称为临界钝化电势，对应的电流称为临界钝化电流。电势到达C点以后，随着电势的继续增加，电流却保持在一个基本不变的很小的数值上，该电流称为维钝电流，直到电势升到D点，电流才有随着电势的上升而增大，表示阳极又发生了氧化过程，可能是高价金属离子产生也可能是水分子放电析出氧气，DE段称为过钝化区。
2. 极化曲线的测定 (1) 恒电位法
恒电位法就是将研究电极依次恒定在不同的数值上，然后测量对应于各电位下的电流。极化曲线的测量应尽可能接近体系稳态。稳态体系指被研究体系的极化电流、电极电势、电极表面状态等基本上不随时间而改变。在实际测量中，常用的控制电位测量方法有以下两种：
静态法：将电极电势恒定在某一数值，测定相应的稳定电流值，如此逐点地测量一系列各个电极电势下的稳定电流值，以获得完整的极化曲线。对某些体系，达到稳态可能需要很长时间，为节省时间，提高测量重现性，往往人们自行规定每次电势恒定的时间。
动态法：控制电极电势以较慢的速度连续地改变(扫描)，并测量对应电位下的瞬时电流值，以瞬时电流与对应的电极电势作图，获得整个的极化曲线。一般来说，电极表面建立稳态的速度愈慢，则电位扫描速度也应愈慢。因此对不同的电极体系，扫描速度也不相同。为测得稳态极化曲线，人们通常依次减小扫描速度测定若干条极化曲线，当测至极化曲线不再明显变化时，可确定此扫描速度下测得的极化曲线即为稳态极化曲线。同样，为节省时间，对于那些只是为了比较不同因素对电极过程影响的极化曲线，则选取适当的扫描速度绘制准稳态极化曲线就可以了。
上述两种方法都已经获得了广泛应用，尤其是动态法，由于可以自动测绘，扫描速度可控制一定，因而测量结果重现性好，特别适用于对比实验。
(2) 恒电流法
恒电流法就是控制研究电极上的电流密度依次恒定在不同的数值下，同时测定相应的稳定电极电势值。采用恒电流法测定极化曲线时，由于种种原因，给定电流后，电极电势往往不能立即达到稳态，不同的体系，电势趋于稳态所需要的时间也不相同，因此在实际测量时一般电势接近稳定(如1min～3min内无大的变化)即可读值，或人为自行规定每次电流恒定的时间。
【仪器试剂】
恒电位仪一台；饱和甘汞电极1支；碳钢电极1支；铂电极1支；三室电解槽1只(见图2-19-2)
2 mol〃dm(NH4)2CO3溶液；0.5 mol〃dmH2SO4溶液；丙酮溶液
【实验步骤】
1. 碳钢预处理：用金相砂纸将碳钢研究电极打磨至镜面光亮，用石蜡蜡封，留出1cm面积，如蜡封多可用小刀去除多余的石蜡，保持切面整齐。然后在丙酮中除油，在0.5M的硫酸溶液中去除氧化层，浸泡时间分别不低于10S。
2. 恒电位法测定极化曲线的步骤：
A 准备工作 仪器开启前，“工作电源”臵于“关”，“电位量程”臵于“20V”，“补偿衰减”臵于“0”，“补偿增益”臵于“2”，“电流量程”臵于“200mA”，“工作选择”臵于“恒电位”，“电位测量选择”臵于“参比”。
B 通电 插上电源，“工作电源”臵于“自然”档，指示灯亮，电流显示为0，电位表显示的电位为“研究电极”相对于“参比电极”的稳定电位，称为自腐电位，其绝对值大于0.8V可以开始下面的操作，否则需要重新处理电极。
C “电位测量选择”臵于“给定”，仪器预热5-15min。电位表指示的给定电位为预设定的“研究电极”相对于“参比电极”的电位。
D 调节“恒电位粗调”和“恒电位细调”使电位表指示的给定电位为自腐电位，“工作电源”臵于“极化”。
F 阴极极化 调节“恒电位粗调”和“恒电位细调”每次减少10mV，直到减少200mV，每减少一次，测定1min后的电流值。测完后，将给定电位调回自腐电位值。
G 阳极极化 将“工作电源”臵于“自然”，“电位测量选择”臵于“参比”，等待电位逐渐恢复到自腐电位〒5mV，否则需要重新处理电极。重复C、D、F步骤，F步骤中给定电位每次增加10mV，直到做出完整的极化曲线。提示，到达极化曲线的平台区，给定电位可每次增加100mV。
H 实验完成，“电位测量选择”臵于“参比”，“工作电源”臵于“关”。
【注意事项】
2
-3
-3
图2-19-2三室电解槽
1.研究电极; 2.参比电极; 3.辅助电极
按照实验要求，严格进行电极处理。
将研究电极臵于电解槽时，要注意与鲁金毛细管之间的距离每次应保持一致。研究电极与鲁金毛细管应尽量靠近，但管口离电极表面的距离不能小于毛细管本身的直径。
每次做完测试后，应在确认恒电位仪或电化学综合测试系统在非工作的状态下，关闭电源，取出电极。
数据处理
一、数据记录
大气压 0.50625 cm2
电压 电流 电流密度 -0.86 -0.205 -0.40494 -0.84 0.079 0.156049 -0.82 0.0383 0.075654 -0.8 0.1198 0.236642 -0.78 0.1748 0.345284 -0.76 0.246 0.485926 -0.74 0.3327 0.657185 -0.72 0.4455 0.88
-0.7 0.5725 1.130864 -0.68 0.7052 1.392988 -0.66 0.8553 1.689481 -0.64 1.0003 1.975901 -0.62 1.1455 2.262716 -0.6 1.302 2.571852 -0.58 1.455 2.874074 -0.56 1.59 3.140741 -0.54 1.637 3.23358 -0.52 0.026 0.051358 -0.5 0.0234 0.046222 -0.48 0.0257 0.050765 -0.46 0.0419 0.082765 -0.44 0.07 0.138272 -0.42 0.0802 0.15842 -0.4 0.0744 0.146963 -0.3 0.0433 0.085531 -0.2 0.0201
0.039704
-0.1 0.00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2
电极面积 0.034963 0.032198 0.026272 0.01837 0.019556 0.017975 0.016395 0.015802 0.014815 0.015802 0.059259 0.141432 0.30558 0.590617 0.961975 1.424 1.896296 2.411852 2.949136 3.48642 4.043457 4.628148 5.260247 5.797531 6.435556 7.024198
室温0.0177 0.0163 0.0133 0.0093 0.0099 0.0091 0.0083 0.008 0.0075 0.008 0.03 0.0716 0.1547 0.299 0.487 0.7209 0.96 1.221 1.493 1.765 2.047 2.343 2.663 2.935 3.258 3.556
二、以极化电流密度对给定电压作图，绘制碳钢极化曲线。
三、碳钢电极的致钝电位、致顿电流密度、维顿电流由上图可得： 致钝电位= —0.54V
2
致顿电流密度 =3.23 mA/cm 维顿电流=0.026 mA
思 考 题
1. 比较恒电流法和恒电位法测定极化曲线有何异同，并说明原因。 恒电流法是恒定电流测定相应的电极电势，恒电位法是很定电位测定相应的电流，对于阴极极化来说，两种方法测得的曲线相同，对于阳极极化来说，由于电流和电位不是一一对应的关系，得到不同的曲线。
2. 测定阳极钝化曲线为何要用恒电位法？
用恒电位法能得到完整的极化曲线，用恒电流法只能得到ABEF曲线，即得到活化区以及过钝化区的一部分，得不到完整的几乎曲线。
3. 做好本实验的关键有哪些？
电极的处理；研究电极与鲁金毛细管的距离；甘汞电极的误差；电位的每次改变值；溶液中杂质离子的存在等等
【讨论】
1. 电化学稳态的含义
指定的时间内，被研究的电化学系统的参量，包括电极电势，极化电流，电极表面状态，电极周围反应物和产物的浓度分布等，随时间变化甚微，该状态通常被称为电化学稳态。电化学稳态不是电化学平衡态。实际上，真正的稳态并不存在，稳态只具有相对的含义。到达稳态之前的状态被称为暂态。在稳态极化曲线的测试中，由于要达到稳态需要很长的时间，而且不同的测试者对稳态的认定标准也不相同，因此人们通常人为界定电极电势的恒定时间或扫描速度，此法尤其适用于考察不同因素对极化曲线的影响时。
2. 三电极体系
极化曲线描述的是电极电势与电流密度之间的关系。被研究电极过程的电极被称为研究电极或工作电极。与工作电极构成电流回路，以形成对研究电极极化的电极称为辅助电极，也叫对电极。其面积通常要较研究电极为大，以降低该电极上的极化。参比电极是测量研究电极电势的比较标准，与研究电极组成测量电池。参比电极应是一个电极电势已知且稳定的可逆电极，该电极的稳定性和重现性要好。为减少电极电势测试过程中的溶液电位降，通常两者之间以鲁金毛细管相连。鲁金毛细管应尽量但也不能无限制靠近研究电极表面，以防对研究电极表面的电力线分布造成屏蔽效应。