差異充氣腐蝕

差異充氣腐蝕是指由於氧氣分布不均勻而引起的金屬腐蝕。由於金屬表面介質中氧氣濃度的不同，從而導致了差異充氣腐蝕的產生。例如，著名的艾萬思(U.R.Evans)鹽水滴試驗。因為液滴邊緣氧氣濃度較大，所以邊緣處金屬兩為陰極，氧氣被還原;而液滴中心部位氧氣濃度較小，所以中心部位金屬為陽極，對鐵等較活潑金屬而言，鐵被氧化，也就是經常見到該部位的鐵被腐蝕。

基本介紹

• 中文名：差異充氣腐蝕
• 外文名：Differential aeration corrosion
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 原因：氧氣分布不均勻
• 試驗：鹽水滴試驗

基本信息

土壤的固體顆粒含有砂子、 灰、泥渣和植物腐爛後形成的腐植土。在土壤的顆粒間又有許多彎曲的微孔（或稱毛細管），土壤中的水分和空氣可通過這些微孔而深入到土壤內部，土壤中的水分除了部分與土壤的組分結合在一起，部分粘附在土壤的顆粒表面，還有一部分可在土壤的微孔中流動。於是，土壤的鹽類就溶解在這些水中，成為電解質溶液，因此，土壤濕度越大含鹽量越多，土壤的導電性就越強。此外，土壤中的氧氣部分溶解在水中，部分停留在土壤的縫隙內，土壤中的含氧量也與土壤的濕度、結構有密切關係，在乾燥的砂土中，氧氣容易通過,含氧量較高;在潮濕的砂土中, 氧氣難以通過，含氧量較低.；在潮濕而又緻密的粘土中，氧氣的通過就更加困難，故含氧量最低。埋在地下的各種金屬管道，如果通過結構和乾濕程度不同的土壤將會引起差異充氣腐蝕。 因砂土中氧的濃度大於粘土中氧的濃度，則在砂土中更容易進行還原反應，即在砂土中鐵的電極電勢高於在粘土中鐵的電極電勢，於是粘土中鐵管便成了差異充氣電池的陽極而遭到腐蝕。同理，埋在地下的金屬構件，由於埋設的深度不同，也會造成差異充氣腐蝕，其腐蝕往往發生在埋得深層的部位，因深層部位氧氣難以到達，便成為差異充氣電池的陽極,那些水平放置而直徑較大的金屬管，受腐蝕之處亦往往是管子的下部，這也是由差異充氣所引起的腐蝕。

由於金屬表面介質中氧氣濃度的不同，從而導致了差異充氣腐蝕的產生。例如，著名的艾萬思(U.R.Evans)鹽水滴試驗。因為液滴邊緣氧氣濃度較大，所以邊緣處金屬兩為陰極，氧氣被還原;而液滴中心部位氧氣濃度較小，所以中心部位金屬為陽極，對鐵等較活潑金屬而言，鐵被氧化，也就是經常見到該部位的鐵被腐蝕。這是一類比較常見的腐蝕。由於腐蝕問題在實際生產和生活中的地位越來越重要，因此，工程技術人員有必要對腐蝕的原因和機理有比較深人的了解。

不少資料(如大多數化學教材)至今仍沿用傳統說法，把差異充氣腐蝕電池等同為氧濃差腐蝕電池(differential aeration cell)，這種認識是不太恰當的。為了搞清腐蝕能否發生，運用能斯特(W. Nernst )方程式求得腐蝕條件下陽極和陰極的平衡電位，以確定腐蝕的熱力學可能性是需要的。定性地看，利用熱力學原理判斷腐蝕是否能夠發生以及可能進行的程度是令人滿意的。但對於腐蝕是否能夠發生，動力學過程卻是主要的因素。用巨觀的、研究平衡現象的熱力學來分析和闡述，是無法弄清楚差異充氣腐蝕發生的主要原因，儘管熱力學原理是分析問題不可缺少的原因之一，但用來解釋形成差異充氣腐蝕的原因是欠妥的。

因素

眾所周知，即使十分乾燥的金屬(如鐵等)的表面都有一層氧化膜，將艾萬思液滴置於金屬表面之後，與液滴接觸的表面均有微電池存在而產生腐蝕現象。陰極的氧作為氧化劑被還原。

O₂+2H₂O+4e→4OH-

陽極有金屬(以下均以鐵為例)作為還原劑被氧化

Fe→Fe²+2e

這時可以認為液滴內部表面各部位鐵溶解的速率是相等的。但液滴邊緣部位與中心部位氧的濃度Co₂卻很快就發生變化，引起差異充氣腐蝕的發生。

腐蝕情況

在差異充氣腐蝕過程中，通常鐵的陽極氧化反應的速率遵循塔菲爾(Tafel )關係式，而O₂的還原反應速率受O₂擴散過程的控制，這樣陰極反應的電流密度形成的“鐵鏽”促使氧化膜緻密和加厚。總之，co₂越大，氧化膜的結構越完善，鐵離子通過這層膜就越困難，但電子仍然能夠通過(只是電子的移動速度較之通常情況下減慢)。造成陽極電流密度變小，致使邊緣部位鐵的電位升高，使陽極溶解變得越難進行。

原理

水解的結果是提高了液滴溶液的酸度，即降低了溶液的pH值，同時，一般以水為介質的溶液中均含有C1﹣和Na+離子，為維持電中和，C1﹣會移向Co₂較小的部位，使C1﹣在液滴中心部位聚集，C1﹣能進人氧化物鈍化被膜中，破壞其完整覆蓋性，導致氧化膜發生破壞，形成“孔蝕”直至溶解掉。陽極電流變大，使陽極溶解變得容易進行。實際上，氧在液滴中間部位很快消耗掉，此處完全可以視為無氧了。中心部位鐵的電位已經接近鐵的平衡電位，容易發生鐵的溶解。如果沒有接受電子的陰極存在，則溶解也勢必將停止。當然，液滴邊緣部位與中心部位分開是假設的，液滴本身就是導電體，因此實質上兩處是連在一起的，而且是短接的，可以形成共扼反應((conjugated reactions)。由於這種巨觀電池的存在，導致鐵的溶解的加劇。這是常被討論的差異充氣電池腐蝕的主要一種，儘管是由氧濃差引起的，但真正的腐蝕電池已經不是氧濃差電池了。

總結

由於氧氣濃度不同並不能導致陽極腐蝕得嚴重一些。這個試驗的結論與我們常說的差異充氣腐蝕和艾萬思液滴試驗的結論是相反的。兩者所以不同，正如前面已經說明了的，主要在於常說的差異充氣腐蝕，是由於氧的濃度不同，引起鐵表面的PH值發生變化，進一步導致Co₂大的部分鐵的表面形成或加強了氧化膜;而Co₂小的部分的鐵，即使原有的一點氧化膜也被溶解掉，致使兩處鐵的溶解已不再遵循同一動力學方程式。不同的陽極溶解過程引起兩處陽極電流密度和陰極電流密度是不同的，分別成為陽極區和陰極區。為了趨向於平衡狀態，求得兩處的電位相等，電子就要不斷地從CO₂小處流向CO₂大處，從而使得差異充氣腐蝕發生，即CO₂小的部位的金屬不斷被腐蝕，而且是更劇烈的腐蝕。