用賈凡尼次序(Galvanic Series)來決定金屬的陰極與陽極,談金屬腐蝕(4)

(文章取材自網路,作者佚失,但內容經過工作熊整理潤飾)

前面我們提到在不同金屬元素間存在不同的電位,以至於當它們互相靠在一起或是同時浸泡於同一電解質中時,就有可能產生電位差並進而引起「電化學腐蝕」現象。那是由什麼決定了這些金屬元素的電位高低的呢?

何種金屬比較容易形成陽極?而何種金屬又比較易形成陰極?

其實就如同前面篇幅文章中解釋「化學腐蝕」時說明過的,物質或金屬在溶液中,都有化為離子而被溶解的傾向,同樣的,大多數金屬如果置於溶液中,其內部都具有化學電壓將其離子送入溶液中的趨勢,只是快慢的程度不同而已。

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這種金屬受環境溶液誘惑而溶解的趨勢稱之為「電溶壓(Electrolytic solution tension)」,不同金屬具有不同的電位,所以當兩種不同金屬搭接在一起時,由於兩者之間存在電位差,高電位的元素電子會往低電位的元素流,於是就產生了電流,其原理正如同水往低處流的自然趨勢是一樣。這種電池效應的結果,因電流的流動(從陽極流向陰極),將使得較高電位金屬發生陽極消溶腐蝕。當金屬間的電位差越大,所產生的電流就會越強,腐蝕的損耗率也就越大。

金屬活性將決定金屬地電位高低?

講了那麼多,到底是什麼因素決定了這些金屬元素的電位高低呢?答案應該是元素的活性,活性越高的元素就表示其越活潑,在自然界中也就越不穩定,一旦有機會就會往別的元素身上傾瀉電子。

回憶一下我們在國高中時背過的元素週期表,你應該大致知道週期表最右邊的第18族(VIII A族)是自然界中最穩定的電子滿球數惰性氣體(氦He、氖Ne、氬Ar、氪Kr、氙、Xe、氡Rn),而週期表最左邊的第1族(I A族)則是自然界中最不穩定多了一個電子的鹼金屬(鋰Li、鈉Na、鉀K、銣Rb、銫Cs、鍅Fr),它們總是活蹦亂跳的,連保存它們都得存放在礦物油或將之封禁於惰性氣體中保存。

善用前人的智慧結晶「賈凡尼次序(Galvanic Series)」或「電動次序(Electromotive Force Series)」來判斷不同金屬間的電位高低

所以哪些元素的活性較高你是否隱隱約約已經抓到了些許概念了?但是元素的活性在週期表上只是一個大概的趨勢而已,基本上還得看元素處在什麼樣的溶液當中,還好我們的前輩科學家們已經幫大家將大部分的元素電位用實驗的方法量測出來也列出了其電化學順序,稱之為【賈凡尼次序(Galvanic Series)】或【電動次序(Electromotive Force Series)】,我們只要拿前人的智慧來用就可以了,這個順序可以說明在不同環境下,各種金屬陽極性與陰極性的趨勢。

在海水、淡水溶液或其他工業環境中,賈凡尼電位序可能會有些許差異,以海水中的賈凡尼電位序而言,依電位(活性)由大到小將金屬順序排列,依序為:

鉀(K)>鈉(Na)>鎂(Mg)>鋁(Al)>鋅(Zn)>鉻(Cr) > 鎘(Cd)>鐵(Fe)>鈷(Co)>鎳(Ni)>錫(Sn)>鉛(Pb)>銅(Cu)>銀(Ag)>鉑(Pt)>金(Au)。

上述電位序列中,電位序在前面的金屬對於電位序在其後面的金屬將形成陽極;相反的電位序在後面的金屬對於電位序在前面的金屬將形成陰極。這些金屬(如金、鉑、銀等)稱之為貴金屬(noble)或具化學惰性(chemically inert)元素,它們不易與其他金屬產生反應,所以才可以在自然界中發現其單體金屬。而從另一方面來看,由於電位序在前面的金屬相對於電位序在其後的金屬將形成陽極,因此反而可以保護其後位金屬避免腐蝕,這種犧牲陽極金屬的方法就成為腐蝕防治的一種重要方式。這部分的敘述會在稍後討論鋼鐵腐蝕時做進一步的說明。

綜合以上所述,可以知道電化學腐蝕主要由於材料本身產生了電池效應,電池效應是基於電池中有兩種不同電極懸掛在同一個電解質內,陽極部份發生氧化而蝕去,陰極則大多產生氫離子的還原作用,而放出氫氣,結果使得材料形成腐蝕的現象。

由於金屬腐蝕的過程,事實上就是一種化學或電化學反應,因此我們可以說,金屬在某種環境下,藉由化學或電化學反應所造成材料破壞性的傷害就稱之為腐蝕,而腐蝕的防治,最基本的原理就是抑制或是避免這些反應的發生。


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