1.2　电化学腐蚀电池

当金属浸入电解液后，由于金属中的电子吸引电解液中的正离子（或脱离了金属的正离子吸引极性水分子负端），会在金属与电解液接触面上形成双电层。如果将参比电极与电解液接触，可以测量到该双电层的电位。受金属结构、环境因素的影响，金属表面不同的部位，该电位值不一样，形成电位差。该电位差造成金属中的电子从电位负的部位移向电位正的部位，而电位负的部位金属元素，由于失去电子变成离子，溶入电解液，与电解液中的阴离子结合成腐蚀产物，使金属受到腐蚀。阴极保护是人为地为金属提供多余的电子，使金属表面正电位部位电位下降，达到金属表面电位最负部位的电位。电位差消除后，电子不再移动，腐蚀也就停止。

本节阐述阴极保护的电化学基础——电化学腐蚀电池。

1.2.1　金属的构成

金属单质是由原子构成的，原子由原子核和绕原子核旋转的电子组成，如图1-3所示。原子核由质子与中子构成，电子带负电，原子核中的质子带正电。对于给定的原子，质子数等于电子数，整个原子不带电。将金属放入电解质溶液中，原子核受水中氢氧根离子的吸引，丢掉电子，成为带电离子进入溶液，生成腐蚀产物。而被丢弃的电子往往被溶液中氧气所捕，生成氢氧根离子。

1.2.2　金属的电极电位

当金属浸入电解液后，金属表面受约束不强的原子失去电子，以离子状态进入电解液，由于水是极性分子，呈负电性的一端朝向金属而呈正电性的一端远离金属。在金属/溶液界面上形成了双电层，其特性相当于电容。双电层的建立，使得金属与溶液之间产生电位差，这个电位差叫做该金属在这种溶液中的电极电位（图1-4），也叫腐蚀电位或自然电位。

1.2.3　金属活动顺序表

钢铁是将铁矿石加热提炼而制成的，该过程给金属注入了能量。金属种类不同，冶炼时所注入的能量也不一样，金属所具有的电位也不相同。比如提炼镁金属时，需要较大的能量，所以，镁金属电位较负；同理，金可以以单质的状态存在于自然界，幸运的人在河流、山谷中就能发现金子，不需要提炼，所以，其电位偏正。提炼金属时需注入的能量越高，其电位越负。金属活动顺序表按电位高低排列了金属的能量顺序，如表1-1所示。

1.2.4　电化学腐蚀电池的组成

具有能量的金属总在寻找机会，回到能量较低的稳定状态。当金属表面各点存在电位差时，该电位差成为电子移动的动力。金属中的电子就会从电位低的部位通过电连接移向电位高的部位，失去了电子的金属原子变成离子而进入电解质溶液，生成腐蚀产物。失去电子发生氧化反应的部位为阳极，得到电子发生还原反应的部位为阴极，因此，腐蚀发生在阳极，阴极不会腐蚀。一个腐蚀电池由四部分组成，如图1-5所示。阳极、阴极、电解质溶液、金属通路。

在图1-5中，将铁和铜放入水中，铁的腐蚀电位是-0.60V（CSE），铜的腐蚀电位是-0.20V（CSE），用导线连接后，铁上的电子沿导线向铜流动，从低电位移向高电位。而铁原子由于失去电子变成铁离子进入溶液。铁发生腐蚀为阳极，铜得到电子，不会发生腐蚀，为阴极。

正离子通过电解质溶液从电位低的金属向电位较高金属移动，将正电荷移动的方向定义为电流流动的方向。不论是电子还是离子，都是离开阳极流向阴极，只是所经途径不同而已。离子流动的途径是电解质溶液，电子的流动途径是金属导体。

不仅不同金属具有不同的电位，同一金属表面各点由于金属结晶结构或环境条件不一样，电位也不同，电位较负的为阳极、电位较正的为阴极。如埋地管道，管道表面各点电位并不相同，电子将离开阳极沿管道向阴极移动，而位于阳极区的金属原子由于失去电子而成为带正电的离子、进入电解质溶液，与电解质溶液中的负离子发生反应而生成腐蚀产物，金属发生腐蚀（图1-6）。在阴极区，由于存在多余的电子，金属不会发生腐蚀，化学反应在电解质溶液中发生，如：氢离子还原、析氢。

腐蚀电池有四个组成部分，去掉任何一个部分，都无法构成腐蚀电池，腐蚀就会停止。防腐层是通过将结构与周围电解质溶液隔离，阻断电流通路来进行防腐的；而阴极保护是通过消除结构表面的阴、阳极，消除电子移动的动力进行防腐的。当阴极保护电流从介质中流向被保护结构时，结构表面的阴极（电位较高的部位）电位首先开始降低，结构表面的腐蚀电流减小；随着阴极电位降低，逐渐接近阳极电位（图1-7），阴、阳极之间的电位差减小，腐蚀电流进一步减小，直到阴极极化电位达到阳极开路电位，金属表面不再存在电位差，也就不再存在阴、阳极，腐蚀停止。

1.2.5　电流的流动方向

把正电荷流动的方向定义为电流的方向。当电子在金属中从阳极移向阴极时，离子会在电解质溶液中从阳极移向阴极，也就是说，在电解质溶液中，如土壤中，电流从阳极流向阴极。阴极保护就是利用外部阳极，迫使电流通过土壤流向阴极，即被保护结构，实现防腐的目的。电流从金属流出进入电解液，该部位为阳极，发生腐蚀；电流从电解液流入金属，该部位为阴极，得到保护。