1、第第4 4节金属的腐蚀与防护节金属的腐蚀与防护第第1 1章章2021内容索引课前篇课前篇 素养初探素养初探课堂篇课堂篇 素养提升素养提升素养目标1.了解电化学腐蚀的本质,探究金属腐蚀的实质,从而形成宏观辨识与微观探析的学科核心素养。2.能利用电化学原理解释金属腐蚀的现象并能设计防腐保护措施,体验科学探究与创新意识的学科核心素养。课前篇课前篇 素养初探素养初探知识铺垫铁制品是如何锈蚀的?提示铁制品锈蚀的过程,实际上是铁与空气中的氧气、水蒸气等发生化学反应的过程。必备知识一、金属电化学腐蚀的原理1.金属腐蚀(1)金属腐蚀的定义及本质。定义:金属表面因与周围的物质发生氧化还原反应而遭到破坏的现象。本
2、质:金属本身失去电子变成阳离子的过程(发生氧化反应):M-ne-=Mn+。(2)金属腐蚀的分类。2.金属腐蚀的电化学原理(1)实质。不纯的金属或合金与电解质溶液接触时发生原电池反应,较活泼的金属失去电子被氧化的过程。(2)分类。金属的电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。二、金属腐蚀的防护1.原理阻止金属发生氧化反应。2.方法(1)改变金属内部结构,如制成合金等。(2)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀等。(3)电化学防护,分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。3.金属的防护措施图示 三、电化学腐蚀原理的应用1.铁腐蚀能消耗空气中的氧气,利用这一原理可快速测定空气中氧气的含量。2.铁腐蚀
3、的反应消耗氧气和水,以铁粉为主要成分制成双吸剂放入食品包装袋,可以延长食物的保质期。3.铁腐蚀的过程放热,利用这一特点可以制成一次性保暖贴。4.根据金属电化学腐蚀的原理,利用微电解技术处理工业废水。5.金属电化学腐蚀原理在航空航天、精密仪器和生物医学等领域也具有广阔的应用前景。正误判断判断下列说法是否正确,正确的打“”,错误的打“”。(1)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时,负极反应均是Fe-3e-=Fe3+。()(2)钢铁在潮湿的空气中发生电化学腐蚀时,正极发生的主要反应是O2+2H2O+4e-=4OH-。()(3)发生吸氧腐蚀时正极放出O2,发生析氢腐蚀时正极放出H2。()(4)纯铁在稀硫酸中发
4、生析氢腐蚀。()(5)现实生活中电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍。()(6)金属作为原电池的负极或电解池的阴极时均被保护。()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)课堂篇课堂篇 素养提升素养提升探究一探究一金属的腐蚀金属的腐蚀问题探究据估计,每年全世界被腐蚀损耗的钢铁材料约占全年钢铁产量的十分之一。那么,金属的腐蚀都有哪些类型?不同类型的金属腐蚀有何区别?提示金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀;化学腐蚀过程中没有电流产生,电化学腐蚀过程中有电流产生。深化拓展1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较 类型 化学腐蚀电化学腐蚀条件金属与非金属等直接接触不纯的金属或合金与电解质溶液接触形成原电池电流 无电流产生
5、有电流产生结果 金属被氧化较活泼金属被氧化实质 M-ne-=Mn+关系化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生;电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍,危害更大2.钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀的比较 区别与联系吸氧腐蚀析氢腐蚀腐蚀的实质金属作为原电池负极,失电子被氧化负极电极反应Fe-2e-=Fe2+条件水膜呈很弱的酸性、中性或碱性 水膜酸性较强正极电极反应O2+2H2O+4e-=4OH-2H+2e-=H2总反应2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2Fe+2H+=Fe2+H2其他反应Fe2+2OH-=Fe(OH)24Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈【微点拨】在通常情
6、况下,潮湿的空气中水膜酸性较弱,金属在潮湿的空气中主要发生的是吸氧腐蚀。素能应用典例1如图所示,将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中,再加入含有适量酚酞的NaCl溶液,一段时间后观察发生的变化。下列叙述正确的是()A.a中铁钉附近溶液呈现红色B.b中铁钉上发生还原反应C.a中铜丝上发生氧化反应D.b中铝条附近有气泡产生答案B 解析依据原电池原理分析可知:电极名称a中b中负极铁:Fe-2e-=Fe2+(氧化反应)铝:Al-3e-=Al3+(氧化反应)正极铜:O2+2H2O+4e-=4OH-(还原反应)铜丝附近溶液变红色铁:O2+2H2O+4e-=4OH-(还原反应)铁钉附近溶液变红色a中铁钉附近
7、不变红色,铜丝上发生还原反应;b中铁钉上发生还原反应,铝条附近没有气泡产生。变式训练1右图装置中,U形管内为红墨水,a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液(呈酸性),各加入生铁块,放置一段时间。下列有关描述错误的是()A.生铁块中的碳是原电池的正极B.红墨水水柱两边的液面变为左低右高C.两试管中相同的电极反应是Fe-2e-=Fe2+D.a试管中发生了吸氧腐蚀,b试管中发生了析氢腐蚀答案B解析a为中性环境,发生吸氧腐蚀,氧气被消耗,试管中气体压强减小;b中溶液呈酸性,发生析氢腐蚀,有氢气放出,试管中气体压强增大,所以红墨水水柱两边的液面变化为左高右低,故B项错。探究二探究二金属腐蚀的快慢与金属腐
8、蚀的防护金属腐蚀的快慢与金属腐蚀的防护问题探究根据金属腐蚀的原理分析金属腐蚀的防护措施都有哪些?提示常见金属腐蚀的防护措施有改变金属内部结构(不锈钢)、覆盖防护层(电镀、油漆等)、电化学防护、电化学使金属表面“钝化”等。深化拓展1.金属腐蚀的快慢规律(1)在同种电解质溶液中,金属腐蚀由快到慢的顺序为:电解池的阳极原电池的负极化学腐蚀原电池的正极电解池的阴极。(2)同一种金属在不同介质(浓度相等)中腐蚀由快到慢的顺序为:强电解质溶液弱电解质溶液非电解质溶液。(3)在同一种电解质溶液中,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀越快(钝化除外)。(4)纯度越高的金属,腐蚀越慢。(5)不纯的金属或合金,在潮湿的空
9、气中,氧气浓度越大,腐蚀越快。2.金属的电化学防护 类型牺牲阳极保护法外加电流阴极保护法原理原电池原理电解池原理保护对象 正极金属得到保护阴极金属得到保护应用钢铁设备如锅炉内壁、船体外壳等装上镁合金或锌片土壤、海水及水中的金属设备素能应用典例2(2021湖南长沙高二期末)铜板上铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示,下列有关说法不正确的是()A.正极电极反应为2H+2e-=H2B.此过程中还涉及反应:4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3C.此过程中铜并不被腐蚀D.此过程中电子从Fe移向Cu答案A解析铜、铁在潮湿的环境中形成原电池,Fe发生吸氧腐蚀,Fe作为负极,失去电子被氧化,电极反应为
10、Fe-2e-=Fe2+;Cu作为正极,电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-。在此原电池中,电子由Fe移向Cu,原电池反应为2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2,在溶液中还发生反应:4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3。变式训练2下面各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是()A.B.C.D.答案A解析铁在海水中的腐蚀属于电化学腐蚀,当铁与比它活泼性差的Sn相连时,Fe被腐蚀的速率比大,与活泼性比其强的锌相连时,锌作为负极被腐蚀,铁被保护,其腐蚀的速率要比小;为电解装置,Fe为阳极,发生氧化反应,铁腐蚀的速率最快。素养脉络素养脉络随堂检测随堂检测1.研究电化学腐
11、蚀及防护的装置如右图所示。下列有关说法错误的是()A.若d为石墨,铁片腐蚀加快B.若d为石墨,石墨上电极反应为:O2+2H2O+4e-=4OH-C.若d为锌块,铁片不易被腐蚀D.若d为锌块,铁片上电极反应为:2H+2e-=H2答案D解析铁、石墨及海水构成原电池时,Fe为负极,失去电子被氧化为Fe2+进入溶液,溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原,比没有形成原电池时腐蚀快,A正确。d为石墨,铁片在海水中发生的是吸氧腐蚀,石墨上氧气得到电子发生还原反应,电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-,B正确。若d为锌块,由于金属活泼性ZnFe,Zn为原电池的负极,Fe为正极,首先被腐蚀的是Zn
12、,铁得到保护,铁片不易被腐蚀,C正确。若d为锌块,铁片在海水中发生的是吸氧腐蚀,在铁片上的电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-,D错误。2.相同材质的铁在下列情形下最不易被腐蚀的是()答案C解析A、B、D都能形成原电池,铁作为负极,腐蚀速率加快;C中铁表面镀铜,铁被保护不易被腐蚀。3.为了防止钢铁锈蚀,下列防护方法中正确的是()A.在精密机床的铁床上安装铜螺钉B.在排放海水的钢铁阀门上用导线连接一块石墨,一同浸入海水中C.在轮船的舷上用铁丝系住锌板浸在海水里D.在地下输油的铸铁管上接直流电源的正极答案C解析A、B中形成的原电池都是铁为负极,加速铁的腐蚀;D中铸铁管是阳极,会加速铁的腐蚀;
13、C中锌比铁活泼,铁是正极,铁受到保护。4.(1)电工操作上规定:不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。请说明原因。(2)铜制品在经常下酸雨的地区发生电化学腐蚀严重。写出此电化学腐蚀的电极反应:正极:,负极:。答案(1)二者连接在一起时,接头处在潮湿的空气中形成原电池而造成铝被腐蚀(2)O2+2H2O+4e-=4OH-2Cu-4e-=2Cu2+解析(1)当铜导线和铝导线连接时,接触到潮湿的空气就易形成原电池而使铝被腐蚀。(2)要注意铜的电化学腐蚀与铁的区别,铜不能还原H+,故不可能发生析氢腐蚀,只能发生吸氧腐蚀;酸雨是一个干扰因素,只是使电解质溶液中的离子浓度增大,腐蚀加快。5.如图所示,水槽中的
14、试管内有一枚铁钉,放置数天后观察:(1)铁钉在逐渐生锈,则铁钉的腐蚀属于(填“化学”或“电化学”)腐蚀。(2)若试管内液面上升,则原溶液呈性,发生腐蚀,负极电极反应为,正极电极反应为。(3)若试管内液面下降,则原溶液呈性,发生腐蚀。负极电极反应为,正极电极反应为。答案(1)电化学(2)弱酸或中或碱吸氧2Fe-4e-=2Fe2+O2+2H2O+4e-=4OH-(3)较强的酸析氢Fe-2e-=Fe2+2H+2e-=H2解析根据原电池的构成条件:有两种不同的电极材料(Fe为负极,碳为正极)、有电解质溶液、形成闭合回路可知,铁钉的腐蚀属于电化学腐蚀。若试管内液面上升,说明试管内压强减小,试管内气体被吸收,是铁钉发生吸氧腐蚀的结果;若试管内液面下降,说明试管内气体压强变大,试管内产生了新气体,是铁钉发生析氢腐蚀的结果。
