第四章 第四节 金属的电化学腐蚀与防护.docx

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第四章第四节金属的电化学腐蚀与防护

第四节　金属的电化学腐蚀与防护

[核心素养发展目标]　1.科学探究与创新意识：

通过实验科学探究金属腐蚀的本质及其原因，认识金属腐蚀的主要类型，能正确书写析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式。

2.科学态度与社会责任：

认识金属腐蚀产生的危害和影响，树立防止金属腐蚀的意识，熟知金属腐蚀常用的防护方法。

一、金属的腐蚀

1．金属的腐蚀

（1）概念：

金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。

其实质是金属原子失去电子变为阳离子，金属发生氧化反应。

（2）根据与金属接触的气体或液体物质不同，金属腐蚀可分为两类：

①化学腐蚀：

金属与接触到的干燥气体（如O2、Cl2、SO2等）或非电解质液体（如石油）等直接发生化学反应而引起的腐蚀。

腐蚀的速率随温度升高而加快。

②电化学腐蚀：

不纯的金属与电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化。

2．钢铁的电化学腐蚀

类别

项目

析氢腐蚀

吸氧腐蚀

图形描述

条件

水膜酸性较强

水膜酸性较弱或呈中性

负极

Fe－2e－===Fe2＋

正极

2H＋＋2e－===H2↑

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

总反应

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2

后续反应

最终生成铁锈（主要成分为Fe2O3·xH2O），反应如下：

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，2Fe（OH）3===Fe2O3·xH2O＋（3－x）H2O

联系

通常两种腐蚀同时存在，但后者更普遍

（1）无论化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属的腐蚀都是失电子被氧化的过程（　√　）

（2）钢铁的腐蚀以吸氧腐蚀为主（　√　）

（3）铜在酸性条件也可以发生析氢腐蚀（　×　）

（4）纯铁不易腐蚀，生铁易腐蚀，是因为生铁中含碳能形成原电池发生电化学腐蚀（　√　）

（5）铁的电化学腐蚀负极反应为Fe－3e－===Fe3＋（　×　）

1．下图所示的各容器中均盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是_________。

答案　④>②>①>③

解析　当电解质溶液相同时，同一金属腐蚀的快慢是电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。

本题中，铁腐蚀由快到慢的顺序为④>②>①>③。

2．将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区（a）已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环（b），如图所示。

导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。

回答下列问题：

（1）液滴边缘是_______（填“正”或“负”）极区，发生的电极反应为_______________。

（2）液滴中的Cl－由________区向________区迁移（填“b”或“a”）。

（3）在b区出现铁锈环的原因是液滴下的Fe因发生氧化反应而被腐蚀，生成的Fe2＋______________，进一步氧化、脱水形成铁锈。

（4）若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为____________________。

答案　

（1）正　O2＋2H2O＋4e－===4OH－

（2）b　a

（3）由a区向b区迁移，与b区的OH－形成Fe（OH）2

（4）Fe－2e－===Fe2＋

解析　NaCl溶液滴到一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后在液滴覆盖的圆周中心区（a）被腐蚀变暗，实际上是发生了吸氧腐蚀，这时，负极电极反应为：

Fe－2e－===Fe2＋（发生氧化反应），正极电极反应为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－（发生还原反应），在液滴外沿，由于Fe2＋＋2OH－===Fe（OH）2，4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3形成了棕色铁锈环（b）。

条件

快慢顺序

腐蚀类型不同

电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀（原电池原理的防护>电解原理的防护）

同种金属

强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液

活泼性不同的两金属

活泼性差别越大，活泼性强的金属腐蚀越快

同种电解质溶液

电解质溶液浓度越大，腐蚀越快

二、金属的防护方法

1．金属的防护原理

金属防护就是防止金属的腐蚀，要解决的主要问题是使金属不被氧化，应从金属腐蚀的化学反应原理、腐蚀的类型等方面来确定金属防护的具体方法。

2．金属防护的方法

（1）改变金属的内部组织结构

如把铬、镍等加入普通钢里制成不锈钢，就大大增强了钢铁对各种侵蚀的抵抗力。

（2）在金属表面覆盖保护层

在金属表面覆盖致密的保护层，从而使金属制品与周围物质（外界空气、水、电解质溶液等）隔离，这是一种被普遍采用的防护方法。

①非金属保护层：

如喷油漆、涂油脂。

②金属保护层：

如铁制品上镀铜、锌等。

（3）电化学防护法

①牺牲阳极的阴极保护法

原理：

原电池原理

要求：

活泼性强的金属作负极，被保护金属作正极。

②外加电流的阴极保护法

原理：

电解池原理

要求：

被保护的金属与外接电源负极相连作阴极。

（1）牺牲阳极的阴极保护法利用的是电解池原理（　×　）

（2）在铁制品表面镀锌，是为了防止铁制品的腐蚀，而且镀层有损坏，仍可对铁制品起到保护作用（　√　）

（3）铁制品涂油脂、喷油漆是为了隔绝铁与氧气的接触，起到保护铁制品的作用（　√　）

（4）铁闸门可与外加电源的正极相连，起到保护作用（　×　）

1．研究生铁的锈蚀，下列分析不正确的是（　　）

序号

①

②

③

实验

现象

8小时未观察到明显锈蚀

8小时未观察到明显锈蚀

1小时观察到明显锈蚀

A.①中，NaCl溶液中溶解的O2不足以使生铁片明显锈蚀

B．②中，生铁片未明显锈蚀的原因之一是缺少H2O

C．③中正极反应：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

D．对比①②③，说明苯能隔绝O2

答案　D

解析　A项，根据实验现象，③中1小时观察到明显锈蚀，说明NaCl溶液中溶解有O2，苯不能隔绝空气中的氧气进入氯化钠溶液，而①中由于是密闭体系，溶解的O2较少，不足以使生铁片明显锈蚀，正确；B项，苯属于非电解质，②中无电解质溶液，不满足电化学腐蚀的条件，正确；C项，根据现象，铁在中性环境下发生吸氧腐蚀，正极反应：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－，电极反应式合理，正确；D项，根据现象，③中发生吸氧腐蚀，①③溶液中均溶解有氧气，③中观察到明显锈蚀，说明苯不能隔绝O2，故D错误。

2．钢铁很容易生锈而被腐蚀，每年因腐蚀而损失的钢铁占世界钢铁年产量的四分之一。

请回答下列钢铁在腐蚀、防护过程中的有关问题。

（1）下列哪个装置可防止铁棒被腐蚀________（填字母）。

（2）在实际生产中，可在铁件的表面镀铜防止铁被腐蚀。

装置示意图如图。

请回答：

①铁件应与电源的_____（填“正”或“负”）极相连，B电极的电极反应式是________。

②若电镀前A、B两金属片质量相同，电镀完成后将它们取出洗净、烘干、称量，二者质量差为10.24g，则电镀时电路中通过的电子为________mol。

③电镀结束后CuSO4溶液的浓度________（填“变大”“变小”或“不变”）。

答案　

（1）BD　

（2）①负　Cu2＋＋2e－===Cu　②0.16　③不变

解析　

（1）铁作原电池的正极或电解池的阴极时可防止被腐蚀，B为原电池，锌作负极被腐蚀，铁作正极被保护，D为电解池，铁与电源的负极相连，作阴极被保护。

（2）①在铁件上镀铜时，铜作阳极，与电源正极相连，铁棒作阴极，B电极为阴极，阴极发生还原反应，Cu2＋得电子生成Cu：

Cu2＋＋2e－===Cu。

②A极为阳极，发生氧化反应，阳极反应离子方程式：

Cu－2e－===Cu2＋，故阳极固体质量减少，阴极固体质量增加，二者质量差为10.24g，则阴极表面增加的铜的质量为5.12g，物质的量为0.08mol，已知每生成1mol铜转移2mol电子，故电路中通过的电子为0.16mol。

1．下列有关金属电化学腐蚀的说法正确的是（　　）

A．铜既可以发生析氢腐蚀也可以发生吸氧腐蚀

B．铁只能发生析氢腐蚀

C．铜只能发生吸氧腐蚀

D．析氢腐蚀比吸氧腐蚀普遍

答案　C

解析　在金属活动性顺序中，铜排在氢之后，铜不能将氢气置换出来，所以不能发生析氢腐蚀，只能发生吸氧腐蚀，故A项错误，C项正确；铁既可以发生析氢腐蚀也可以发生吸氧腐蚀，故B错误；在自然界中，吸氧腐蚀比析氢腐蚀普遍，故D错误。

2．铜板上铁铆钉的吸氧腐蚀原理如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．正极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

B．此过程中还涉及反应4Fe（OH）2＋2H2O＋O2===4Fe（OH）3

C．此过程中Fe、Cu均被腐蚀

D．此过程中电流从Fe流向Cu

答案　B

解析　铁铆钉吸氧腐蚀的正极电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，铜作正极不被腐蚀，电子从负极通过导线流向正极。

3．（2019·福建上杭第一中学高二上10月月考）如图所示是探究铁发生腐蚀的装置图，下列说法正确的是（　　）

A．若B处液面上升，A溶液可能是酸性溶液

B．若A为NaCl溶液，B、C液面始终保持不变

C．可能产生Fe2O3·nH2O

D．腐蚀的总反应式一定是2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2

答案　C

解析　析氢腐蚀的总反应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，B处液面下降，则A溶液不可能是酸性溶液，A项错误；若A为NaCl溶液，则发生吸氧腐蚀，B处液面上升，B项错误；发生吸氧腐蚀，2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2，4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，Fe（OH）3部分脱水，氧化产物变为Fe2O3·nH2O，C项正确；如是析氢腐蚀，总反应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，D项错误。

4．研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。

下列有关说法错误的是（　　）

A．若d为石墨，则铁片腐蚀加快

B．若d为石墨，则石墨上电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．若d为锌块，则铁片不易被腐蚀

D．若d为锌块，则铁片上电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

答案　D

解析　A项，由于活动性：

Fe>石墨，所以铁、石墨及海水构成原电池，Fe为负极，失去电子被氧化变为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，与没有形成原电池时相比，铁片的腐蚀速率加快，正确；B项，d为石墨，由于电解质溶液为中性环境，所以发生的是吸氧腐蚀，石墨电极上氧气得到电子，发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，正确；C项，d为锌块，由于金属活动性Zn>Fe，Zn为原电池的负极，Fe为正极，首先被腐蚀的是Zn，Fe得到保护，铁片不易被腐蚀，正确；D项，d为锌块，由于电解质溶液为中性环境，发生的是吸氧腐蚀，铁片上电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，错误。

5．金属腐蚀的电化学原理可用如图模拟。

（1）请写出有关电极反应式。

①铁棒上电极反应式：

______________________________________________________。

②碳棒上电极反应式：

______________________________________________________。

（2）该图所表示的是______（填“析氢”或“吸氧”）腐蚀。

（3）若将O2撤走，并将NaCl溶液改为稀硫酸溶液，则此图可表示______（填“析氢”或“吸氧”）腐蚀原理；若用牺牲阳极的阴极保护法来保护铁棒不被腐蚀溶解，则可将碳棒改为______棒。

答案　

（1）①2Fe－4e－===2Fe2＋　②O2＋2H2O＋