第4章 第3节 金属的腐蚀与防护 讲义 新教材人教版高中化学选择性必修1.docx

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第4章第3节金属的腐蚀与防护讲义新教材人教版高中化学选择性必修1

第三节　金属的腐蚀与防护

发展目标

体系构建

1.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．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．金属腐蚀

（1）概念：

金属或合金与周围的气体或液体发生氧化还原反应而引起损耗的现象。

（2）由于与金属接触的气体或液体物质不同，发生腐蚀的情况也不同，发生腐蚀的情况也不同，一般金属腐蚀可分为两类：

①化学腐蚀：

金属与其表面接触的一些物质（如O2、Cl2、SO2等）直接反应而引起的腐蚀。

温度对化学腐蚀的影响很大。

②电化学腐蚀：

当不纯的金属与电解质溶液接触时会发生原电池反应，比较活泼的金属发生氧化反应而被腐蚀。

2．钢铁的电化学腐蚀

由于条件不同，钢铁腐蚀可分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种类型。

析氢腐蚀

吸氧腐蚀

示意图

钢铁的析氢腐蚀示意图

钢铁的吸氧腐蚀示意图

水膜环境

在酸性环境中

水膜酸性很弱或呈中性

负极反应

Fe－2e－===Fe2＋

2Fe－4e－===2Fe2＋

正极反应

2H＋＋2e－===H2↑

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

总反应

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3

联系

吸氧腐蚀更普遍

微点拨：

（1）化学腐蚀和电化学腐蚀往往同时发生，只是电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍，速率也大得多危害更大。

（2）析氢腐蚀和吸氧腐蚀取决于金属表面电解质溶液的酸碱性，实际情况中以吸氧腐蚀为主。

（3）钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时，负极都是铁，失电子生成Fe2＋，而非Fe3＋。

3．实验探究[实验4－3]

（1）实验1：

将经过酸洗除锈的铁钉用饱和食盐水浸泡一下，放入下图所示的具支试管中。

几分钟后，观察导管中水柱的变化。

现象及原因：

实验1中导管中的水柱上升，铁钉生锈。

说明该过程铁钉被腐蚀。

铁钉发生的是吸氧腐蚀。

（2）实验2:

取两支试管，分别放入两颗锌粒和等体积、等浓度的稀盐酸，观察现象。

然后，向其中一支试管中滴加1～2滴硫酸铜溶液，再观察现象。

现象及原因：

开始时试管中均有无色气体产生，滴加硫酸铜溶液后产生气体的速率明显加快。

原因是锌置换出铜后构成了铜锌原电池，锌作负极，腐蚀速率加快。

二、金属的防护

1．改变金属材料的组成：

在金属中添加其他金属或非金属可以制成性能优异的合金。

例如，把铬、镍等加入普通钢中制成不锈钢产品。

2．在金属表面覆盖保护层：

在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与周围物质隔开。

（1）在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。

（2）用电镀的方法，在钢铁制品表面镀上一层不易被腐蚀的金属，如锌、锡、铬、镍等。

（3）工业上常利用一些溶液的氧化作用，在机器零件、精密仪器、枪炮等钢铁制件的表面上形成一层致密的黑色的四氧化三铁薄膜。

（4）利用阳极氧化处理铝制品的表面，使之形成致密的氧化膜而钝化。

（5）采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面可以形成稳定的钝化膜。

3．电化学保护法

（1）牺牲阳极法

①应用原电池原理，让被保护金属做正极，一种活泼性较强的金属做负极，用导线相连。

牺牲阳极法示意图

②[实验4－4]实验验证

实验1　已知Fe2＋与[Fe（CN）6]3－反应生成带有特征蓝色的铁氰化亚铁沉淀：

3Fe2＋＋2[Fe（CN）6]3－===Fe3[Fe（CN）6]2↓。

实验装置

实验操作

按如图所示连接好装置；往Fe电极区滴入2滴黄色K3[Fe（CN）6]（铁氰化钾）溶液

实验现象

电流表指针发生偏转，Fe电极上有气泡产生，但往Fe电极附近滴入K3[Fe（CN）6]溶液不显特征蓝色

有关反应

Zn电极：

Zn－2e－===Zn2＋

Fe电极：

2H＋＋2e－===H2↑

实验结论

Zn、Fe和经过酸化的NaCl溶液构成原电池，铁被保护未被腐蚀

实验2　将1g琼脂加入250mL烧杯中，再加入50mL饱和食盐水和150mL水。

搅拌、加热煮沸，使琼脂溶解。

稍冷后，趁热把琼脂溶液分别倒入两个培养皿中，各滴入5～6滴酚酞溶液和K3[Fe（CN）6]溶液，混合均匀。

取两个2～3cm的铁钉，用砂纸擦光。

如图（a）所示，将裹有锌皮的铁钉放入上述的一个培养皿中；如图（b）所示，将缠有铜丝的铁钉放入另一个培养皿中。

观察并解释实验现象。

（a）　　　　　　　（b）

牺牲阳极法实验

实验现象：

a中溶液变红色，b中铁钉附近出现蓝色沉淀，铜丝附近溶液变红色。

（2）外加电流法

外加电流法把被保护的钢铁设备作为阴极，用惰性电极作为辅助阳极，两者均放在电解质溶液里，外接直流电源。

外加电流法示意图

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。

（×）

（2）钢铁发生电化学腐蚀时，负极铁失去电子生成Fe3＋。

（×）

（3）在金属表面覆盖保护层，若保护层破损后，就完全失去了对金属的保护作用。

（×）

（4）若在海轮外壳上附着一些铜块，则可以减缓海轮外壳的腐蚀。

（×）

2．下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是（　　）

A．钢管与电源正极连接，钢管可被保护

B．铁遇冷浓硝酸表面钝化，可保护内部不被腐蚀

C．钢管与铜管露天堆放在一起时，钢管不易被腐蚀

D．钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应是Fe－3e－===Fe3＋

B　[钢管与电源正极相连，则钢管作阳极，发生氧化反应而被腐蚀，A项错误；铁遇冷浓硝酸表面钝化，在表面生成一层致密的氧化膜保护内部不被腐蚀，B项正确；钢管与铜管露天堆放在一起，形成原电池时钢管作负极，发生氧化反应而被腐蚀，C项错误；钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应式为：

Fe－2e－===Fe2＋，D项错误。

]

3．实验探究（如图所示）。

（1）若棉团浸有NH4Cl溶液，铁钉发生________腐蚀，正极反应式为____________________________________________________________________，

右试管中现象是___________________________________________________

________________________________________________________________。

（2）若棉团浸有NaCl溶液，铁钉发生________腐蚀，正极反应式为____________________________________________________________________，

右试管中现象是__________________________________________________

________________________________________________________________。

[答案]　

（1）析氢　2H＋＋2e－===H2↑　有气泡冒出

（2）吸氧　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　导管内液面上升

探究金属的腐蚀与防护

（素养养成——宏观辨识与微观探析）

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和NaCl的琼脂热溶液，冷却后形成琼胶（离子在琼胶内可以移动）。

a　　　　　　b

[问题1]　根据所学知识分析a中你能观察到什么现象？

并解释其原因。

[提示]　铜丝附近呈现红色。

因为a中铁比铜活泼，铁作负极，发生氧化反应，铜作正极，发生还原反应，电极反应式分别为负极：

2Fe－4e－===2Fe2＋，正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－，因此a中铜丝附近呈现红色。

[问题2]　根据所学知识分析b中你能观察到什么现象？

并解释其原因。

[提示]　铁钉附近呈现红色。

b中铝比铁活泼，铝作负极，发生氧化反应，铁作正极，发生还原反应，电极反应式分别为负极：

4Al－12e－===4Al3＋，正极：

3O2＋6H2O＋12e－===12OH－，因此b中铁钉附近呈现红色。

[问题3]　a、b中铁钉的腐蚀速率快慢是怎样的？

[提示]　a中铁钉腐蚀速率更快。

金属腐蚀快慢比较

（1）在同一电解质溶液中：

电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。

（2）同一种金属在相同浓度不同介质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）有无保护措施的腐蚀快慢顺序：

无保护措施的金属腐蚀>有一定保护措施的金属腐蚀>牺牲阳极的阴极保护法引起的金属腐蚀>有外加电流的阴极保护法引起的金属腐蚀。

（4）对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀速率越快。

1．下列各种镀有金属保护层的铁板，镀层破损后在相同的环境中，铁板最易被腐蚀的是（　　）

A．镀锌铁（白铁）　B．镀锡铁（马口铁）

C．镀铜铁D．镀银铁

D　[镀有金属保护层的铁板，在镀层破损时，与周围环境形成原电池。

A中镀层破损时，锌作负极，铁作正极受到保护；B、C、D中镀层破损时，铁均作负极而被腐蚀，与正极金属的活动性相差越大，负极被腐蚀的速率越快，所以选D。

]

2．如图所示，各烧杯中均盛的是海水，铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为（　　）

A．②①③④⑤⑥B．⑤④③①②⑥

C．⑤④②①③⑥D．⑤③②④①⑥

C　[②③④均为原电池，③中Fe为正极，被保护；②④中Fe为负极，均被腐蚀，但Fe和Cu的金属活动性差别大于Fe和Sn的，故FeCu原电池中Fe被腐蚀的较快。

⑤是Fe接电源正极作阳极，Cu接电源负极作阴极的电解腐蚀，加快了Fe的腐蚀。

⑥是Fe接电源负极作阴极，Cu接电源正极作阳极的电解腐蚀，防止了Fe的腐蚀。

根据以上分析可知铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。

]

3．某探究小组用铁钉被腐蚀的快慢实验来研究防止钢铁腐蚀的方法。

所用试剂有：

材质相同的无锈铁钉数个，食盐水、碳酸水、植物油各多量，实验温度为298K、308K，每次实验取用铁钉的数量相同。

液体体积相同且足量，用大小相同的试管实验。

（1）请完成以下实验设计表，并在实验目的一栏中填出对应的实验编号：

实验

编号

T/K用

液体

试管内取用液体

实验目的

①

298

食盐水

（Ⅰ）实验①和②探究不同电解质溶液对铁钉腐蚀快慢的影响

（Ⅱ）实验①和________探究温度对铁钉腐蚀快慢的影响

（Ⅲ）实验①和________探究铁钉是否接触电解质溶液对铁钉腐蚀快慢的影响

②

③

④

（2）请根据上述实验，判断下列有关钢铁制品防腐的说法正确的是________（填字母）。

A．在铁门、铁窗表面涂上油漆

B．自行车各部件因有防护涂层或电镀等防腐措施，所以不需要停放在能遮雨的地方

C．家用铁制厨具每次用完后应擦干放置在干燥处

D．把挡水铁闸门与直流电源的正极连接且构成回路，可减少铁闸门的腐蚀速率

[解析]　

（1）实验Ⅰ探究不同电解质对铁钉腐蚀快慢的影响，因此保证温度不变（仍为298K），改变电解质（选用碳酸水）。

实验Ⅱ探究温度对铁钉腐蚀快慢的影响，因此保证电解质不变（仍为食盐水），改变温度（选308K）。

实验Ⅲ探究铁钉是否接触电解质溶液对铁钉腐蚀快慢的影响。

因此保证温度不变（仍为298K），改变试管内液体（选植物油）。

（2）A项涂油漆保护铁窗，使铁窗与周围物质隔开，正确；自行车放在干燥处，不易形成原电池，能降低腐蚀速率，B错误，C正确；D项挡水铁闸门应与直流电源的负极相连，使之作电解池的阴极，才能起到保护作用，D错误。

[答案]　

（1）

实验编号

T/K

试管内取用液体

实验目的

①

298

食盐水

（Ⅱ）③

（Ⅲ）④（只要与前面③、④对应即可）

②

298

碳酸水

③

308

食盐水

④

298

植物油

（2）AC

氢脆是金属腐蚀的一种类型。

金属材料特别是钛材一旦吸氢，就会析出脆性氢化物，使机械强度劣化。

在腐蚀介质中，金属因腐蚀反应析出的氢及制造过程中吸收的氢，是金属中氢的主要来源。

金属的表面状态对吸氢有明显的影响，研究表明，钛材的研磨表面吸氢量最多，其次为原始表面，而真空退火和酸洗表面最难吸氢。

钛材在大气中氧化处理能有效防止吸氢。

[问题1]　阅读材料分析，金属钛在酸性介质还是碱性介质中更易发生氢脆？

（宏观辨识与微观探析）

[提示]　酸性介质。

[问题2]　怎样防止金属态发生氢脆腐蚀？

（宏观辨识与微观探析）

[提示]　钛材料在大气中氧化处理能有效防止吸氢。

1．下列有关金属腐蚀的说法中正确的是（　　）

A．金属腐蚀指不纯金属与接触到的电解质溶液进行化学反应而损耗的过程

B．电化学腐蚀指在外加电流的作用下不纯金属发生化学反应而损耗的过程

C．钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀，负极吸收氧气，产物最终转化为铁锈

D．金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同，但电化学腐蚀伴有电流产生

D　[金属腐蚀的本质，主要是金属原子失电子被氧化，腐蚀的内因是金属的化学性质比较活泼，外因是金属与空气、水和其他腐蚀性的物质接触，腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀，所以A错误；电化学腐蚀指不纯金属与电解质溶液接触时发生原电池反应而损耗的过程，不需要外加电流，所以B错误；钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀，正极吸收氧气，而不是负极吸收氧气，所以C错误。

]

2．下列叙述错误的是（　　）

A．原电池工作时的负极发生氧化反应　

B．在镀件上电镀锌，用锌作阳极　

C．钢铁发生吸氧腐蚀时，表面水膜的pH增大　

D．电解精炼铜时，同一时间内阳极溶解铜的质量与阴极析出铜的质量一样多

D　[原电池工作时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，A正确；依据电镀原理可知，镀层金属做阳极，在镀件上电镀锌，则锌作阳极，B正确；钢铁表面发生吸氧腐蚀时，正极上的电极反应式为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，即钢铁表面水膜的pH增大，C正确；电解精炼铜时，因为粗铜含有杂质，所以开始通电一段时间后，阳极溶解的铜的质量比阴极析出的铜的质量少，D错误。

]

3．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．d为石墨，铁片腐蚀加快

B．d为石墨，石墨上电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．d为锌块，铁片不易被腐蚀

D．d为锌块，铁片上电极反应为2H＋＋2e－===H2↑

D　[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，比没有形成原电池时的速率快，正确；B项，d为石墨，由于是中性电解质，所以发生的是吸氧腐蚀，石墨上氧气得到电子，发生还原反应，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，正确；C项，若d为锌块，则由于金属活动性：

Zn>Fe，Zn为原电池的负极，Fe为正极，首先被腐蚀的是Zn，铁得到保护，铁片不易被腐蚀，正确；D项，d为锌块，由于电解质为中性环境，发生的是吸氧腐蚀，在铁片上电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，错误。

]

4．如图为模拟铁生锈的实验。

铁粉中均匀混有少量炭粉，撒入内壁已分别用氯化钠溶液和稀醋酸润湿过的甲、乙两个具支试管中，打开止水夹片刻后，下列有关该实验的说法合理的是（　　）

甲　　　　　　乙

A．甲装置导管口有气泡，乙装置导管内出现一段液柱

B．甲装置中发生的电化学腐蚀主要是析氢腐蚀

C．乙装置中发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀

D．乙装置导管口有气泡冒出

D　[甲图中的电解质溶液呈中性，所以发生的是吸氧腐蚀，A、B两项均错；乙图中的电解质溶液呈酸性，发生的是析氢腐蚀，有气体产生，C项错，D项正确。

]

5．如图所示，水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天后观察：

（1）铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于________腐蚀（填“化学”或“电化学”）。

（2）若试管内液面上升，则原溶液呈__________性，发生________腐蚀，电极反应式分别为负极：

______________；正极：

__________________。

（3）若试管内液面下降，则原溶液呈__________性，发生________腐蚀，电极反应式分别为负极___________；正极：

_______________。

[解析]　根据原电池的构成条件：

有两种不同的材料（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。

根据金属腐蚀的条件原理及结果可知：

试管内液面上升，说明是试管内压强减小，试管内气体被吸收所致，是铁钉吸氧腐蚀的结果，据此写出电极反应式；试管内液面下降，说明是试管内气体压强变大，试管内产生了新气体所致，是铁钉析氢腐蚀的结果，据此写出电极反应式。

[答案]　

（1）电化学

（2）弱酸性或中　吸氧　2Fe－4e－===2Fe2＋　O2＋4e－＋2H2O===4OH－

（3）较强的酸　析氢　Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑