高中化学第四章电化学基础第四节金属的电化学腐蚀与防护学案新人教版.docx

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高中化学第四章电化学基础第四节金属的电化学腐蚀与防护学案新人教版

第四章电化学基础第四节金属的电化学腐蚀与防护

[目标导航]　1.认识金属腐蚀的危害，能解释金属发生电化学腐蚀的原因。

2.能正确书写析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式和总反应式。

3.掌握金属腐蚀的防护方法。

一、金属的腐蚀

1．概念

金属或合金与周围接触到的气体或液体物质发生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程。

2．本质

金属原子失去电子变为阳离子，金属发生氧化反应。

3．分类

（1）化学腐蚀：

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

（2）电化学腐蚀：

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

4．钢铁的电化学腐蚀

（1）钢铁的电化学腐蚀的分类：

电化学腐蚀

（2）钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较：

析氢腐蚀

吸氧腐蚀

图形描述

钢铁的析氢腐蚀示意图

钢铁的吸氧腐蚀示意图

条件

水膜酸性较强

水膜呈中性或酸性很弱

电极反应

负极

Fe－2e－===Fe2＋

2Fe－4e－===2Fe2＋

正极C

2H＋＋2e－===H2↑

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

总反应

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2

【合作探究】

1．影响金属腐蚀的因素有哪些？

答案　影响金属腐蚀的因素包括金属的本性和介质两个方面。

就金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。

介质对金属的腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。

2．铁制品在潮湿的环境中比在干燥的环境中容易生锈，为什么？

答案　铁制品中含有杂质碳，在潮湿的环境中构成原电池，加快了铁被氧化的反应速率。

3．判断下列腐蚀的类型（在括号内填“化学腐蚀”、“吸氧腐蚀”或“析氢腐蚀”）。

（1）通Cl2的铁制管道被腐蚀（化学腐蚀）

（2）浸泡食盐水的铁钉被腐蚀（吸氧腐蚀）

（3）用铝制饭盒盛放醋酸，一段时间后，饭盒被腐蚀（化学腐蚀）

（4）将铁钉放在NH4Cl溶液中，铁被腐蚀（析氢腐蚀）

4．写出钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀生成铁锈的原理。

答案　铁锈的形成

负极：

2Fe－4e－===2Fe2＋

正极：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3

2Fe（OH）3===Fe2O3·xH2O（铁锈）＋（3－x）H2O

二、金属的防护

1．金属的电化学防护

（1）牺牲阳极的阴极保护法：

应用原电池原理，让被保护金属作正极，另外一种活泼性较强的金属作负极。

如图所示：

（2）外加电流的阴极保护法：

利用电解原理，把被保护的钢铁设备作为阴极，用惰性电极作为辅助阳极，在电解质溶液里，接外加直流电源。

如图所示：

2．改变金属的内部组织结构

制成防腐合金。

如不锈钢。

3．加保护层

如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或使其钝化等。

【合作探究】

1．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”

（1）在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质，能够减缓金属的腐蚀（√）

（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，能够减缓金属的腐蚀（√）

（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）把铬、镍等加入普通钢里制成不锈钢，就大大地增加了钢铁对各种侵蚀的抵抗力（√）

（5）给铁件通入直流电，把铁件与电池负极相连接以防止铁腐蚀（√）

（6）制成合金后均比纯金属耐腐蚀（×）

2．在铁的表面镀上一层其他金属是常见的防止铁生锈的方法，常见的有镀锡（马口铁）和镀锌（白铁皮），为什么镀层破损后，镀锌钢板（白铁皮）比镀锡钢板（马口铁）耐腐蚀？

答案　镀层破损后，白铁皮形成原电池时，因为锌比铁活泼，易失去电子，从而保护了铁；而马口铁破损后形成原电池时，因为铁比锡活泼，铁被腐蚀。

所以在镀层破损后，马口铁比白铁皮更易被腐蚀。

一、腐蚀类型的判断

【例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

答案　D

解析　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。

【归纳总结】　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

金属跟非金属单质直接接触

不纯金属或合金跟电解质溶液接触

现象

无电流产生

有微弱电流产生

本质

金属被氧化

较活泼金属被氧化

联系

两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍

变式训练1　利用下图装置进行实验，开始时，a、b两处液面相平，密封好，放置一段时间。

下列说法不正确的是（　　）

A．a管发生吸氧腐蚀，b管发生析氢腐蚀

B．一段时间后，a管液面高于b管液面

C．a处溶液的pH增大，b处溶液的pH减小

D．a、b两处具有相同的电极反应式：

Fe－2e－===Fe2＋

答案　C

解析　根据装置图判断，左边铁丝发生吸氧腐蚀，右边铁丝发生析氢腐蚀，其电极反应为

左边　负极：

Fe－2e－===Fe2＋

正极：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

右边　负极：

Fe－2e－===Fe2＋

正极：

2H＋＋2e－===H2↑

a、b处的pH均增大，C错误。

二、金属腐蚀快慢的判断方法

【例2】　一根铁丝插入煮沸过的蒸馏水中，铁丝上有三点：

A（水面以下）、B（水面）、C（水面以上）。

问：

（1）A、B、C三点哪点腐蚀最快？

（2）若向蒸馏水中加入少量食盐，B处的腐蚀速率将如何变化？

（3）若将蒸馏水换成：

①0.1mol·L－1H2SO4溶液；②1mol·L－1H2SO4溶液；③18.4mol·L－1H2SO4溶液。

则A处腐蚀由快到慢的顺序是________。

解析　

（1）根据题意可知：

A在煮沸的蒸馏水内部，因缺少O2，很难形成电解质溶液，几乎不腐蚀。

B在水面处，发生了电化学腐蚀。

C在水面以上，与O2接触，发生化学腐蚀，根据同一种物质，发生电化学腐蚀与化学腐蚀的对比可知B处铁丝的腐蚀比C处的快。

（2）蒸馏水中加入少量食盐（强电解质），构成了原电池，B点腐蚀速率远大于以前。

（3）①②硫酸为稀硫酸，但是①中硫酸的浓度小于②中硫酸的浓度，铁丝在②中的腐蚀速率比①中的快，③中18.4mol·L－1的硫酸（98%）是浓硫酸，铁很快发生了钝化几乎不腐蚀。

答案　

（1）B点腐蚀最快　

（2）B处腐蚀的速率将加快

（3）②＞①＞③

【方法归纳】

（1）不纯的金属或合金，在潮湿空气中形成原电池发生电化学腐蚀，活泼金属因被腐蚀而损耗。

（2）金属的腐蚀与所接触到的电解质强弱有关：

强电解质溶液中金属腐蚀的速率＞弱电解质溶液中金属腐蚀的速率＞非电解质溶液中金属腐蚀的速率。

（3）对于同一种电解质溶液来说，在一定浓度范围内，电解质溶液浓度越大，金属的腐蚀越快。

变式训练2　如图所示，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．④②①③B．②①③④

C．④②③①D．③②④①

答案　A

解析　④中Fe作阳极，腐蚀最快。

③中Fe作正极，被保护，腐蚀慢。

②中Fe作负极，被腐蚀。

1．下列叙述中不正确的是（　　）

A．金属的电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍

B．钢铁在干燥空气中不易被腐蚀

C．用铝质铆钉铆接铁板，铁板不易被腐蚀

D．原电池中电子由正极流入负极

答案　D

2.

近年来，我国南方大面积持续降雪使得融雪剂需求量大。

“化冰盐”氯盐类（氯化钠、氯化钙等）融雪剂，对钢轨设施的腐蚀如图所示。

下列有关说法中不正确的是（　　）

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．此过程为吸氧腐蚀原理

D．此过程中电子从Fe移向C

答案　A

解析　从图示中已清楚看出是吸氧腐蚀。

A项错误，此为析氢腐蚀的正极反应式，一般发生在酸性较强的环境中，在中性或碱性环境中一般以吸氧腐蚀为主；B项正确，这是电池反应的后继反应；C项正确，图中已标示出O2的进入；D项正确，电子从原电池的负极出发流向正极。

3．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＋

答案　B

解析　钢管连电源正极，则作阳极，易腐蚀；铜管与钢管堆放，钢管作负极，易腐蚀。

4．如图装置中，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，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式是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

5．钢铁工业是国家工业的基础，请回答钢铁腐蚀与防护过程中的有关问题。

（1）生产中可用盐酸来除铁锈。

现将一生锈的铁片放入盐酸中，当铁锈被除尽后，溶液中发生的化合反应的化学方程式是____________________________________________________。

（2）下列装置可防止铁棒被腐蚀的是________。

（3）在实际生产中，可在铁件的表面镀铜防止铁被腐蚀，装置示意图如右图。

①A电极对应的金属是________（写元素名称），B电极的电极反应式是

________________________________________________________________________。

②若电镀前铁、铜两片金属质量相同，电镀完成后将它们取出洗净、烘干、称量，二者质量差为5.12g，则电镀时电路中通过的电子为________mol。

③镀层破损后，镀铜铁比镀锌铁更容易被腐蚀，请简要说明原因：

___________________________________________________________________。

答案　

（1）2FeCl3＋Fe===3FeCl2　

（2）BD　（3）①铜　Cu2＋＋2e－===Cu　②0.08　③铁比铜活泼，镀层破坏后，在潮湿环境中形成原电池，铁为负极，加速铁的腐蚀

[基础过关]

一、金属的腐蚀

1．关于金属腐蚀的叙述中，正确的是（　　）

A．金属被腐蚀的本质是M＋nH2O===M（OH）n＋

H2↑

B．马口铁（镀锡铁）镀层破损后被腐蚀时，首先是镀层被氧化

C．金属在一般情况下发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀

D．常温下，置于空气中的金属主要发生化学腐蚀

答案　C

解析　A中金属腐蚀的本质应包括化学腐蚀和电化学腐蚀，为M－ne－===Mn＋；B选项中Sn、Fe构成电化学腐蚀，主要是Fe－2e－===Fe2＋，铁先被腐蚀；常温下，空气中的金属主要发生电化学腐蚀中的吸氧腐蚀，难以和非金属氧化剂（Cl2、S）等反应发生化学腐蚀。

2．下列事实与电化学腐蚀无关的是（　　）

A．光亮的自行车钢圈不易生锈

B．黄铜（CuZn合金）制的铜锣不易生锈

C．铜、铝电线一般不连接起来作导线

D．生铁比熟铁（几乎是纯铁）容易生锈

答案　A

解析　B、C、D项均与原电池有关，能用电化学知识来解释，故选A。

3．出土的锡青铜（铜锡合金）文物常有Cu2（OH）3Cl覆盖在其表面。

下列说法不正确的是（　　）

A．锡青铜的熔点比纯铜低

B．在自然环境中，锡青铜中的锡可对铜起保护作用

C．锡青铜文物在潮湿环境中的腐蚀比干燥环境中快

D．生成Cu2（OH）3Cl覆盖物是电化学腐蚀过程，但不是化学反应过程

答案　D

解析　锡青铜是合金，合金的熔点比任何一种纯金属的熔点都低，一般合金的硬度比任何一种纯金属的硬度都大，可判断A对；由于锡比铜活泼，故在发生电化学腐蚀时，锡失电子保护铜，B正确；潮湿的环境将会加快金属的腐蚀，C正确；电化学腐蚀过程实质是金属失去电子生成金属阳离子，有电子的转移，属于化学反应过程，D错。

二、铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀

4．下列关于钢铁的析氢腐蚀的说法中正确的是（　　）

A．铁为正极

B．碳为正极

C．溶液中氢离子浓度不变

D．析氢腐蚀在任何溶液中都会发生

答案　B

5．在铁的吸氧腐蚀过程中，下列5种变化可能发生的是（　　）

①Fe由＋2价转化成＋3价　②O2被还原　③产生H2

④Fe（OH）3失水形成Fe2O3·xH2O　⑤杂质C被氧化除去

A．①②④B．③④

C．①②③④D．①②③④⑤

答案　A

6．钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2。

以下说法正确的是（　　）

A．负极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋

B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e－===4OH－

C．原电池是将电能转变为化学能的装置

D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀

答案　A

7．如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有pH＝4的雨水和生铁片。

观察到：

开始导管内液面下降，一段时间后导管内液面回升，略高于小试管液面。

以下有关解释合理的是（　　）

A．生铁片中的碳是原电池的负极，发生还原反应

B．雨水酸性较强，生铁片仅发生析氢腐蚀

C．墨水回升时，碳极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．具支试管中溶液pH逐渐减小

答案　C

解析　生铁片中的碳是原电池的正极，A错误；雨水酸性较强，开始时铁片发生析氢腐蚀，产生氢气，导管内液面下降，一段时间后铁片发生吸氧腐蚀，吸收氧气，导管内液面回升，B错误；墨水回升时，铁片发生吸氧腐蚀，碳极为正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===

4OH－，C正确；铁片无论是发生析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，具支试管内溶液pH均增大，D错误。

三、金属的防护方法

8．下列金属的防护方法不正确的是（　　）

A．对健身器材涂油漆以防止生锈

B．对某些工具的“机械转动部位”选用刷油漆的方法来防锈

C．用牺牲锌块的方法来保护船体

D．自行车的钢圈上镀上一层铬防锈

答案　B

9．下列举措不能防止或减缓钢铁腐蚀的是（　　）

A．在钢铁制品表面镀一层金属锌

B．将钢铁制品放置在潮湿处

C．在钢铁中加入锰、铬等金属，以改变钢铁结构

D．将钢铁制品与电源负极相连

答案　B

10．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．在排放海水的钢铁闸门上用导线连接一块石墨，一同浸入海水中

C．在海轮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作负极，加速钢铁腐蚀；D中铸铁管作阳极，加速腐蚀；C中锌比铁活泼，铁作正极。

[能力提升]

11．铁是用途最广的金属材料之一，但生铁易生锈。

请讨论电化学实验中有关铁的性质。

（1）①某原电池装置如上图所示，右侧烧杯中的电极反应式为______________，左侧烧杯中的c（Cl－）________（填“增大”、“减小”或“不变”）。

②已知下图甲、乙两池的总反应式均为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，且在同侧电极（指均在“左电极”或“右电极”）产生H2。

请在两池上标出电极材料（填“Fe”或“C”）。

（2）装置丙中，易生锈的是______（填“a”或“b”）点。

装置丁中可观察到的实验现象是________________________________________________________________________。

答案　

（1）①2H＋＋2e－===H2↑　增大

②甲池中：

左——Fe，右——C

乙池中：

左——Fe，右——C

（2）a　铁屑表面生成红棕色锈斑，试管内液面上升

解析　

（1）①电池反应中Fe作负极，石墨棒作正极，右侧电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。

由于平衡电荷的需要，盐桥中的Cl－向负极迁移，故NaCl溶液中c（Cl－）增大。

②装置乙是电解装置，阴极（右侧）产生H2，同时根据总反应式可知Fe只能作阳极（左侧）。

由已知条件知，在装置甲中，Fe作原电池的负极，在左侧，C作原电池的正极，在右侧。

（2）装置丙中由于a点既与电解液接触，又与空气接触，故易生锈。

装置丁中铁屑发生吸氧腐蚀，负极：

Fe－2e－===Fe2＋，正极：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－，生成的离子继续反应：

Fe2＋＋2OH－===Fe（OH）2↓，4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，2Fe（OH）3===Fe2O3·xH2O＋（3－x）H2O，由整个反应来看，最终铁屑表面会生成红棕色的铁锈，由于反应消耗氧气，因此试管内液面上升。

[拓展探究]

12．某研究小组对铁生锈进行研究。

（1）甲同学设计了A、B、C一组实验（如上图），探究铁生锈的条件。

经过较长时间后，甲同学观察到的现象是A中铁钉生锈；B中铁钉不生锈；C中铁钉不生锈。

①通过上述实验现象分析，可得出铁生锈的外部条件是

________________________________________________________________________。

②铁钉发生电化学腐蚀的正极电极反应式为________________________________________

________________________________________________________________________。

③实验B所用的水要经过____________________处理。

植物油的作用是________________________________________________________________________。

④实验C中碱石灰的作用是______________________________________________________。

（2）乙同学为了达到同样目的，设计了实验D（如图），发现一段时间后，试管中的液面升高，其原因是________，

该实验__________（填“能”或“不能”）说明水对铁钉生锈产生影响。

答案　

（1）①有水（或电解质溶液）和氧气（或空气）

②O2＋4e－＋2H2O===4OH－

③煮沸（或“除去氧气”）　隔绝空气（或“防止氧气与铁接触”）

④吸收水蒸气（或“干燥”、“保持试管内干燥环境”）

（2）铁的腐蚀要吸收氧气（或“氧气参与反应”、“消耗了氧气”）使气体体积减小　不能

13．对金属制品进行抗腐蚀处理，可延长其使用寿命。

（1）以下为铝材表面处理的一种方法：

①碱洗的目的是除去铝材表面的自然氧化膜，碱洗时常有气泡冒出，原因是________________________________________________________________________

（用离子方程式表示）。

为将碱洗槽液中的铝以沉淀形式回收，最好向槽液中加入下列试剂中的________。

a．NH3b．CO2c．NaOHd．HNO3

②以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应式为________________________________________________________________________。

取少量废电解液，加入NaHCO3溶液后产生气泡和白色沉淀，产生沉淀的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）镀铜可防止铁制品腐蚀，电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是________________________________________________________________________。

（3）

利用如图装置，可以模拟铁的电化学防护。

若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应置于________处。

若X为锌，开关K置于M处，该电化学防护法称为________。

答案　

（1）①2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO

＋3H2↑　b　②2Al＋

3H2O－6e－===Al2O3＋6H＋　HCO

与H＋反应使H＋浓度减小，使Al3＋的水解平衡向右移动，产生Al（OH）3沉淀

（2）补充溶液中的Cu2＋，保持溶液中Cu2＋的浓度恒定

（3）N　牺牲阳极的阴极保护法