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1.4 金屬的腐蝕與防護(hù) 學(xué)案(含答案) 2023-2024學(xué)年高二化學(xué)魯科版(2019)選擇性必修1

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1.4 金屬的腐蝕與防護(hù) 學(xué)案(含答案) 2023-2024學(xué)年高二化學(xué)魯科版(2019)選擇性必修1

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1.4 金屬的腐蝕與防護(hù)
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了解金屬腐蝕的種類,知道金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因,培養(yǎng)動(dòng)手操作能力和根據(jù)所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
2.通過(guò)了解金屬發(fā)生腐蝕的原因及現(xiàn)代的防腐措施,認(rèn)識(shí)金屬腐蝕的危害,知道防止金屬腐蝕的方法。
3.通過(guò)交流與討論,了解電化學(xué)腐蝕原理的應(yīng)用,感受化學(xué)對(duì)人類生產(chǎn)和生活的影響。
【自主預(yù)習(xí)】
一、金屬電化學(xué)腐蝕的原理
1.金屬腐蝕的定義和分類
2.根據(jù)與金屬接觸的氣體或液體不同,金屬腐蝕可分為兩類
(1)化學(xué)腐蝕:金屬與其表面接觸的一些物質(zhì)(如O2、Cl2、SO2等)直接    而引起的腐蝕。腐蝕的速率隨溫度升高而增大。
(2)電化學(xué)腐蝕:當(dāng)不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)會(huì)發(fā)生    反應(yīng),比較活潑的金屬發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕。
3.鋼鐵的電化學(xué)腐蝕
析氫腐蝕 吸氧腐蝕
圖形描述
條件 水膜酸性較    水膜酸性很    或呈    性
負(fù)極 Fe-2e-Fe2+
正極              
總反應(yīng)                  
后續(xù)反應(yīng) 最終生成鐵銹(主要成分為Fe2O3·nH2O),反應(yīng)為4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,2Fe(OH)3Fe2O3·nH2O+(3-n)H2O
聯(lián)系 通常兩種腐蝕同時(shí)存在,但后者更普遍
二、金屬腐蝕的防護(hù)
1.改變金屬材料的組成
在金屬中添加其他金屬或非金屬制成性能優(yōu)異的合金。如普通鋼加入鎳、鉻制成不銹鋼,鈦合金不僅具有優(yōu)異的抗腐蝕性能且具有良好的生物相容性。
2.在金屬表面覆蓋保護(hù)層
在金屬表面覆蓋致密的保護(hù)層,將金屬制品與周圍物質(zhì)隔開(kāi)是一種普遍采用的防護(hù)方法。如:在鋼鐵制品表面噴油漆,涂礦物性油脂,覆蓋搪瓷等;電鍍鋅、錫、鉻、鎳等,利用化學(xué)方法、離子注入法、表面滲鍍等方式在金屬表面形成穩(wěn)定的鈍化膜。
3.電化學(xué)保護(hù)法
金屬在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí),總是作為原電池負(fù)極(陽(yáng)極)的金屬被腐蝕,作為正極(陰極)的金屬不被腐蝕,如果能使被保護(hù)的金屬成為陰極,該金屬就不易被腐蝕。
(1)犧牲陽(yáng)極保護(hù)法
原理:    原理。
要求:被保護(hù)的金屬作     極,活潑性更強(qiáng)的金屬作     極。
應(yīng)用:鍋爐內(nèi)壁、船舶外殼、鋼鐵閘門(mén)安裝鎂合金或鋅塊。
(2)陰極電保護(hù)法(外加電流陰極保護(hù)法)
原理:電解池原理。
要求:被保護(hù)的金屬作為    極,與電源的    極相連。
應(yīng)用:鋼鐵閘門(mén)、高壓線鐵架、地下管道連接直流電源的負(fù)極。
三、電化學(xué)腐蝕原理的應(yīng)用
1.鐵腐蝕原理的應(yīng)用
(1)測(cè)定空氣中氧氣的含量;
(2)食品包裝袋中以鐵粉為主要成分的雙吸劑,延長(zhǎng)食物的保質(zhì)期;
(3)制成一次性保暖貼,使用后其主要成分為    、氯化鈉固體、    以及含鎂、鋁的鹽。
2.微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水
電極產(chǎn)物活性強(qiáng)發(fā)生氧化還原反應(yīng)去除污染
【參考答案】一、1.氧化還原 氧化 吸氧 析氫 2.反應(yīng)
原電池 3.強(qiáng) 弱 中 2H++2e-H2↑
O2+4e-+2H2O4OH-
Fe+2H+Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2
二、3.(1)原電池 正 負(fù) (2)陰 負(fù)
三、1.炭粉 三氧化二鐵固體
【效果檢測(cè)】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”)。
(1)金屬被腐蝕的本質(zhì)是M+nH2OM(OH)n+H2↑。(  )
(2)馬口鐵(鍍錫鐵)鍍層破損后,首先是鍍層被氧化。 (  )
(3)金屬在一般情況下發(fā)生的電化學(xué)腐蝕主要是吸氧腐蝕。 (  )
(4)常溫下,置于空氣中的金屬主要發(fā)生化學(xué)腐蝕。 (  )
(5)鋼鐵發(fā)生析氫腐蝕和吸氧腐蝕的正極反應(yīng)相同。 (  )
【答案】(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)×
2.鐵的腐蝕以哪種類型為主 為什么
【答案】因?yàn)殇撹F通常所處的外部環(huán)境干燥程度較低,氧氣的存在又比較廣泛,且原電池反應(yīng)比一般的氧化還原反應(yīng)速率大,所以鋼鐵主要是發(fā)生電化學(xué)腐蝕,其次為化學(xué)腐蝕,又因?yàn)殇撹F表面一般不會(huì)遇到酸性較強(qiáng)的溶液,故吸氧腐蝕是鋼鐵腐蝕的主要形式。
3.金屬電化學(xué)防護(hù)的方法有哪些 哪一個(gè)效果更好
【答案】犧牲陽(yáng)極保護(hù)法(原電池原理);陰極電保護(hù)法(電解池原理)。陰極電保護(hù)法的保護(hù)效果大于犧牲陽(yáng)極保護(hù)法。
【合作探究】
任務(wù)1:金屬的電化學(xué)腐蝕
情境導(dǎo)入 我國(guó)是世界上鋼鐵產(chǎn)量最多的國(guó)家,因?yàn)榻饘俑g而造成的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)因自然災(zāi)害和各類事故造成的經(jīng)濟(jì)損失的總和。生鐵在干燥的空氣中不易被腐蝕,但在潮濕的空氣中卻很快被腐蝕,在海水邊被腐蝕得更快,且生鐵比純鐵更易被腐蝕。
【實(shí)驗(yàn)探究】
(1)實(shí)驗(yàn)探究金屬腐蝕的兩種類型
①完成下列實(shí)驗(yàn),并填寫(xiě)下列實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
實(shí)驗(yàn)步驟 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 解釋(用化學(xué)用語(yǔ)表示)
a.向盛有鐵粉的試管中加入適量的稀硫酸
b.反應(yīng)片刻后,再向上述試管中加入少量銅
②上述實(shí)驗(yàn)中金屬都發(fā)生了腐蝕,步驟a發(fā)生了化學(xué)腐蝕,步驟b發(fā)生了電化學(xué)腐蝕。請(qǐng)你通過(guò)完成下表,加深對(duì)兩種腐蝕的認(rèn)識(shí)。
化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕
條件
是否發(fā)生原電池反應(yīng)
是否有電流產(chǎn)生
本質(zhì)
  【答案】①a.有氣泡產(chǎn)生,溶液逐漸變淺綠色 Fe+H2SO4FeSO4+H2↑ b.氣泡產(chǎn)生的速率加快 構(gòu)成原電池,反應(yīng)速率加快,負(fù)極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+,正極反應(yīng)為2H++2e-H2↑
  ②
與外界物質(zhì)直接接觸反應(yīng) 不純金屬或合金在潮濕的空氣環(huán)境中
否 是
無(wú) 有
金屬失電子,被氧化
(2)生鐵在干燥的空氣中不易被腐蝕,但在潮濕的空氣中卻很快被腐蝕,為什么 為什么生鐵比純鐵更易被腐蝕
【答案】在潮濕的空氣里,鐵表面凝結(jié)一層水膜,空氣中的O2、CO2溶解到水膜中形成了電解質(zhì)溶液,它與生鐵中的鐵和少量的碳構(gòu)成無(wú)數(shù)微小的原電池,發(fā)生電化學(xué)腐蝕。因?yàn)樯F中含有雜質(zhì)碳。
(3)實(shí)驗(yàn)探究金屬電化學(xué)腐蝕的兩種類型
向鐵粉中加入少量的炭粉,混合均勻后,撒入內(nèi)壁分別用氯化鈉溶液(甲)和稀醋酸(乙)潤(rùn)濕過(guò)的兩支具支試管中,按如圖所示分別連接好儀器。幾分鐘后,打開(kāi)止水夾,觀察現(xiàn)象。
①完成下列實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 解釋 電極反應(yīng) 腐蝕類型


②分析比較鋼鐵吸氧腐蝕與析氫腐蝕的不同,完成下表。
吸氧腐蝕 析氫腐蝕
電解質(zhì)溶液
電極材料
得電子微粒
電極反應(yīng)
  【答案】①甲:導(dǎo)管中的液面上升 由于盛鐵粉的具支試管中不斷消耗O2而使具支試管中壓強(qiáng)減小,從而引起倒吸 負(fù)極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+,正極反應(yīng)為2H2O+O2+4e-4OH- 吸氧腐蝕
乙:導(dǎo)管口有氣泡產(chǎn)生 具支試管中有氣體生成 負(fù)極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+,正極反應(yīng)為2H++2e-H2↑ 析氫腐蝕

中性或弱酸性 較強(qiáng)的酸性
負(fù)極為鐵,正極為碳 負(fù)極為鐵,正極為碳
O2 H+
負(fù)極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+, 正極反應(yīng)為2H2O+O2+4e-4OH- 負(fù)極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+, 正極反應(yīng)為2H++2e-H2↑
(4)實(shí)驗(yàn)探究鐵銹蝕的影響因素
為研究鐵銹蝕的影響因素,某同學(xué)做了如下探究實(shí)驗(yàn):
序號(hào) 內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
1 常溫下將鐵絲放在干燥的空氣中一個(gè)月 干燥的鐵絲表面依然光亮
2 常溫下將鐵絲放在潮濕的空氣中一小時(shí) 鐵絲表面依然光亮
3 常溫下將鐵絲放在潮濕的空氣中一個(gè)月 鐵絲表面已變得灰暗
4 將潮濕的鐵絲放在常溫的氧氣流中一小時(shí) 鐵絲表面略顯灰暗
5 將潮濕的鐵絲放在高于常溫的氧氣流中一小時(shí) 鐵絲表面已變得灰暗
6 將浸過(guò)氯化鈉溶液的鐵絲放在高于常溫的氧氣流中一小時(shí) 鐵絲表面灰暗程度比實(shí)驗(yàn)5嚴(yán)重
①上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了電化學(xué)腐蝕的是      (填實(shí)驗(yàn)序號(hào));在電化學(xué)腐蝕中,負(fù)極的電極反應(yīng)是        ,正極的電極反應(yīng)是  。
②由該實(shí)驗(yàn)可知,可以影響鐵銹蝕速率的因素是  。
③為防止鐵的銹蝕,工業(yè)上普遍采用的方法是  。
【答案】①3、4、5、6 Fe-2e-Fe2+ 2H2O+O2+4e-4OH-
②濕度、溫度、O2的濃度、電解質(zhì)的存在
③電鍍、烤藍(lán)、覆蓋保護(hù)層等合理方法
【核心歸納】
1.化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的比較
類型 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕
發(fā)生條件 金屬與接觸到的物質(zhì)直接反應(yīng) 不純金屬或合金與接觸到的電解質(zhì)溶液發(fā)生原電池反應(yīng)
共同點(diǎn) M-ne-Mn+
是否構(gòu)成原電池 無(wú)原電池構(gòu)成 由無(wú)數(shù)微小原電池構(gòu)成
實(shí)質(zhì) 金屬被腐蝕 較活潑金屬被腐蝕
有無(wú)電流 無(wú)電流產(chǎn)生 有電流產(chǎn)生
聯(lián)系 兩者往往同時(shí)發(fā)生,電化學(xué)腐蝕更普遍,危害更大,且電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕更快
2.析氫腐蝕與吸氧腐蝕的“三同”“三不同”
(1)析氫腐蝕與吸氧腐蝕的“三同”
①負(fù)極相同:均為Fe,電極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+。
②正極材料相同:均為碳。
③最終產(chǎn)物相同:最終都形成鐵銹,主要成分為Fe2O3·nH2O。
(2)析氫腐蝕與吸氧腐蝕的“三不同”
①條件不同:酸性較強(qiáng)時(shí)發(fā)生析氫腐蝕,否則為吸氧腐蝕。
②正極反應(yīng)不同:2H++2e-H2↑(析氫)
O2+4e-+2H2O4OH-(吸氧)
③電池總反應(yīng)不同:
Fe+2H+Fe2++H2↑(析氫)
2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2(吸氧)
【典型例題】
【例1】鋼鐵腐蝕有如下兩種情況,下列說(shuō)法正確的是(  )。
A.碳表面發(fā)生氧化反應(yīng)
B.鋼鐵被腐蝕的最終產(chǎn)物為FeO
C.生活中鋼鐵制品的腐蝕以圖①所示為主
D.圖②中,正極反應(yīng)為O2+4e-+2H2O4OH-
【答案】D
【解析】結(jié)合圖示可知①為析氫腐蝕,②為吸氧腐蝕,兩種腐蝕中Fe均作負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),碳均作正極發(fā)生還原反應(yīng),A項(xiàng)錯(cuò)誤;鋼鐵被腐蝕后最終轉(zhuǎn)化為鐵銹,其主要成分是Fe2O3·nH2O,B項(xiàng)錯(cuò)誤;生活中鋼鐵制品的腐蝕以圖②的吸氧腐蝕為主,C項(xiàng)錯(cuò)誤;圖②中正極上O2被還原,轉(zhuǎn)化為OH-,D項(xiàng)正確。
【例2】生活中處處有化學(xué),下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(  )。
Ⅰ Ⅱ
現(xiàn)象 切過(guò)咸菜的刀不及時(shí)清洗,不久便會(huì)因被腐蝕而出現(xiàn)銹斑 深埋在潮濕土壤中的供水鐵管道,在硫酸鹽還原菌作用下出現(xiàn)漏水
原理圖
A.Ⅰ和Ⅱ發(fā)生的都是吸氧腐蝕
B.Ⅰ和Ⅱ中Fe都為負(fù)極,電極反應(yīng)是Fe-3e-Fe3+
C.輸送暖氣的鐵管道極易發(fā)生Ⅱ中的腐蝕
D.Ⅰ中銹斑的主要成分是Fe2O3·nH2O
【答案】D
【解析】Ⅱ中在還原菌作用下硫酸根離子在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成硫氫根離子,沒(méi)有氧氣參與正極放電,所以Ⅱ發(fā)生的不是發(fā)生吸氧腐蝕,A項(xiàng)錯(cuò)誤;Ⅰ和Ⅱ中鐵都為負(fù)極,鐵失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成亞鐵離子,B項(xiàng)錯(cuò)誤;輸送暖氣的鐵管道暴露在空氣中,極易發(fā)生Ⅰ中的吸氧腐蝕,C項(xiàng)錯(cuò)誤;由圖可知,Ⅰ中發(fā)生的是吸氧腐蝕,銹斑的主要成分是Fe2O3·nH2O,D項(xiàng)正確。
任務(wù)2:金屬腐蝕的防護(hù)
情境導(dǎo)入 人們?cè)谏a(chǎn)、生活中采取了多種防止金屬腐蝕的措施,如對(duì)自行車采取的防護(hù)措施如圖所示。
問(wèn)題生成
1.圖中自行車采取了哪些防護(hù)措施 簡(jiǎn)述其原理。
【答案】(1)在金屬表面覆蓋保護(hù)層:涂機(jī)油、鍍鉻、鍍鋅、烤漆、烤藍(lán)等;這些措施使鋼鐵與空氣、水隔絕,以達(dá)到防止被腐蝕的目的。
(2)制成合金:不銹鋼;通過(guò)改善金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu),達(dá)到防止被腐蝕的目的。
2.在鐵的表面鍍上一層其他金屬是常見(jiàn)的防止鐵生銹的方法,常見(jiàn)的有鍍錫(馬口鐵)和鍍鋅(白鐵皮)。不同金屬鍍層對(duì)金屬的保護(hù)作用一樣嗎 當(dāng)金屬鍍層損壞時(shí),鍍層金屬還能對(duì)鐵起到保護(hù)作用嗎
【答案】當(dāng)金屬鍍層完好時(shí),保護(hù)作用一樣。當(dāng)金屬鍍層損壞時(shí),鍍層金屬與鐵會(huì)形成原電池,馬口鐵中鐵作負(fù)極材料,發(fā)生氧化反應(yīng),使腐蝕加重,不能起到保護(hù)作用;白鐵皮中鐵作正極材料受到保護(hù),能起到保護(hù)作用。
3.電化學(xué)防護(hù)的實(shí)質(zhì)是什么
【答案】電化學(xué)防護(hù)的實(shí)質(zhì)是把被保護(hù)的金屬作原電池的正極或電解池的陰極,不參與電極反應(yīng),從而不被氧化。
【實(shí)驗(yàn)探究】
(1)為了降低水庫(kù)鐵閘門(mén)腐蝕的速率,常在鐵閘門(mén)上鑲嵌一種金屬,如圖,鑲嵌的金屬R可選擇何種材料 這種防護(hù)措施叫什么 簡(jiǎn)述其原理。
【答案】R可選擇鋅塊等比鐵活動(dòng)性強(qiáng)的金屬;犧牲陽(yáng)極保護(hù)法;利用原電池原理,形成原電池時(shí),被保護(hù)的金屬作正極材料(陰極),不反應(yīng)受到保護(hù),活潑金屬作負(fù)極材料(陽(yáng)極),發(fā)生氧化反應(yīng)而損耗。
(2)將水庫(kù)鐵閘門(mén)與直流電源相連也能防止其腐蝕,則鐵閘門(mén)應(yīng)連接直流電源的哪個(gè)電極 這種防護(hù)方法叫什么 利用了什么原理
【答案】鐵閘門(mén)連接直流電源的負(fù)極;陰極電保護(hù)法;電解池原理。
(3)下列燒杯中盛有海水,判斷生鐵在其中腐蝕速率由快到慢的順序。
【答案】④>②>①>③>⑤。
【核心歸納】
金屬腐蝕快慢的判斷
(1)影響金屬腐蝕快慢的因素
①與構(gòu)成微電池的材料有關(guān)。兩極材料的活動(dòng)性差別越大,氧化還原反應(yīng)的速率越快,活潑金屬被腐蝕的速率就越快。
②與金屬所接觸的電解質(zhì)強(qiáng)弱有關(guān)。活潑金屬在電解質(zhì)溶液中的腐蝕快于在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕,在強(qiáng)電解質(zhì)溶液中的腐蝕快于在弱電解質(zhì)溶液中的腐蝕。對(duì)于同一種電解質(zhì)溶液,電解質(zhì)溶液濃度越大,腐蝕越快。
(2)判斷原則
①對(duì)同一種金屬來(lái)說(shuō),腐蝕的快慢:強(qiáng)電解質(zhì)溶液>弱電解質(zhì)溶液>非電解質(zhì)溶液。
②活潑性不同的金屬,活潑性差別越大,腐蝕越快。
③對(duì)同一種電解質(zhì)溶液來(lái)說(shuō),電解質(zhì)溶液濃度越大,腐蝕越快。
④在不同條件下金屬腐蝕的快慢比較:電解原理引起的腐蝕>原電池原理引起的腐蝕>化學(xué)腐蝕>有防護(hù)措施的腐蝕(原電池原理的防護(hù)>電解原理的防護(hù))。
【典型例題】
【例3】我國(guó)有多條高壓直流電線路的瓷絕緣子出現(xiàn)鐵帽腐蝕現(xiàn)象,在鐵帽上加鋅環(huán)能有效防止鐵帽的腐蝕,防護(hù)原理如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(  )。
A.通電時(shí),鋅環(huán)是陽(yáng)極,發(fā)生氧化反應(yīng)
B.通電時(shí),陰極上的電極反應(yīng)為2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.斷電時(shí),鋅環(huán)上的電極反應(yīng)為Zn2++2e-Zn
D.斷電時(shí),仍能防止鐵帽被腐蝕
【答案】C
【解析】鋅環(huán)與電源的正極相連,為陽(yáng)極,A項(xiàng)正確;斷電時(shí),Zn比鐵活潑,作負(fù)極,電極反應(yīng)為Zn-2e-Zn2+,C項(xiàng)錯(cuò)誤。
【例4】某興趣小組為驗(yàn)證犧牲陽(yáng)極保護(hù)法,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)如下{燒杯內(nèi)均為經(jīng)過(guò)酸化的3%NaCl溶液,Fe2+與K3[Fe(CN)6]溶液反應(yīng)產(chǎn)生藍(lán)色沉淀}。
① ②
在Fe表面生成藍(lán)色沉淀 試管內(nèi)無(wú)明顯變化

試管內(nèi)生成藍(lán)色沉淀
下列說(shuō)法不正確的是(  )。
A.對(duì)比②③,可以判定Zn保護(hù)了Fe
B.對(duì)比①②,K3[Fe(CN)6]可能將Fe氧化
C.驗(yàn)證Zn保護(hù)Fe時(shí)不能用①的方法
D.將Zn換成Cu,用①的方法可證明Fe比Cu活潑
【答案】D
【解析】A項(xiàng),對(duì)比②③,②Fe附近的溶液中加入K3[Fe(CN)6] 無(wú)明顯變化,說(shuō)明②Fe附近的溶液中不含F(xiàn)e2+,③Fe附近的溶液中加入K3[Fe(CN)6]產(chǎn)生藍(lán)色沉淀,說(shuō)明③Fe附近的溶液中含F(xiàn)e2+,②中Fe被保護(hù),A項(xiàng)正確;①加入K3[Fe(CN)6] 在Fe表面產(chǎn)生藍(lán)色沉淀,Fe表面產(chǎn)生了Fe2+,
對(duì)比①②的異同,①可能是K3[Fe(CN)6]將Fe氧化成Fe2+,B項(xiàng)正確;對(duì)比①②,①加入K3[Fe(CN)6]在Fe表面產(chǎn)生藍(lán)色沉淀,①也能檢驗(yàn)出Fe2+,不能用①的方法驗(yàn)證Zn保護(hù)Fe,C項(xiàng)正確;由實(shí)驗(yàn)可知K3[Fe(CN)6]可能將Fe氧化成Fe2+,將Zn換成Cu不能用①的方法證明Fe比Cu活潑,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
任務(wù)3:電化學(xué)腐蝕原理的應(yīng)用
情境導(dǎo)入 金屬的電化學(xué)腐蝕原理不僅可用于保護(hù)金屬不被腐蝕,在生活中還有很多應(yīng)用。例如,在食品包裝袋中的雙吸劑可延長(zhǎng)食品保質(zhì)期,利用鐵腐蝕能消耗空氣中的氧氣快速測(cè)定空氣中氧氣的含量,制一次性保暖貼,利用微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水等。
【實(shí)驗(yàn)探究】
(1)鐵粉和炭粉制成的雙吸劑常用于食品保鮮,使用時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。
①雙吸劑所吸收的物質(zhì)主要是什么
②簡(jiǎn)述雙吸劑保鮮的原理。
③雙吸劑使用一段時(shí)間后會(huì)變成紅色,紅色物質(zhì)的主要成分是什么
④請(qǐng)你提出一條延長(zhǎng)食品保質(zhì)期的建議。
【答案】①氧氣和水。
②鐵粉、炭粉、水與氧氣發(fā)生原電池反應(yīng),消耗空氣中的氧氣和水蒸氣,防止食品與氧氣反應(yīng)后變質(zhì),從而達(dá)到防腐保鮮的效果。
③Fe2O3。
④真空包裝等。
(2)利用鐵銹蝕原理測(cè)定空氣中氧氣的含量。
【查閱資料】脫氧劑的主要成分為鐵粉、少量活性炭和少量氯化鈉等。
【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】
①取一個(gè)容積為150 mL的集氣瓶,再取一個(gè)量筒,量取100 mL水。
②在室溫下,將足量的脫氧劑懸吊在橡皮塞反面,再將橡皮塞旋緊在集氣瓶口,然后將導(dǎo)管插入量筒內(nèi)(如圖所示)。
一段時(shí)間后觀察到的現(xiàn)象:           ,這是因?yàn)椤 ?
③當(dāng)量筒內(nèi)水面高度不再變化,且溫度恢復(fù)至室溫時(shí),讀出水面在73 mL刻度處。
【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】該實(shí)驗(yàn)測(cè)得空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)是       。
【反思拓展】本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果與理論值不一致,可能的原因是 
(寫(xiě)兩點(diǎn))。
【答案】②量筒內(nèi)的液面下降,部分水從量筒進(jìn)入集氣瓶 鐵粉銹蝕消耗了集氣瓶?jī)?nèi)的部分氧氣,導(dǎo)致集氣瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)小于外界大氣壓
③18% 脫氧劑中有部分鐵粉在實(shí)驗(yàn)前已被氧化,脫氧劑中內(nèi)層的鐵粉沒(méi)有與氧氣接觸等
(3)一次性保暖貼的主要成分有鐵粉、活性炭、食鹽、水、蛭石(一種鐵鎂質(zhì)鋁硅酸鹽礦物)、吸水性樹(shù)脂等。
①保暖貼在發(fā)熱過(guò)程中,其主要成分分別起什么作用 為什么保暖貼能快速地發(fā)熱
②保暖貼使用的是雙層包裝。外層由不透氣的明膠層制成,內(nèi)層由微孔透氣膜制成,為什么要這樣設(shè)計(jì)
③為什么保暖貼能較持久而又穩(wěn)定地提供熱量
④為什么保暖貼使用后會(huì)變得較硬
【答案】①鐵粉作負(fù)極材料,活性炭作正極材料,食鹽溶于水成為離子導(dǎo)體。氧氣作正極反應(yīng)物,鐵粉作負(fù)極反應(yīng)物,構(gòu)成無(wú)數(shù)個(gè)微小原電池,加快反應(yīng)速率,放出大量熱量。
②因產(chǎn)品在使用前不能發(fā)生反應(yīng),所以外層由不透氣的明膠層制成,阻止與外界氧氣接觸。在使用時(shí)去掉外層,讓內(nèi)層暴露在空氣里,空氣中的氧氣通過(guò)透氣膜進(jìn)入里面,發(fā)生反應(yīng)。
③蛭石作保溫材料,放熱時(shí)間和溫度可通過(guò)透氣膜的透氧速率進(jìn)行控制。
④鐵最終轉(zhuǎn)化為三氧化二鐵,使用后保暖貼中的物質(zhì)主要成分為三氧化二鐵固體、炭粉、氯化鈉固體以及含鎂和鋁的鹽,因而變得較硬。
(4)可利用鐵炭微電解工藝處理含鉻酸性廢水(主要含有Cr2、Cr3+),其中鑄鐵屑作負(fù)極材料,焦炭作正極材料,廢水作離子導(dǎo)體。電極反應(yīng)產(chǎn)物Fe2+能與廢水中的Cr2發(fā)生氧化還原反應(yīng),反應(yīng)后的廢水中仍含有大量的Fe2+,將反應(yīng)后的廢水調(diào)節(jié)至中性,經(jīng)曝氣后生成絮凝性極強(qiáng)的Fe(OH)3,能夠有效吸附廢水中的懸浮物及Cr3+,從而達(dá)到去除水中污染物的目的。
①寫(xiě)出生成Fe2+的電極反應(yīng)。
②寫(xiě)出在酸性條件下Fe2+與Cr2反應(yīng)的離子方程式。
③寫(xiě)出曝氣后生成Fe(OH)3的有關(guān)反應(yīng)。
【答案】①Fe-2e-Fe2+
②Cr2+6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O
③O2+2H2O+4e-4OH-、Fe2++2OH-Fe(OH)2↓、4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3
【核心歸納】
1.保暖貼的發(fā)熱原理
利用原電池反應(yīng)加快氧化反應(yīng)速率,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。
負(fù)極反應(yīng):Fe-2e-Fe2+;正極反應(yīng):O2+2H2O+4e-4OH-;總反應(yīng):2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2,4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,2Fe(OH)3Fe2O3·nH2O+(3-n)H2O,最終生成鐵銹(主要成分為Fe2O3·nH2O)。
使用蛭石作保溫材料。通過(guò)透氣膜的透氧速率控制放熱的溫度和時(shí)間。
2.根據(jù)吸氧腐蝕原理測(cè)定空氣中的氧氣含量,延長(zhǎng)食品保質(zhì)期
可用如圖裝置測(cè)定空氣中的含氧量,樣品中含有炭粉、鐵粉、食鹽和少量水,通過(guò)量筒中水的體積的變化量測(cè)量氧氣的消耗量。
3.微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水
微電解技術(shù)是處理高濃度有機(jī)廢水的一種理想工藝,又稱內(nèi)電解法。它是在不通電的情況下,利用填充在廢水中的微電解材料自身產(chǎn)生電位差對(duì)廢水進(jìn)行電解處理,以達(dá)到降解有機(jī)污染物的目的。當(dāng)系統(tǒng)通水后,設(shè)備內(nèi)會(huì)形成無(wú)數(shù)的微電池系統(tǒng),在其作用空間構(gòu)成一個(gè)電場(chǎng)。在處理過(guò)程中產(chǎn)生的新生態(tài)[H]、Fe2+等能與廢水中的許多組分發(fā)生氧化還原反應(yīng),Fe2+進(jìn)一步被氧化成Fe3+,它們的水合物具有較強(qiáng)的吸附、絮凝活性,特別是在加堿調(diào)pH后生成的氫氧化亞鐵和氫氧化鐵膠體絮凝劑的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般藥劑水解得到的氫氧化鐵膠體,能大量吸附水中分散的微小顆粒、金屬粒子及有機(jī)大分子。其工作原理基于電化學(xué)、氧化-還原、物理吸附以及絮凝沉淀的共同作用對(duì)廢水進(jìn)行處理。該法具有適用范圍廣、處理效果好、成本低廉、操作維護(hù)方便、不需消耗電力資源等優(yōu)點(diǎn)。
【典型例題】
【例5】暖貼的主要成分有鐵粉、水、食鹽、活性炭、吸水性樹(shù)脂等,下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(  )。
A.暖貼工作時(shí)發(fā)生了吸氧腐蝕
B.食鹽是電解質(zhì),鐵粉作負(fù)極材料
C.正極反應(yīng):O2+2H2O+4e-4OH-
D.暖貼使用后鐵粉最終轉(zhuǎn)化為Fe(OH)2
【答案】D
【解析】由于氯化鈉溶液呈中性,故暖貼工作時(shí)發(fā)生了吸氧腐蝕,A項(xiàng)正確;在形成的原電池中,食鹽是電解質(zhì),鐵粉作負(fù)極材料,電極反應(yīng)為2Fe-4e-2Fe2+,B項(xiàng)正確;由分析可知,正極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-4OH-,C項(xiàng)正確;總反應(yīng)為2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2,但Fe(OH)2不穩(wěn)定,最終與氧氣、水反應(yīng)生成Fe(OH)3,然后氫氧化鐵受熱分解為Fe2O3,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
【例6】海港、碼頭的鋼制管樁會(huì)受到海水的長(zhǎng)期侵蝕,常用陰極電保護(hù)法對(duì)其進(jìn)行保護(hù)(如圖所示,其中高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極)。下列有關(guān)敘述中錯(cuò)誤的是(  )。
A.高硅鑄鐵作為惰性輔助陽(yáng)極是不會(huì)損耗的
B.通電后外電路的電流被強(qiáng)制流向鋼制管樁
C.保護(hù)電流應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整
D.通電后使鋼制管樁表面的腐蝕電流接近零
【答案】B
【解析】高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極,所以高硅鑄鐵不損耗,A項(xiàng)正確;通電后,惰性高硅鑄鐵作陽(yáng)極,海水中的氯離子等在陽(yáng)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng),電流由電源正極經(jīng)導(dǎo)線流向陽(yáng)極,再?gòu)年帢O流向電源負(fù)極,B項(xiàng)錯(cuò)誤;在保護(hù)過(guò)程中要使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境,則通入的保護(hù)電流應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整,C項(xiàng)正確;被保護(hù)的鋼制管樁作為陰極,從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制,使鋼制管樁表面腐蝕電流接近于零,減弱或避免電化學(xué)腐蝕的發(fā)生,D項(xiàng)正確。
【隨堂檢測(cè)】
課堂基礎(chǔ)
1.下列有關(guān)金屬腐蝕的說(shuō)法中正確的是(  )。
A.金屬腐蝕指不純金屬與接觸到的電解質(zhì)溶液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而損耗的過(guò)程
B.電化學(xué)腐蝕指在外加電流的作用下不純金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而損耗的過(guò)程
C.鋼鐵腐蝕最普遍的是吸氧腐蝕,負(fù)極吸收氧氣,產(chǎn)物最終轉(zhuǎn)化為鐵銹
D.金屬的電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕本質(zhì)相同,但電化學(xué)腐蝕伴有電流產(chǎn)生
【答案】D
【解析】金屬腐蝕的本質(zhì),主要是金屬原子失電子被氧化,腐蝕的內(nèi)因是金屬的化學(xué)性質(zhì)比較活潑,外因是金屬與空氣、水和其他腐蝕性的物質(zhì)接觸,腐蝕主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕,A項(xiàng)錯(cuò)誤;電化學(xué)腐蝕指不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)發(fā)生原電池反應(yīng)而損耗的過(guò)程,不需要外加電流,B項(xiàng)錯(cuò)誤;鋼鐵腐蝕最普遍的是吸氧腐蝕,正極吸收氧氣,而不是負(fù)極吸收氧氣,C項(xiàng)錯(cuò)誤。
2.銅板上鐵鉚釘?shù)奈醺g原理如圖所示。下列說(shuō)法正確的是(  )。
A.正極反應(yīng)為2H++2e-H2↑
B.此過(guò)程中還涉及反應(yīng):4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3
C.此過(guò)程中Fe、Cu均被腐蝕
D.此過(guò)程中電流從Fe流向Cu
【答案】B
【解析】鐵鉚釘發(fā)生吸氧腐蝕的正極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-4OH-,銅作正極不被腐蝕,電流從正極流向負(fù)極。
3.“雪龍2號(hào)”從深圳啟航,執(zhí)行中國(guó)第36次南極科考任務(wù)。下列有關(guān)科考船的說(shuō)法正確的是(  )。
A.外殼鑲嵌一些鉛塊可提高科考船的抗腐蝕能力
B.停靠期間可將電源正極與船體相連保護(hù)船體
C.利用犧牲陽(yáng)極保護(hù)法保護(hù)船體時(shí),正極反應(yīng)為O2+4e-+2H2O4OH-
D.只能采用電化學(xué)保護(hù)法提高科考船船體抗腐蝕能力
【答案】C
【解析】在船殼上鑲嵌鉛塊,鐵比鉛活潑,構(gòu)成原電池時(shí),船殼作負(fù)極加快腐蝕,不能減慢船體的腐蝕,A項(xiàng)錯(cuò)誤;船體與電源正極相連,作陽(yáng)極,加快船體的腐蝕,B項(xiàng)錯(cuò)誤;利用犧牲陽(yáng)極保護(hù)法保護(hù)船體時(shí),船體作正極被保護(hù),正極是氧氣得電子生成氫氧根離子,正極反應(yīng)為O2+4e-+2H2O4OH-,C項(xiàng)正確;還可以利用在船體表面涂上保護(hù)層等方法,提高其抗腐蝕能力,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
對(duì)接高考
4.(2016·浙江10月選考,17)在一塊表面無(wú)銹的鐵片上滴食鹽水,放置一段時(shí)間后看到鐵片上有鐵銹出現(xiàn),鐵片腐蝕過(guò)程中發(fā)生的總化學(xué)方程式:2Fe+2H2O+O22Fe(OH)2,Fe(OH)2進(jìn)一步被氧氣氧化為Fe(OH)3,再在一定條件下脫水生成鐵銹,其原理如圖。
下列說(shuō)法正確的是(  )。
A.鐵片發(fā)生還原反應(yīng)而被腐蝕
B.鐵片腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)該是生銹最多的區(qū)域
C.鐵片腐蝕中負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng):2H2O+O2+4e-4OH-
D.鐵片里的鐵和碳與食鹽水形成無(wú)數(shù)微小原電池,發(fā)生了電化學(xué)腐蝕
【答案】D
【解析】A項(xiàng),鐵作負(fù)極,發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),錯(cuò)誤;B項(xiàng),鐵片負(fù)極腐蝕最嚴(yán)重,由于離子的移動(dòng),在正極區(qū)域生成鐵銹最多,錯(cuò)誤;C項(xiàng),鐵作負(fù)極,發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),即Fe-2e-Fe2+,錯(cuò)誤;D項(xiàng),在一塊表面無(wú)銹的鐵片上滴食鹽水,鐵片里的鐵和碳與食鹽水形成無(wú)數(shù)微小原電池,發(fā)生了電化學(xué)腐蝕,鐵作負(fù)極,碳作正極,正確。
5.(2020·江蘇卷,11)將金屬M(fèi)連接在鋼鐵設(shè)施表面,可減緩水體中鋼鐵設(shè)施的腐蝕。在題圖所示的情境中,下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(  )。
A.陰極的電極反應(yīng)式為Fe-2e-Fe2+
B.金屬M(fèi)的活動(dòng)性比Fe的活動(dòng)性弱
C.鋼鐵設(shè)施表面因積累大量電子而被保護(hù)
D.鋼鐵設(shè)施在河水中的腐蝕速率比在海水中的快
【答案】C
【解析】A項(xiàng),陰極的鋼鐵設(shè)施實(shí)際作原電池的正極,正極金屬被保護(hù)不失電子,錯(cuò)誤;B項(xiàng),陽(yáng)極金屬M(fèi)實(shí)際為原電池裝置的負(fù)極,電子流出,原電池中負(fù)極金屬比正極活潑,因此M的活動(dòng)性比Fe的活動(dòng)性強(qiáng),錯(cuò)誤;C項(xiàng),金屬M(fèi)失電子,電子經(jīng)導(dǎo)線流入鋼鐵設(shè)備,從而使鋼鐵設(shè)施表面積累大量電子,自身金屬不再失電子從而被保護(hù),正確;D項(xiàng),海水中的離子濃度大于河水中的離子濃度,離子濃度越大,溶液的導(dǎo)電性越強(qiáng),因此鋼鐵設(shè)施在海水中的腐蝕速率比在河水中快,錯(cuò)誤。
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