資源簡介

1.3　金屬的腐蝕與防護
【學習目標】
1.通過實驗探究了解金屬腐蝕的種類,知道金屬發生電化學腐蝕的原因,培養動手操作能力和根據所學知識解決實際問題的能力。
2.通過了解金屬發生腐蝕的原因及現代的防腐措施,認識金屬腐蝕的危害,知道防止金屬腐蝕的方法,感受化學對人類生產和生活的影響。
【合作探究】
【學習情境】
我國是世界上鋼鐵產量最多的國家,每年被腐蝕的鋼鐵占到我國鋼鐵年產量的十分之一,因為金屬腐蝕而造成的損失占國內生產總值的2%~4%。生鐵在干燥的空氣中長時間不易被腐蝕,但在潮濕的空氣中卻很快被腐蝕,在海水邊腐蝕得更快,生鐵比純鐵易被腐蝕。
任務1　金屬的腐蝕
【新知生成】
　　一、金屬的腐蝕
定義 金屬或合金與周圍的氣體或液體發生　　　　　　　而引起損耗的現象
本質 金屬原子失去電子而被　　　的過程:M-ne-Mn+
類型 化學腐蝕 金屬與其表面接觸的一些物質　　　　　而引起的腐蝕
電化學腐蝕 不純的金屬與　　　　　　接觸時發生　　　　　　,比較活潑的金屬　　　　　　　而引起的腐蝕
　　二、鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕
電化學腐蝕類型 析氫腐蝕 吸氧腐蝕
條件 水膜酸性較強(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或中性
電極反應 負極 Fe-2e-Fe2+
正極 2H++2e-H2↑ O2+2H2O+4e-4OH-
總反應 Fe+2H+Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2
其他反應 4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3; 2Fe(OH)3Fe2O3·nH2O+(3-n)H2O
電子如何流動 形成通路 Fe失e-成為Fe2+進入溶液,Fe失去的e-流入碳極;H+移向碳極,與碳極上的e-結合成H2析出溶液 Fe失e-成為Fe2+進入溶液,Fe失去的e-流入碳極,O2在碳極獲得e-成為OH-進入溶液
聯系 通常兩種腐蝕同時存在,但后者更普遍
　　【答案】一、氧化還原反應　氧化　直接反應　電解質溶液　原電池反應　發生氧化反應
【核心突破】
典例1　下列關于金屬腐蝕的說法正確的是(　　)
A.金屬在潮濕空氣中腐蝕的實質是M+nH2OM(OH)n+H2↑
B.金屬的化學腐蝕的實質是M-ne-Mn+,電子直接轉移給氧化劑
C.金屬的化學腐蝕必須在酸性條件下進行
D.在潮濕的中性環境中,金屬的電化學腐蝕主要是析氫腐蝕
【解析】金屬在潮濕的中性環境中易發生析氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種電化學腐蝕,主要發生吸氧腐蝕,其腐蝕的本質都是金屬失電子,即M-ne-Mn+,A、D項錯誤,B項正確;金屬的化學腐蝕是金屬直接接觸到化學物質如O2、Cl2等發生腐蝕,C項錯誤。
【答案】B
典例2　為探究鋼鐵的吸氧腐蝕原理,某同學設計了如圖所示的裝置,下列有關說法錯誤的是(　　)
A.正極的電極反應為O2+2H2O+4e-4OH-
B.將石墨電極改成Mg電極,難以觀察到鐵銹生成
C.若向自來水中加入少量NaCl(s),可較快地看到鐵銹
D.分別向鐵、石墨電極附近吹入O2,前者鐵銹出現得快
【解析】鐵是負極,失電子被氧化成Fe2+,在正極O2得電子發生還原反應生成OH-,A項正確;若將石墨電極換成Mg電極,則負極為Mg,Fe被保護,難以看到鐵生銹,B項正確;向自來水中加入NaCl(s),可使電解質溶液的導電能力增強,加快腐蝕速率,C項正確;將O2吹向石墨電極的腐蝕速率比吹向鐵電極的快,D項錯誤。
【答案】D
歸納總結：(1)化學腐蝕與電化學腐蝕的比較
類型 化學腐蝕 電化學腐蝕
發生條件 金屬與接觸到的物質直接反應 不純金屬或合金與接觸到的電解質溶液發生原電池反應
共同點 M-ne-Mn+
是否構成 原電池 無原電池構成 由無數微小原電池構成
實質 金屬被腐蝕 較活潑金屬被腐蝕
有無電流 無電流產生 有電流產生
聯系 兩者往往同時發生,電化學腐蝕更普遍,危害更大,且電化學腐蝕比化學腐蝕更快
(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”
a.負極相同:均為Fe,電極反應為Fe-2e-Fe2+。
b.正極材料相同:均為碳。
c.反應類型相同:均為氧化還原反應
②析氫腐蝕與吸氧腐蝕的“三不同”
a.條件不同:酸性較強時發生析氫腐蝕,否則為吸氧腐蝕。
b.正極反應不同:2H++2e-H2↑(析氫)
O2+4e-+2H2O4OH-(吸氧)
c.電池總反應不同:
Fe+2H+Fe2++H2↑(析氫)
2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2(吸氧)　　
訓練1　下列有關金屬腐蝕的說法正確的是(　　)
A.金屬的腐蝕一定伴有電流產生
B.鋼鐵在干燥的空氣里比在潮濕的空氣里更易被腐蝕
C.發生化學能轉變為電能的腐蝕時,較活潑的金屬總是作正極而被腐蝕
D.發生電化學腐蝕時有能量的轉化,且被腐蝕的金屬總是失電子
【解析】金屬發生化學腐蝕時,沒有電流產生,A項錯誤;鋼鐵在潮濕的空氣中,其表面形成微小的原電池,鐵被腐蝕更快,B項錯誤;發生化學能轉變為電能的腐蝕時,較活潑的金屬作負極而被腐蝕,C項錯誤;發生電化學腐蝕時有能量的轉化,被腐蝕的金屬失去電子,D項正確。
【答案】D
訓練2　鋼鐵腐蝕中,下列說法正確的是(　　)
A.碳表面發生氧化反應
B.鋼鐵被腐蝕的最終產物為FeO
C.生活中鋼鐵制品的腐蝕以圖①所示為主
D.圖②中,正極反應為O2+4e-+2H2O4OH-
【解析】結合圖示可知①為析氫腐蝕,②吸氧腐蝕,兩種腐蝕中Fe均作負極發生氧化反應,碳均作正極發生還原反應,A項錯誤;鋼鐵被腐蝕后最終轉化為鐵銹,其主要成分是Fe2O3·xH2O,B項錯誤;生活中鋼鐵制品主要以圖②的吸氧腐蝕為主,C項錯誤;圖②中正極上O2被還原,轉化為OH-,D項正確。
【答案】D
任務2　金屬的防護
【新知生成】
1.金屬防護原理
金屬的防護就是防止(或減少)金屬的腐蝕,金屬的防護主要從金屬、與金屬接觸的物質及兩者反應的條件等方面考慮。
2.金屬防護的措施
(1)改變金屬材料的組成
在金屬中添加其他金屬或非金屬可以制成性能優異的合金。如Cr、Ni等加入普通鋼中制成不銹鋼等。
(2)在金屬表面覆蓋保護層
①改變電解質溶液為非電解質:如噴涂油漆、礦物性油脂或覆蓋搪瓷、塑料等。
②用電鍍等方法在鋼鐵表面鍍上一層鋅、錫、鉻、鎳等金屬。
③用化學方法在鋼鐵部件表面進行發藍處理(生成一層致密的四氧化三鐵薄膜)。
④利用陽極氧化處理鋁制品的表面形成致密的氧化膜而鈍化。
(3)電化學保護法
①犧牲陽極的陰極保護法
應用原電池原理,讓被保護金屬作正極,另找一種活動性較強的金屬作負極。
如在被保護的鋼鐵設備上接鋅塊形成原電池,Zn作負極發生反應Zn-2e-Zn2+,鋼鐵作正極被保護,如圖所示:
②外加電流的陰極保護法
鋼鐵與外接電源負極相連形成電解池,使之成為陰極而被保護。如鋼閘門接低壓直流電負極,石墨接電源正極作陽極,浸入海水中(如圖)。
(4)其他方法:根據不同的設計條件選用不同的金屬或非金屬材料;控制和改善環境介質因素(如選用緩蝕劑)等。
【核心突破】
典例3　港珠澳大橋的設計使用壽命高達120年,主要的防腐方法有:①鋼梁上安裝鋁片;②使用高性能富鋅(富含鋅粉)底漆;③使用高附著性防腐涂料;④預留鋼鐵腐蝕量。下列分析不合理的是(　　)
A.鋼鐵發生吸氧腐蝕時的負極反應為Fe-3e-Fe3+
B.防腐過程中鋁和鋅均作為犧牲陽極,失去電子
C.防腐涂料可以防水、隔離O2,降低吸氧腐蝕速率
D.方法①②③只能減緩鋼鐵腐蝕,未能完全消除
【解析】鋼鐵發生吸氧腐蝕時的負極反應為Fe-2e-Fe2+,A項錯誤;鋁和鋅的活動性大于鐵,鋼鐵防腐過程中鋁和鋅均作為負極,失去電子,為犧牲陽極的陰極保護法,B項正確;防腐涂料可以防水、隔離O2,減少鐵與氧氣接觸,降低吸氧腐蝕速率,C項正確;鋼鐵防腐只能減緩鋼鐵腐蝕,不能完全消除鋼鐵腐蝕,D項正確。
【答案】A
歸納總結：金屬腐蝕快慢的判斷
(1)影響金屬腐蝕快慢的因素
①與構成微電池的材料有關。兩極材料的活動性差別越大,氧化還原反應的速率越快,活潑金屬被腐蝕的速率就越快。
②與金屬所接觸的電解質強弱有關。活潑金屬在電解質溶液中的腐蝕速率快于在非電解質溶液中的腐蝕速率,在強電解質溶液中的腐蝕速率快于在弱電解質溶液中的腐蝕速率。對于同一種電解質溶液,電解質溶液濃度越大,腐蝕越快。
(2)判斷原則
①對同一種金屬來說,腐蝕的快慢:強電解質溶液>弱電解質溶液>非電解質溶液。
②活動性不同的金屬,活動性差別越大,腐蝕越快。
③對同一種電解質溶液來說,電解質溶液濃度越大,腐蝕越快。
訓練3　下圖所示的各容器中盛有海水,鐵在其中被腐蝕時由快到慢的順序是(　　)
①　　②　　③
④　　　⑤
A.②>①>③>⑤>④
B.④>②>①>③>⑤
C.⑤>②>③>①>④
D.③>②>④>⑤>①
【解析】圖④中鐵為電解池的陽極,腐蝕最快;圖⑤中鐵為電解池的陰極,則腐蝕最慢;①為化學腐蝕,②為原電池腐蝕,鐵作負極,③為原電池,鐵作正極被保護,則鐵在其中被腐蝕時由快到慢的順序是④>②>①>③>⑤。
【答案】B
課堂小結
【隨堂檢測】
1.在鐵的吸氧腐蝕過程中,下列5種變化中可能發生的是(　　)
①Fe由+2價轉化為+3價　②O2被還原　③產生H2　④Fe(OH)3失水形成Fe2O3·nH2O　⑤雜質C被氧化除去
A.①②④ B.③④ C.①②③④ D.①②③⑤
【解析】在鐵的吸氧腐蝕過程中,①Fe先由0價轉化為+2價,進一步氧化變為+3價,正確;②O2得電子,化合價降低被還原,正確;③吸氧腐蝕過程中,得電子的是氧氣,不是氫離子,沒有氫氣生成,錯誤;④鐵銹形成過程中,Fe(OH)3失水形成Fe2O3·nH2O,正確;⑤雜質C作為原電池的正極,沒有發生反應,錯誤。
【答案】A
2.遠洋輪船的船體材料是合金鋼,為了避免船體遭受腐蝕,通常在船殼(船底及船側)上鑲嵌一些金屬塊M。下列有關說法錯誤的是(　　)
A.該方法稱為犧牲陽極的陰極保護法
B.M可以是鋅、鎂、銅等金屬
C.船殼主要發生吸氧腐蝕
D.該方法中的負極反應為M-ne-Mn+
【解析】鑲嵌了比鐵活潑的金屬,構成原電池,合金鋼作正極,M為負極,保護合金鋼不被腐蝕,這種方法叫犧牲陽極的陰極保護法,A項正確;M的金屬性比鐵活潑,可以是鋅、鎂,Cu的金屬性弱于Fe,M不能為Cu,B項錯誤;船殼主要發生吸氧腐蝕,C項正確;M為負極,失去電子,電極反應為M-ne-Mn+,D項正確。
【答案】B
3.下列關于金屬腐蝕的說法錯誤的是(　　)
A.河水中的鋼閘門連接電源的負極,使用的是外加電流的陰極保護法
B.金屬腐蝕的實質就是金屬原子失去電子被氧化的過程
C.鍍鋅鐵皮(白鐵皮)的鍍層破損后鐵皮仍耐腐蝕
D.鋼鐵在潮濕的空氣中生銹,主要發生了析氫腐蝕
【解析】河水中的鋼閘門連接電源的負極,作陰極,被保護,使用的是外加電流的陰極保護法,A項正確;金屬腐蝕的實質就是金屬原子失去電子,化合價升高,被氧化的過程,B項正確;鍍鋅鐵皮(白鐵皮)的鍍層破損后,鋅作負極,失電子,鐵作正極,氧氣得電子,鐵皮仍耐腐蝕,C項正確;鋼鐵在潮濕的空氣中生銹,電解質溶液呈中性或弱酸性,主要發生了吸氧腐蝕,D項錯誤。
【答案】D
4.下列關于金屬腐蝕與防護的說法不正確的是(　　)
圖①
圖②
圖③
A.圖①,放置于干燥空氣中的鐵釘不易生銹
B.圖②,若斷開電源,鋼閘門將發生吸氧腐蝕
C.圖②,若將鋼閘門與電源的正極相連,可防止鋼閘門腐蝕
D.圖③,若金屬M比Fe活潑,可防止輸水管腐蝕
【解析】形成原電池需要電解質溶液,在干燥空氣中不易形成原電池,鐵釘不易生銹,A項正確;若斷開電源,鋼閘門在海水中會發生吸氧腐蝕,B項正確;若將鋼閘門與電源的正極相連,鋼閘門作陽極,腐蝕速率加快,不能防止鋼閘門腐蝕,C項錯誤;M比Fe活潑,M、Fe形成原電池時,Fe作正極,M作負極失電子,Fe被保護。
【答案】C
5.如圖所示裝置中,U形管內為紅墨水,a、b試管內分別盛有食鹽水和氯化銨溶液,各加入生鐵塊,放置一段時間。下列有關描述錯誤的是(　　)
A.生鐵塊中的碳是原電池的正極
B.紅墨水柱兩邊的液面變為左低右高
C.兩試管中相同的電極反應是 Fe-2e-Fe2+
D.a試管中發生了吸氧腐蝕,b試管中發生了析氫腐蝕
【解析】a試管為中性環境,發生吸氧腐蝕,氧氣被消耗,氣體壓強減小;b試管中酸性較強,發生析氫腐蝕,有氫氣放出,氣體壓強增大,所以紅墨水柱兩邊的液面變為左高右低,B項錯誤。
【答案】B
6.(2016·浙江10月選考,17)在一塊表面無銹的鐵片上滴食鹽水,放置一段時間后看到鐵片上有鐵銹出現,鐵片腐蝕過程中發生的總化學方程式:2Fe+2H2O+O22Fe(OH)2,Fe(OH)2進一步被氧氣氧化為Fe(OH)3,再在一定條件下脫水生成鐵銹,其原理如圖。
下列說法正確的是(　　)
A.鐵片發生還原反應而被腐蝕
B.鐵片腐蝕最嚴重區域應該是生銹最多的區域
C.鐵片腐蝕中負極發生的電極反應:2H2O+O2+4e-4OH-
D.鐵片里的鐵和碳與食鹽水形成無數微小原電池,發生了電化學腐蝕
【解析】A項,鐵作負極,發生失電子的氧化反應,錯誤;B項,鐵片負極腐蝕最嚴重,由于離子的移動,在正極區域生成鐵銹最多,錯誤;C項,鐵作負極,發生失電子的氧化反應,即Fe-2e-Fe2+,錯誤;D項,在一塊表面無銹的鐵片上滴食鹽水,鐵片里的鐵和碳與食鹽水形成無數微小原電池,發生了電化學腐蝕,鐵作負極,碳作正極,正確。
【答案】D
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