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第三節(jié)　金屬的腐蝕與防護(hù)
目 標(biāo) 素 養(yǎng)
1.知道金屬腐蝕的危害,能利用電化學(xué)原理解釋金屬腐蝕的現(xiàn)象。
2.能根據(jù)電化學(xué)原理選擇并設(shè)計(jì)防止金屬腐蝕的措施。
知 識(shí) 概 覽
一、金屬的腐蝕
1.金屬的腐蝕是金屬或合金與周?chē)臍怏w或液體發(fā)生
　氧化還原　反應(yīng)而引起損耗的現(xiàn)象。
2.金屬腐蝕的實(shí)質(zhì)是金屬原子　失去　電子變?yōu)榻饘訇?yáng)離子,金屬發(fā)生　氧化　反應(yīng)。
3.金屬腐蝕的類(lèi)型。
(1)化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕。
類(lèi)型 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕
條件 金屬與其表面接觸到的物質(zhì)(如O2、Cl2、SO2)
①　直接　反應(yīng) 不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸,發(fā)生②　原電池　反應(yīng)
本質(zhì) 金屬發(fā)生③　氧化　反應(yīng),腐蝕速率隨溫度升高而
④　增大　 比較活潑的金屬發(fā)生
⑤　氧化　反應(yīng)
聯(lián)系 兩者往往同時(shí)發(fā)生,但絕大多數(shù)屬于⑥　電化學(xué)　腐蝕
(2)析氫腐蝕與吸氧腐蝕(以鋼鐵腐蝕為例)。
類(lèi)型 析氫腐蝕 吸氧腐蝕
條件 ①水膜酸性較強(qiáng)　 ②　水膜酸性很弱或呈中性,溶有一定量的氧氣　
電極
反應(yīng) 負(fù)極 ③ Fe-2e-====Fe2+　
正極 ④ 2H++2e-====H2↑ ⑤2H2O+O2+4e-====4OH-
總反應(yīng)式 ⑥　Fe+2H+====Fe2++H2↑ ⑦　2Fe+2H2O+O2====
2Fe(OH)2　
類(lèi)型 析氫腐蝕 吸氧腐蝕
圖形描述

微判斷 (1)細(xì)銅絲在氯氣中燃燒屬于化學(xué)腐蝕。(　　)
(2)Al、Fe、Cu在潮濕的空氣中被腐蝕均生成氧化物。(　　)
(3)鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí),負(fù)極鐵失去電子生成Fe3+。(　　)
(4)金屬的電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕本質(zhì)相同,都是金屬原子失電子被氧化。(　　)
√
×
×
√
二、金屬的防護(hù)
1.改變金屬材料的組成。如在普通鋼中加入鉻、鎳等制成
　不銹鋼　產(chǎn)品,以增強(qiáng)鋼鐵的抗腐蝕性能。
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?chē)镔|(zhì)隔開(kāi)。
(1)在鋼鐵表面涂礦物性油脂、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等物質(zhì)。
(2)用電鍍的方法,在鋼鐵制品表面鍍上一層不易被腐蝕的金屬,如鋅、錫、鉻、鎳等。
(3)工業(yè)上常利用一些溶液的氧化作用,在機(jī)器零件、精密儀器、槍炮等鋼鐵制件的表面上形成一層致密的黑色的四氧化三鐵薄膜。
(4)利用陽(yáng)極氧化處理鋁制品的表面,使之形成致密的氧化膜而鈍化。
(5)采用離子注入、表面滲鍍等方式在金屬表面可以形成穩(wěn)定的鈍化膜。
3.電化學(xué)保護(hù)法。
(1)犧牲陽(yáng)極法。如圖,應(yīng)用　原電池　原理,讓活動(dòng)性比鐵強(qiáng)的金屬鋅作　負(fù)　極,鋼鐵設(shè)備作　正　極而被保護(hù)。
[實(shí)驗(yàn)探究一]
如圖裝置反應(yīng)一段時(shí)間后,用膠頭滴管從Fe電極區(qū)取少量溶液置于試管中,再向試管中滴入2滴黃色K3[Fe(CN)6](鐵氰化鉀)溶液,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
已知Fe2+與K3[Fe(CN)6]溶液反應(yīng)生成帶有特征藍(lán)色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。
實(shí)驗(yàn)裝置 電流表 陽(yáng)極(負(fù)極區(qū)) 陰極(正極區(qū))
現(xiàn)象 指針
偏轉(zhuǎn) Zn溶解 有氣泡產(chǎn)生,試管中無(wú)藍(lán)色沉淀生成
有關(guān)
反應(yīng) — Zn-2e-══Zn2+ 2H++2e-══H2↑
結(jié)論 溶液中不含F(xiàn)e2+,鐵作正極,鐵未被腐蝕
[實(shí)驗(yàn)探究二]
在兩個(gè)培養(yǎng)皿中分別放入含有NaCl的瓊脂溶液,并滴入5~6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液,混合均勻,取兩個(gè)2~3 cm長(zhǎng)的鐵釘,用砂紙擦光,將裹有鋅皮的鐵釘放入a,纏有銅絲的鐵釘放入b。
(2)外加電流法。如圖,應(yīng)用　電解　原理,把被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備作為　陰　極,用惰性電極作為輔助　陽(yáng)　極,兩者均放在電解質(zhì)溶液里,外接　直流電源　。
微思考 家用炒菜鐵鍋用水清洗放置后,出現(xiàn)的紅棕色銹斑是如何形成的,其主要成分是什么
提示:鐵鍋中含有碳元素,在潮濕環(huán)境中生銹屬于吸氧腐蝕,在腐蝕過(guò)程中,負(fù)極:Fe-2e-══Fe2+,正極(C):2H2O+O2+4e-══4OH-,總反應(yīng)為2Fe+2H2O+O2══2Fe(OH)2, Fe(OH)2極易被氧化,發(fā)生反應(yīng)4Fe(OH)2+O2+2H2O══4Fe(OH)3。Fe(OH)3進(jìn)一步反應(yīng)生成鐵銹Fe2O3·xH2O。
微訓(xùn)練 1 .下列敘述正確的是(　　)。
A.原電池中陽(yáng)離子向負(fù)極移動(dòng)
B.用鋁制鉚釘接鐵板,鐵易被腐蝕
C.馬口鐵(鍍錫)的表面一旦破損,鐵腐蝕加快
D.白鐵(鍍鋅)的表面一旦破損,鐵腐蝕加快
答案:C
解析:A中原電池工作時(shí)陽(yáng)離子向正極移動(dòng),錯(cuò)誤;B中鋁制鉚釘接鐵板形成原電池,鋁作為負(fù)極,鐵作為正極,鐵不容易被腐蝕,錯(cuò)誤;C中馬口鐵(鍍錫)的表面一旦破損,鐵作為負(fù)極,鐵腐蝕加快,正確;D中白鐵(鍍鋅)的表面一旦破損,鐵作為正極,受到保護(hù),錯(cuò)誤。
2.下列防止鋼鐵銹蝕的措施中,不合理的是(　　)。
A.車(chē)輪的鋼圈表面鍍鎳
B.在地下鋼鐵管道上連接銅塊
C.改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)制成不銹鋼
D.金屬材料表面包上一層塑料層
答案:B
解析:鐵比銅活潑,在地下鋼鐵管道上連接銅塊會(huì)加速鐵的腐蝕,B項(xiàng)錯(cuò)誤。
3.如圖所示,水槽中試管內(nèi)有一枚鐵釘,放置數(shù)天觀察:
(1)鐵釘在逐漸生銹。
(2)若試管內(nèi)液面上升,發(fā)生　　　腐蝕,
電極反應(yīng):負(fù)極　　　　　　,正極　 。
(3)若試管內(nèi)液面下降,則原溶液呈較強(qiáng)的　 性,
發(fā)生的正極反應(yīng)為　　　　　　　　　　　。
答案:(2)吸氧　Fe-2e-══Fe2+　O2+2H2O+4e-══4OH-
(3)酸　2H++2e-══H2↑
解析:由題意可知,(2)試管內(nèi)液面上升,說(shuō)明試管內(nèi)壓強(qiáng)減小,發(fā)生吸氧腐蝕。(3)試管內(nèi)液面下降,說(shuō)明試管內(nèi)氣壓增大,即發(fā)生析氫腐蝕。
一、金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的比較(以鐵為例)
問(wèn)題探究
1.將酸洗除銹的鐵釘用NaCl溶液浸濕并露
置于空氣中,將發(fā)生哪種腐蝕 電極反應(yīng)式
如何書(shū)寫(xiě)
提示:NaCl溶液為中性溶液,所以發(fā)生吸氧
腐蝕,電極反應(yīng)式:負(fù)極Fe-2e-══Fe2+,
正極O2+2H2O+4e-══4OH-。
2.取兩支試管,分別放入相同的鋅粒和等體積、等濃度的稀鹽酸,觀察現(xiàn)象。然后向其中一支試管中滴加1~2滴硫酸銅溶液,再觀察現(xiàn)象。解釋產(chǎn)生不同現(xiàn)象的原因。
提示:滴入硫酸銅溶液后,①試管中產(chǎn)生氣泡的速率增大。這是由于Zn與CuSO4反應(yīng)生成Cu,Zn、Cu和稀鹽酸構(gòu)成原電池,發(fā)生電化學(xué)腐蝕,產(chǎn)生氣泡的速率增大。
歸納總結(jié)
比較項(xiàng)目 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕(主要)
定義 金屬與其表面接觸的物質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕 不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)發(fā)生的原電池反應(yīng),較活潑金屬原子失去電子被氧化而引起的腐蝕
吸氧腐蝕(主要) 析氫腐蝕
比較項(xiàng)目 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕(主要)
條件 金屬與氧化性物質(zhì)直接接觸 水膜中溶有O2,呈極弱酸性或中性(吸氧腐蝕)或水膜酸性較強(qiáng)(析氫腐蝕)
本質(zhì) 金屬被氧化生成金屬離子
區(qū)別 無(wú)電流產(chǎn)生 有微弱電流產(chǎn)生
反應(yīng)式 2Fe+3Cl2
===2FeCl3 負(fù)極:Fe-2e-===Fe2+
正極:
2H2O+O2+4e-===4OH- 正極:
2H++2e-===H2↑
聯(lián)系 兩種腐蝕往往同時(shí)發(fā)生,只是電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕更普遍、危害更大;吸氧腐蝕比析氫腐蝕更普遍
典例剖析
【例1】 某小組同學(xué)研究“84”消毒液(有效成分為NaClO)對(duì)鐵的腐蝕作用:將等量的鐵釘(鐵碳合金)和純鐵粉分別浸沒(méi)于10 mL “84”消毒液中,記錄現(xiàn)象如下,
時(shí)間 1小時(shí) 2小時(shí) 5小時(shí)
鐵釘 無(wú)明顯現(xiàn)象 鐵釘表面出現(xiàn)少量紅褐色物質(zhì) 鐵釘表面“生長(zhǎng)”出大量紅褐色物質(zhì)
純鐵粉 無(wú)明顯現(xiàn)象 無(wú)明顯現(xiàn)象 無(wú)明顯現(xiàn)象
下列說(shuō)法正確的是(　　)
A.鐵釘主要發(fā)生的是化學(xué)腐蝕
B.鐵釘腐蝕后的溶液中c(Cl-)增大
C.鐵粉的腐蝕速率小主要是由于其表面積大
D.“84”消毒液有強(qiáng)氧化性,因此Fe被腐蝕時(shí)發(fā)生反應(yīng):
Fe-3e-══Fe3+
答案:B
解析:鐵釘為鐵碳合金,在電解質(zhì)溶液環(huán)境下易形成原電池,所以鐵釘主要發(fā)生的是電化學(xué)腐蝕,A項(xiàng)錯(cuò)誤;鐵釘被腐蝕后,次氯酸根離子轉(zhuǎn)化為氯離子,溶液中c(Cl-)增大,B項(xiàng)正確;鐵粉的腐蝕速率小主要是鐵粉與次氯酸鈉不發(fā)生化學(xué)腐蝕,與固體的表面積無(wú)關(guān),C項(xiàng)錯(cuò)誤;“84”消毒液有強(qiáng)氧化性,鐵釘發(fā)生電化學(xué)腐蝕,Fe失電子生成亞鐵離子,電極反應(yīng)式為Fe-2e-══Fe2+,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
方法歸納 對(duì)金屬腐蝕的理解。 (1)析氫腐蝕和吸氧腐蝕取決于金屬表面電解質(zhì)溶液的酸堿性,實(shí)際情況中以吸氧腐蝕為主。 (2)鋼鐵發(fā)生析氫腐蝕或吸氧腐蝕時(shí),負(fù)極均是Fe失電子生成Fe2+,而非Fe3+。 (3)一般情況下,只有在金屬活動(dòng)性順序中排在氫之前的金屬才有可能發(fā)生析氫腐蝕。
學(xué)以致用
1.鐵生銹是一種常見(jiàn)的自然現(xiàn)象,其主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為4Fe+3O2+xH2O══2Fe2O3·xH2O。如圖為一放在水槽中的鐵架,水位高度如圖。最容易生銹的鐵架橫桿是(　　)。
A.① B.②
C.③ D.④
答案:C
2.如圖裝置中,小試管內(nèi)為紅墨水,具支試管
內(nèi)盛有pH=5的雨水和生鐵片。觀察到開(kāi)始
時(shí)導(dǎo)管內(nèi)液面下降,一段時(shí)間后導(dǎo)管內(nèi)液面
回升,略高于小試管內(nèi)液面。以下有關(guān)解釋
合理的是(　　)。
A.生鐵片中的碳是原電池的負(fù)極,發(fā)生還原反應(yīng)
B.雨水酸性較強(qiáng),生鐵片僅發(fā)生析氫腐蝕
C.紅墨水回升時(shí),正極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e-══4OH-
D.具支試管中溶液pH逐漸減小
C
解析:生鐵與其中的碳及電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池,負(fù)極是鐵,鐵失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),碳是正極,正極發(fā)生還原反應(yīng)。開(kāi)始時(shí),因酸性較強(qiáng)發(fā)生析氫腐蝕,一段時(shí)間后導(dǎo)管內(nèi)液面回升且略高于小試管液面,說(shuō)明具支試管中氣體壓強(qiáng)減小,此時(shí)發(fā)生吸氧腐蝕,正極反應(yīng)式是2H2O+O2+4e-══4OH-,故溶液的pH增大,A、B、D三項(xiàng)錯(cuò)誤;C項(xiàng)正確。
二、金屬腐蝕快慢的一般規(guī)律
問(wèn)題探究
氫脆是金屬腐蝕的一種類(lèi)型。金屬材料特別是鈦材一旦吸氫,就會(huì)析出脆性氫化物,使機(jī)械強(qiáng)度劣化。在腐蝕介質(zhì)中,金屬因腐蝕反應(yīng)析出的氫及制造過(guò)程中吸收的氫,是金屬中氫的主要來(lái)源。金屬的表面狀態(tài)對(duì)吸氫有明顯的影響,研究表明,鈦材的研磨表面吸氫量最多,其次為原始表面,而真空退火和酸洗表面最難吸氫。鈦材在大氣中氧化處理能有效防止吸氫。
1.閱讀材料分析,金屬鈦在酸性介質(zhì)中還是在堿性介質(zhì)中更易發(fā)生氫脆
提示:酸性介質(zhì)。
2.怎樣防止金屬鈦發(fā)生氫脆腐蝕
提示:鈦材在大氣中氧化處理能有效防止吸氫。
歸納總結(jié)
1.在同一電解質(zhì)溶液中: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。
有防護(hù)措施的腐蝕發(fā)生的可能性很小或幾乎不發(fā)生,包括原電池原理的防護(hù)(犧牲陽(yáng)極法)和電解原理的防護(hù)(外加電流法)。
2.活動(dòng)性不同的兩種金屬,活動(dòng)性差別越大,活動(dòng)性強(qiáng)的金屬往往腐蝕越快。
3.對(duì)同一種電解質(zhì)溶液而言,電解質(zhì)溶液濃度越大,往往腐蝕越快。
4.溫度升高,對(duì)化學(xué)腐蝕的速率影響很大。升高溫度,電解質(zhì)溶液中的離子運(yùn)動(dòng)速率增大,溶液的導(dǎo)電性增強(qiáng),因此溫度對(duì)電化學(xué)腐蝕的速率也有一定的影響。
典例剖析
【例2】 鋼鐵工業(yè)是國(guó)家工業(yè)的基礎(chǔ),鋼鐵生銹現(xiàn)象卻隨處可見(jiàn),為此每年國(guó)家損失大量資金。請(qǐng)回答鋼鐵腐蝕與防護(hù)過(guò)程中的有關(guān)問(wèn)題。
(1)鋼鐵的電化學(xué)腐蝕原理如圖所示,寫(xiě)出石墨電極的電極反應(yīng)式:
　 。
(2)在實(shí)際生產(chǎn)中,可在鐵件的表面鍍銅防止鐵被腐蝕。裝置示意圖如圖所示:
①A電極對(duì)應(yīng)的金屬是　　　(寫(xiě)元素名稱),B電極的電極反應(yīng)式是
　　　　　　　　　　　　。
②鍍層破損后,鍍銅鐵比鍍鋅鐵更容易被腐蝕,請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明原因: 　。
答案:(1)O2+2H2O+4e-══4OH-
(2)①銅　Cu2++2e-══Cu　②鐵比銅活潑,鍍層銅破損后,鐵與銅在潮濕環(huán)境中形成原電池,鐵為負(fù)極,鐵的腐蝕加速(其他答案合理也可)
解析:(1)在中性溶液中發(fā)生吸氧腐蝕,石墨作正極,發(fā)生反應(yīng): O2+2H2O+4e-══4OH-。
(2)在鐵表面鍍銅需將鐵作陰極、銅作陽(yáng)極,則A電極對(duì)應(yīng)的金屬為銅,B電極為鐵,溶液中的Cu2+得電子生成銅,在鐵表面析出;鍍層銅破損后,鐵與銅在潮濕環(huán)境中形成原電池,鐵為負(fù)極,鐵的腐蝕加速。
【拓展延伸】 若電鍍前鐵、銅兩片金屬質(zhì)量相同,電鍍完成后將它們?nèi)〕鱿磧簟⒑娓伞⒎Q量,兩者質(zhì)量差為5.12 g,則電鍍時(shí)電路中通過(guò)的電子的物質(zhì)的量是多少
答案:0.08 mol。析出1 mol銅時(shí)兩電極的質(zhì)量差為64 g+64 g =128 g,轉(zhuǎn)移2 mol電子,當(dāng)質(zhì)量差為5.12 g,電路中通過(guò)的電子
為 ×2 mol=0.08 mol。
學(xué)以致用
3.如圖所示,各燒杯中盛有海水,鐵在其中被腐蝕的速率由大到小的順序?yàn)?br/>　　　　。
答案:⑤④②①③⑥
解析:先判斷裝置是形成原電池還是電解池,再分析金屬活動(dòng)性的差別。①中Fe為負(fù)極,雜質(zhì)C為正極,屬于鋼鐵的吸氧腐蝕,腐蝕速率較慢。②③④實(shí)質(zhì)均為原電池裝置,③中Fe為正極,被保護(hù);②④中Fe為負(fù)極,均被腐蝕,但相對(duì)來(lái)說(shuō)Fe與Cu的金屬活動(dòng)性差別較Fe與Sn的大,故鐵銅原電池中Fe的腐蝕速率較快;⑤中Fe接電源正極作陽(yáng)極,Cu接電源負(fù)極作陰極,加快了Fe的腐蝕;⑥中Fe接電源負(fù)極作陰極,Cu接電源正極作陽(yáng)極,防止了Fe的腐蝕。
1.下列關(guān)于金屬腐蝕的說(shuō)法正確的是(　　)。
B.金屬化學(xué)腐蝕的實(shí)質(zhì)是M-ne- ══Mn+,電子直接轉(zhuǎn)移給氧化劑C.金屬的化學(xué)腐蝕必須在酸性條件下進(jìn)行
D.在潮濕的中性環(huán)境中,金屬的電化學(xué)腐蝕主要是析氫腐蝕
答案:B
解析:金屬與接觸的化學(xué)物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過(guò)程為化學(xué)腐蝕,金屬失去的電子直接轉(zhuǎn)移給氧化劑;金屬的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主,在中性或弱酸性環(huán)境中,主要發(fā)生吸氧腐蝕,電子由金屬轉(zhuǎn)移到不活潑的正極材料上被氧化劑得到。
2.結(jié)合如圖判斷,下列敘述正確的是(　　)。
A.Ⅰ和Ⅱ中正極均被保護(hù)
B.Ⅰ和Ⅱ中負(fù)極反應(yīng)均是
Fe-2e-══Fe2+
C.Ⅰ和Ⅱ中正極反應(yīng)均是
O2+2H2O+4e-══4OH-
D.Ⅰ和Ⅱ中分別加入少量
K3[Fe(CN)6]溶液,均有藍(lán)色沉淀
答案:A
解析:兩個(gè)裝置均為原電池,負(fù)極都是活潑金屬,根據(jù)原電池原理可知,原電池的正極金屬受到保護(hù),A項(xiàng)正確;Ⅰ中負(fù)極為活潑金屬Zn,B項(xiàng)錯(cuò)誤;Ⅱ中是酸性溶液,電極反應(yīng)中不能有OH-生成,C項(xiàng)錯(cuò)誤;Ⅰ中無(wú)Fe2+生成,不能生成KFe[Fe(CN)6]沉淀, D項(xiàng)錯(cuò)誤。
3.某城市為了減少因鋼管銹蝕而造成的損失,擬用如圖所示方法保護(hù)埋在酸性土壤中的鋼管。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(　 )。
A.在潮濕的酸性土壤中鋼管主要發(fā)生吸氧腐蝕
B.在潮濕的酸性土壤中金屬棒M中
的電子通過(guò)導(dǎo)線流向鋼管
C.在潮濕的酸性土壤中H+向金屬棒
M移動(dòng),抑制H+與鐵的反應(yīng)
D.鋼管與金屬棒M也可用導(dǎo)線分別連接直流電源的正、負(fù)極
答案:B
解析:在酸性環(huán)境下,鋼鐵主要發(fā)生析氫腐蝕,A項(xiàng)錯(cuò)誤;金屬棒M、鋼管在酸性土壤中形成原電池,其中金屬棒M作負(fù)極,失去電子,失去的電子通過(guò)導(dǎo)線流向鋼管,鋼管作正極被保護(hù),B項(xiàng)正確;在潮濕的酸性土壤中,存在大量H+,H+移動(dòng)到正極上得電子被還原,即移動(dòng)到鋼管上得電子,抑制H+與鐵的反應(yīng),C項(xiàng)錯(cuò)誤;若鋼管與金屬棒M用導(dǎo)線分別連接直流電源的正、負(fù)極,則鋼管作陽(yáng)極,腐蝕速率加快,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
4.A、B、C三個(gè)燒杯中分別盛有相同物質(zhì)的量濃度的稀硫酸,如圖所示:
(1)A中反應(yīng)的離子方程式
是　　　　　　　　。
(2)B中Sn極的電極反應(yīng)式
為　　　　　　　,Sn極
附近溶液的pH　　　　(填“增大”“減小”或“不變”)。
(3)C中被腐蝕的金屬是　　　　,總反應(yīng)的離子方程式是
　　　　　　　　　　　　　　,比較A、B、C中鐵被腐蝕的速率由大到小的順序是　　　　　　　。
答案:(1)Fe+2H+══Fe2++H2↑
(2)2H++2e-══H2↑　增大
(3)Zn　Zn+2H+══Zn2++H2↑　B>A>C
解析:(1)A中發(fā)生Fe與稀硫酸的置換反應(yīng)。
(2)B中Sn為正極,H+放電生成H2:2H++2e-══H2↑,導(dǎo)致Sn附近溶液中c(H+)減小,pH增大。
(3)C中Zn為負(fù)極被腐蝕。
5.“暖貼”是我們冬天中常用的一種用品。某化學(xué)興趣小組對(duì)暖貼中成分及發(fā)熱原理展開(kāi)了探究。
(1)“暖貼”中含有鐵粉、活性炭、水、氯化鈉等物質(zhì),其發(fā)熱原理是鐵生銹時(shí)會(huì)放熱,其中一種生成物是Fe(OH)3,請(qǐng)寫(xiě)出相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式: 　。
(2)檢驗(yàn)配料中含有鐵粉。用磁鐵吸引黑色粉末,發(fā)現(xiàn)部分黑色粉末被吸引;取少量附著在磁鐵上的粉末置于試管中,加入適量稀鹽酸,通過(guò)觀察得到的現(xiàn)象是產(chǎn)生氣泡、　　　　　,得出配料中含有鐵粉。
(3)檢驗(yàn)配料中含有活性炭。暖貼中的活性炭是利用它能　　　　　大量潮濕的空氣,為鐵粉氧化提供條件。該小組用圖中所示方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將暖貼配料放在燃燒匙中,在酒精燈上加熱,觀察到燒杯內(nèi)壁變渾濁,說(shuō)明含有活性炭。此方案　　　　(填“可行”或“不可行”),若可行,寫(xiě)出其理論依據(jù),若不可行,請(qǐng)寫(xiě)出合適的方法:
　 　。
(4)探究暖貼中活性炭、食鹽、水等物質(zhì)的作用。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表:
實(shí)驗(yàn)
編號(hào) 實(shí)驗(yàn)藥品及用量 反應(yīng)時(shí)
間/min 溫度上
升值/℃
鐵粉/g 活性炭/g 食鹽/g 水/g
對(duì)照組 2 0.4 0.2 8 10 60
實(shí)
驗(yàn)
組 1 0 0.4 0.2 8 10 0
2 2 0.4 0 8 10 30
3 2 0.4 0.2 0 10 6.5
4 2 a b 8 10 3.7
①分析對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組第　　　　組的數(shù)據(jù),可證明食鹽能加快鐵粉的銹蝕。
②實(shí)驗(yàn)組第4組數(shù)據(jù)中a=　 　　　,b=　　　　。
(5)下列說(shuō)法正確的是　　　　(填字母)。
A.暖貼在使用前要密封保存
B.暖貼使用后剩余物可回收利用
C.利用鐵生銹的原理,鐵粉還可用于食品保鮮
答案:(1)4Fe+3O2+3H2O══2Fe(OH)3+Fe2O3
(2)黑色粉末逐漸溶解且溶液變?yōu)闇\綠色　
(3)吸附　不可行　將樣品放入試管中,通入氧氣,加熱,然后將生成的氣體通入澄清石灰水中,若變渾濁,說(shuō)明含有活性炭　
(4)①2　②0　0.2　
(5)ABC
解析:(1)鐵生銹的反應(yīng)物為鐵、氧氣和水,鐵生銹會(huì)有氧化鐵生成,而另一種生成物為氫氧化鐵,根據(jù)質(zhì)量守恒定律可寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程式為4Fe+3O2+3H2O══2Fe(OH)3+Fe2O3。
(2)氯化亞鐵溶液顯淺綠色,所以可以觀察到黑色粉末逐漸溶解且溶液變?yōu)闇\綠色。
(3)活性炭具有吸附性,可以吸附潮濕的空氣,有利于鐵的生銹;酒精燃燒也會(huì)生成二氧化碳,直接罩在火焰上方,不能得出樣品中有活性炭。
(4)①驗(yàn)證食鹽能加快鐵粉的銹蝕速率,則變量為食鹽,其他實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)與對(duì)照組保持一致,因此為實(shí)驗(yàn)組第2組的數(shù)據(jù)。
②分析可知實(shí)驗(yàn)組第4組的數(shù)據(jù)是為了驗(yàn)證活性炭能加快鐵粉的銹蝕速率,故a=0,其他實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)與對(duì)照組保持一致,故b=0.2。
(5)鐵生銹需要接觸空氣,所以使用前要密封保存,A正確;暖貼使用后,起催化作用的活性炭與氯化鈉都未被消耗,可回收利用,此外鐵銹也可回收利用,B正確;鐵生銹消耗氧氣,不利于食物腐爛變質(zhì),所以鐵粉還可用于食品保鮮,C正確。第三節(jié)　金屬的腐蝕與防護(hù)
課后·訓(xùn)練提升
基礎(chǔ)鞏固
1.研究電化學(xué)腐蝕及防護(hù)的裝置如下圖所示。下列有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　)。
A.d為石墨,鐵片腐蝕加快
B.d為石墨,石墨上電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-4OH-
C.d為鋅塊,鐵片不易被腐蝕
D.d為鋅塊,鐵片上電極反應(yīng)為2H++2e-H2↑
答案:D
解析:A項(xiàng),因?yàn)榛顒?dòng)性:Fe>石墨,所以鐵、石墨及海水構(gòu)成原電池,Fe為負(fù)極,失去電子被氧化變?yōu)镕e2+進(jìn)入溶液,溶解在海水中的氧氣在正極石墨上得到電子被還原,比沒(méi)有形成原電池時(shí)的速率大,正確;B項(xiàng),d為石墨,所以發(fā)生的是吸氧腐蝕,石墨上氧氣得到電子,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-4OH-,正確;C項(xiàng),若d為鋅塊,則由于金屬活動(dòng)性:Zn>Fe,Zn為原電池的負(fù)極,Fe為正極,首先被腐蝕的是Zn,鐵得到保護(hù),鐵片不易被腐蝕,正確;D項(xiàng),d為鋅塊,發(fā)生的是吸氧腐蝕,在鐵片上發(fā)生的電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-4OH-,錯(cuò)誤。
2.下列有關(guān)金屬腐蝕與防護(hù)的說(shuō)法正確的是(　　)。
A.鋼鐵銹蝕時(shí),鐵原子失去電子成為Fe3+,而后生成Fe(OH)3,再部分脫水成為氧化鐵的水合物
B.當(dāng)鍍錫鐵制品的鍍層破損時(shí),鍍層仍能對(duì)鐵制品起保護(hù)作用
C.在海輪外殼連接鋅塊保護(hù)外殼不受腐蝕是采用了犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法
D.可將地下輸油鋼管與外加直流電源的正極相連以保護(hù)它不受腐蝕
答案:C
解析:鋼鐵在銹蝕時(shí),鐵原子失去電子生成Fe2+,A項(xiàng)錯(cuò)誤;Fe、Sn和電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池時(shí),Fe作負(fù)極,負(fù)極失電子被腐蝕,所以當(dāng)鍍錫鐵制品的鍍層破損時(shí),鍍層不能對(duì)鐵制品起保護(hù)作用,B項(xiàng)錯(cuò)誤;鋅、鐵和海水構(gòu)成原電池,鋅比鐵活潑,作原電池的負(fù)極被氧化,鐵作正極被保護(hù),為犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法,C項(xiàng)正確;Fe與正極相連作陽(yáng)極,活性電極作陽(yáng)極時(shí),電極失電子被腐蝕,則地下輸油鋼管與外加直流電源的負(fù)極相連以保護(hù)它不受腐蝕,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
3.如圖所示,為防止鐵管道腐蝕分別采取了如下甲、乙兩種方法,下列有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　)。
A.方法甲叫做犧牲陽(yáng)極保護(hù)法,R可以選擇Zn、Cu等金屬
B.方法乙叫做外加電流保護(hù)法
C.兩種方法的實(shí)質(zhì)均是阻止鐵發(fā)生氧化反應(yīng)而腐蝕
D.在潮濕的酸性土壤中,鐵管道主要發(fā)生析氫腐蝕
答案:A
解析:方法甲叫做犧牲陽(yáng)極保護(hù)法,Fe作正極,R為負(fù)極,R可以選擇比Fe活潑的金屬,如Zn等,不能用Cu,A項(xiàng)錯(cuò)誤;乙方法中形成電解池,Fe作陰極,則方法乙叫做外加電流保護(hù)法,B項(xiàng)正確;防止鐵管道腐蝕,即防止Fe發(fā)生氧化反應(yīng),所以兩種方法的實(shí)質(zhì)均是阻止鐵發(fā)生氧化反應(yīng)而腐蝕,C項(xiàng)正確;酸性條件下,鐵發(fā)生析氫腐蝕,則在潮濕的酸性土壤中,鐵管道主要發(fā)生析氫腐蝕,D項(xiàng)正確。
4.下列對(duì)生鐵片銹蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)的分析正確的是(　　)。
序號(hào) ① ② ③
實(shí)驗(yàn)
現(xiàn)象 8小時(shí)未觀察到明顯銹蝕 8小時(shí)未觀察到明顯銹蝕 1小時(shí)觀察到明顯銹蝕
A.對(duì)比實(shí)驗(yàn)①②③,說(shuō)明苯能隔絕O2
B.實(shí)驗(yàn)①中,生鐵片未見(jiàn)明顯銹蝕的主要原因是缺少O2
C.實(shí)驗(yàn)②中,飽和食鹽水中溶解的O2不足以使生鐵片明顯銹蝕
D.實(shí)驗(yàn)③中,屬于鐵的吸氧腐蝕,負(fù)極反應(yīng):O2+4e-+2H2O4OH-
答案:C
解析:對(duì)比①②③,說(shuō)明生鐵腐蝕,碳為正極,鐵為負(fù)極,需足量O2和水,由實(shí)驗(yàn)③可知,生鐵片明顯銹蝕,說(shuō)明苯不能隔絕O2,故A錯(cuò)誤;原電池的形成條件:有兩個(gè)活潑性不同的電極、電解質(zhì)溶液、閉合回路,實(shí)驗(yàn)①中,苯不是電解質(zhì)溶液,生鐵難以腐蝕,故B錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)③中,鐵是負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),生成Fe2+,電極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+,故D錯(cuò)誤。
5.某課外活動(dòng)小組,將剪下的一塊鍍鋅鐵片放入試劑瓶中,加入少量食鹽水,再加數(shù)滴酚酞溶液,按下圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),數(shù)分鐘后觀察,下列現(xiàn)象不可能出現(xiàn)的是(　　)。
A.乙中導(dǎo)氣管里形成一段水柱
B.乙中導(dǎo)氣管中產(chǎn)生氣泡
C.金屬片剪口處溶液變紅
D.鋅被腐蝕
答案:B
解析:鍍鋅鐵片與食鹽水形成的原電池中,金屬鋅為負(fù)極,發(fā)生反應(yīng):Zn-2e-Zn2+,鐵為正極,發(fā)生吸氧腐蝕,即2H2O+O2+4e-4OH-,所以錐形瓶中氣體壓強(qiáng)減小,導(dǎo)氣管里形成一段水柱,生成的氫氧根離子能使酚酞溶液變紅色。原電池形成后沒(méi)有氣體生成,所以乙中導(dǎo)氣管中不會(huì)產(chǎn)生氣泡,B項(xiàng)錯(cuò)誤。
6.某實(shí)驗(yàn)小組欲探究犧牲陽(yáng)極法的原理,設(shè)計(jì)如圖實(shí)驗(yàn)裝置:
實(shí)驗(yàn)Ⅰ:向燒杯中加入一定量的飽和食鹽水,插入兩個(gè)無(wú)底玻璃筒。將一根鋅棒和一根鐵棒用導(dǎo)線與電流表連接后,再分別插入兩個(gè)玻璃筒中,電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
(1)鋅棒上發(fā)生的電極反應(yīng)為　　　　　　　　　;鐵棒上發(fā)生的電極反應(yīng)為　　　　　　　　　　　　。
(2)向鐵棒附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液,無(wú)明顯現(xiàn)象,這說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)中無(wú)　　　　　產(chǎn)生。
實(shí)驗(yàn)Ⅱ:該小組的同學(xué)將鋅棒換為銅棒,并用導(dǎo)線將其與電流表連接。一段時(shí)間后,向插入鐵棒的玻璃筒內(nèi)滴入幾滴K3[Fe(CN)6]溶液,向插入銅棒的玻璃筒內(nèi)滴入幾滴酚酞溶液。
(3)實(shí)驗(yàn)Ⅱ中電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向與實(shí)驗(yàn)Ⅰ　　　　　(填“相同”或“相反”)。
(4)在鐵棒和銅棒附近可觀察到的現(xiàn)象分別是　　　　　　、　　　　　　。
(5)上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明,活潑性不同的兩種金屬作電極構(gòu)成原電池時(shí),一般是相對(duì)
　　　　　(填“活潑”或“不活潑”)的金屬被保護(hù),根據(jù)此原理采取的金屬防護(hù)方法稱為　　　　　　　　　　　　　　。
答案:(1)2Zn-4e-2Zn2+　2H2O+O2+4e-4OH-
(2)Fe2+　(3)相反
(4)產(chǎn)生藍(lán)色沉淀　溶液變紅色
(5)不活潑　犧牲陽(yáng)極法
解析:鋅、鐵、氯化鈉溶液構(gòu)成原電池時(shí),發(fā)生的是吸氧腐蝕,鋅作負(fù)極被腐蝕,鐵作正極被保護(hù)。銅、鐵、氯化鈉溶液構(gòu)成原電池時(shí),發(fā)生的也是吸氧腐蝕,銅作正極被保護(hù),鐵作負(fù)極被腐蝕。因?yàn)閮纱螌?shí)驗(yàn)中原電池的電子流向相反,所以電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向也相反。鐵作負(fù)極時(shí),Fe失去電子生成Fe2+,與K3[Fe(CN)6]反應(yīng)生成藍(lán)色沉淀,銅作正極,電極反應(yīng)式為2H2O+O2+4e-4OH-,故在銅棒附近溶液變紅色。對(duì)比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可知,一般情況下,發(fā)生吸氧腐蝕時(shí),活潑金屬被腐蝕,不活潑金屬被保護(hù),根據(jù)此原理采取的金屬防護(hù)法稱為犧牲陽(yáng)極法。
能力提升
1.如圖是金屬犧牲陽(yáng)極法的實(shí)驗(yàn)裝置,有關(guān)說(shuō)法正確的是(　　)。
A.加入K3[Fe(CN)6]溶液后,Fe電極附近不會(huì)產(chǎn)生帶有特征藍(lán)色的沉淀
B.本實(shí)驗(yàn)犧牲金屬Fe保護(hù)金屬Zn
C.該裝置為電解池
D.遠(yuǎn)洋貨輪上鑲嵌的金屬Zn長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)有什么變化,不需要更換
答案:A
解析:鐵被保護(hù),所以溶液中不會(huì)產(chǎn)生Fe2+,加入
K3[Fe(CN)6]溶液后,Fe電極附近不會(huì)產(chǎn)生帶有特征藍(lán)色的沉淀,A項(xiàng)正確;鋅失電子作負(fù)極,鐵作正極,所以犧牲鋅保護(hù)鐵,B項(xiàng)錯(cuò)誤;該裝置沒(méi)有外接電源,所以是原電池而不是電解池,C項(xiàng)錯(cuò)誤;遠(yuǎn)洋貨輪船底鑲嵌鋅塊,其中鋅與鐵構(gòu)成原電池,鋅作負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng),鋅被腐蝕,為保護(hù)貨輪需定期更換,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
2.銅板上鐵鉚釘處的吸氧腐蝕原理如圖所示,下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(　　)。
A.正極反應(yīng)式: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:根據(jù)題圖知,水中溶解了氧氣,銅、鐵和水構(gòu)成了原電池,較活潑的金屬作負(fù)極,較不活潑的金屬作正極,發(fā)生吸氧腐蝕。正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e-4OH-,A項(xiàng)錯(cuò)誤;負(fù)極上發(fā)生的電極反應(yīng)式:Fe-2e-Fe2+,正極上的電極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e-4OH-,Fe2+與OH-反應(yīng)生成Fe(OH)2,Fe(OH)2不穩(wěn)定,容易被空氣中的氧氣氧化生成Fe(OH)3,化學(xué)方程式:4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3,B項(xiàng)正確;該原電池中銅作正極,原電池放電時(shí),負(fù)極失電子容易被腐蝕,正極被保護(hù),所以銅不被腐蝕,C項(xiàng)錯(cuò)誤;該原電池放電時(shí),外電路上電子從負(fù)極鐵流向正極銅,電流從Cu流向Fe,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
3.驗(yàn)證犧牲陽(yáng)極法實(shí)驗(yàn)如下(燒杯內(nèi)均為經(jīng)過(guò)酸化的3%NaCl溶液)。
① 在Fe 表面生成藍(lán)色沉淀
② 試管內(nèi)無(wú)明顯變化
③ 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的方法可判斷Fe比Cu活潑
答案:D
解析:對(duì)比②③,②Fe附近的溶液中,不含F(xiàn)e2+,③Fe附近的溶液中,含F(xiàn)e2+,②中Fe被保護(hù),A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錯(cuò)誤。
4.電解是最強(qiáng)有力的氧化還原手段,在化工生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用。請(qǐng)回答下列問(wèn)題。
(1)以銅為陽(yáng)極,以石墨為陰極,用NaCl溶液作電解質(zhì)溶液進(jìn)行電解,得到半導(dǎo)體材料Cu2O和一種清潔能源,則陽(yáng)極反應(yīng)式為　　　　　　　　　　　　,陰極反應(yīng)式為　　　　　　　　　　　。
(2)某同學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示的裝置探究金屬的腐蝕情況。下列判斷合理的是　　　　(填字母)。
圖1
A.②區(qū)銅片上有氣泡產(chǎn)生
B.③區(qū)鐵片的電極反應(yīng)式為2Cl--2e-Cl2↑
C.最先觀察到變成紅色的區(qū)域是②區(qū)
D.②區(qū)和④區(qū)中銅片的質(zhì)量均不發(fā)生變化
(3)最新研究發(fā)現(xiàn),用隔膜電解法處理高濃度乙醛廢水的工藝具有流程簡(jiǎn)單、能耗較低等優(yōu)點(diǎn),其原理是使乙醛分別在陰、陽(yáng)極發(fā)生反應(yīng)生成乙醇和乙酸,總反應(yīng)式為2CH3CHO+H2OCH3CH2OH+CH3COOH。
實(shí)驗(yàn)室中,以一定濃度的乙醛-Na2SO4溶液為電解質(zhì)溶液,模擬乙醛廢水的處理過(guò)程,其裝置如圖2所示。
圖2
①若以甲烷堿性燃料電池為直流電源,則燃料電池中b極應(yīng)通入　　　　　(填化學(xué)式),電極反應(yīng)式為　　　　　　　　　　　。電解過(guò)程中,陰極區(qū)Na2SO4的物質(zhì)的量　　　　(填“增大”“減小”或“不變”)。
②在實(shí)際工藝處理中,陰極區(qū)乙醛的去除率可達(dá)60%。若在兩極區(qū)分別注入1 m3乙醛含量為3 000 mg/L的廢水,可得到乙醇　　　　kg(計(jì)算結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后1位)。
答案:(1)2Cu+H2O-2e-Cu2O+2H+　2H++2e-H2↑
(2)D
(3)①CH4　CH4+10OH--8e-C+7H2O
不變　②1.9
解析:(1)因?yàn)殛?yáng)極材料為銅,所以銅本身失電子被氧化,由題意知氧化產(chǎn)物為Cu2O,可得陽(yáng)極反應(yīng)式為2Cu+H2O-2e-Cu2O+2H+,陰極上陽(yáng)離子放電,即溶液中H+被還原成清潔能源H2。(2)左半?yún)^(qū)是原電池裝置,發(fā)生的是鐵的吸氧腐蝕,負(fù)極(Fe):Fe-2e-Fe2+,正極(Cu):O2+2H2O+4e-4OH-;右半?yún)^(qū)是電解裝置,陽(yáng)極(Fe):Fe-2e-Fe2+,陰極(Cu):2H++2e-H2↑,由于電解引起腐蝕的速率遠(yuǎn)大于吸氧腐蝕的速率,最先觀察到變成紅色的區(qū)域是④區(qū),故A、B、C三項(xiàng)均錯(cuò)誤,D項(xiàng)正確。(3)①根據(jù)電解質(zhì)溶液中陽(yáng)離子的遷移方向,可知c為陽(yáng)極,d為陰極,因此直流電源上a為正極,通入O2,b為負(fù)極,通入CH4,在堿性條件下CH4的氧化產(chǎn)物為C,由此可寫(xiě)出此電極的電極反應(yīng)式。在電解過(guò)程中,S沒(méi)有參與放電,且陽(yáng)離子交換膜不允許陰離子自由通過(guò),因此根據(jù)質(zhì)量守恒可得陰極區(qū)Na2SO4的物質(zhì)的量不變。②陰極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng),即CH3CHO轉(zhuǎn)化成CH3CH2OH,設(shè)生成的乙醇的質(zhì)量為x kg,根據(jù)碳原子守恒可得關(guān)系式:
CH3CHO　　　　~　　　　CH3CH2OH
44 46
3 000×103÷106×60% kg x kg
解得x≈1.9。
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