化学第4节 金属的腐蚀与防护学案及答案

第4节　金属的腐蚀与防护

学习目标

1.通过金属腐蚀原理的探究,了解金属发生电化学腐蚀的本质。

2.通过金属腐蚀内容的学习,知道金属腐蚀的危害。

3.通过金属防腐方法的探究,了解防止金属腐蚀的措施。

学习任务　探究金属腐蚀与防护

1.金属腐蚀

(1)概念:金属表面因与周围的物质发生氧化还原反应而遭到破坏的现象。

(2)根据与金属接触的气体或液体物质不同,金属腐蚀可分为两类:

①化学腐蚀:金属与接触到的干燥气体(如O2、Cl2等)或非电解质液体等直接发生化学反应而引起的腐蚀。例如铜在高温下被空气中的氧气氧化而变黑。

②电化学腐蚀:不纯的金属与电解质溶液接触时,会发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子而被氧化。例如铁在潮湿的空气中生成红褐色的铁锈。

微点拨:电化学腐蚀快于化学腐蚀的原因是化学腐蚀氧化、还原两个半反应在同一界面发生,效率较低;而电化学腐蚀氧化、还原两个半反应在不同电极表面发生,效率较高。

2.钢铁的电化学腐蚀

微点拨:金属腐蚀一般是指钢铁腐蚀,因为人类用的最多的金属是Fe、Al、Cu。Cu活泼性较低,不易腐蚀,一般无需防护;Al虽然活泼性强于铁,但是其表面易形成Al2O3膜而起到保护作用,一般也不需要特殊保护。

3.金属腐蚀的防护

(1)涂层保护法。

(2)牺牲阳极保护法。

(3)阴极电保护法(也叫外加电流阴极保护法)。

(4)加入Ni、Cr制成不锈钢。

(5)连接电源正极,保持适当电压使金属表面处于钝化态,可以称之为电钝化保护法。

4.金属电化学腐蚀的应用

(1)金属电化学腐蚀的两个特点:金属吸氧腐蚀会消耗氧气和水,同时金属电化学腐蚀会放热。

(2)金属电化学腐蚀上述两个特点的应用:金属吸氧腐蚀消耗氧气和水,可用于除氧气和干燥,防止食品变质;金属腐蚀放热可用于制作一次性保暖贴等。

微点拨:除了除去氧气作食品保鲜剂,作供热剂之外,利用金属电化学腐蚀还可以测量空气中氧气含量,利用其电极反应高活性来进行污水的氧化还原处理等。

　某同学设计了如下实验,探究铁吸氧腐蚀发生的部位。

实验用品:铁片、铁钉、NaCl溶液、铁氰化钾溶液(与Fe2+反应产生蓝色物质)、酚酞。

[实验1] 取一铁片,在上面滴一大滴NaCl溶液(加入了铁氰化钾溶液和酚酞),放在空气中静置观察。

现象:液滴中心处产生蓝色物质,液滴表面变红色。

[实验2] 取一铁钉放于试管中,试管内加入适量NaCl溶液使铁钉部分露出液面,滴加少量铁氰化钾溶液和酚酞,放在空气中静置,观察现象。

现象:铁钉下端产生蓝色物质,液体表面变红色。

探究　金属吸氧腐蚀部位

问题1:实验1中产生蓝色物质说明液滴中心处生成了含几价铁元素的离子?液滴中心电极反应是什么?

提示:+2价。液滴中心是负极,电极反应为Fe-2e-Fe2+。

问题2:实验1中液滴表面变红色,说明表面产生较多的哪种离子?为什么?

提示:表面产生较多的OH-。表面氧气含量丰富,发生电极反应O2+2H2O+4e-4OH-。

问题3:如何解释实验2中的现象?

提示:溶液表面氧气丰富,表面部位铁钉作正极,发生反应O2+2H2O+4e-4OH-,显碱性,导致酚酞变红。下端氧气含量少,该部位的铁钉作负极,发生反应Fe-2e-Fe2+,产生的Fe2+与铁氰化钾反应产生蓝色物质。

发生吸氧腐蚀时,正极是氧气浓度较高的部位,负极是氧气浓度较低的部位。正极产生OH-向负极移动,负极产生Fe2+向正极移动,两者主要在正、负极之间产生 Fe(OH)2,Fe(OH)2继续被氧化为Fe(OH)3,然后经过一段时间变为Fe2O3的水合物即铁锈,因此铁锈最多的部位是正、负极之间某处部位。

1.(2021·安徽宿州期中)下列关于金属的腐蚀与防护的叙述不正确的是(　A　)

A.马口铁(镀锡铁)即使镀层破损,依然不易生锈

B.图①若将钢闸门与电源的负极相连,可防止钢闸门腐蚀

C.图①若断开电源,钢闸门将发生吸氧腐蚀

D.图②若金属M比铁活泼,可防止钢铁输水管腐蚀

解析:由于Fe比Sn活泼,马口铁(镀锡铁)镀层破损,将因为与空气中的H2O、O2等发生电化学腐蚀,加快铁生锈,A不正确;图①若将钢闸门与电源的负极相连,则钢闸门作阴极,故可防止钢闸门腐蚀,B正确;图①若断开电源,钢闸门中将形成Fe和C两电极,在海水和O2作用下形成原电池,电解质溶液呈中性或弱酸性,故将发生吸氧腐蚀,C正确;图②若金属M比铁活泼,则M作负极,失电子,从而保护了铁,故可防止钢铁输水管腐蚀,D正确。

2.(2021·山东济南期中)中学化学教材中,常借助图像这一表现手段清晰地突出实验装置的要点,形象地阐述化学过程的原理。下列有关化学图像表现的内容不正确的是(　C　)

A.图1表示牺牲阳极保护法

B.图2所示装置中的铁钉几乎没被腐蚀

C.图3表示电镀

D.用图4装置表示精炼铜,则a极为粗铜,电解质溶液为CuSO4溶液

解析:图1中锌比铁活泼,锌失电子,被氧化,从而保护了铁不被腐蚀,故表示牺牲阳极保护法,A正确;由于常温下铁遇到浓硫酸发生钝化,所以图2所示装置中的铁钉几乎没被腐蚀,B正确;电镀时待镀物品(镀件)应该与电源的负极相连作阴极,故图3表示电镀的正、负极接反了,C错误;用图4装置表示精炼铜,则a极与电源的正极相连,作阳极,应接粗铜,电解质溶液为CuSO4溶液,D正确。

3.(2021·上海敬业中学期中)“双吸剂”含铁粉、活性炭和氯化钠等,可延长食品保质期。下列有关叙述正确的是(　A　)

A.主要发生吸氧腐蚀

B.电能转变为化学能

C.吸收的气体是O2和CO2

D.正极反应为Fe-2e-Fe2+

解析:铁为金属,活泼性大于碳,氯化钠为电解质,潮湿环境中形成原电池,为中性环境,发生铁的吸氧腐蚀,A正确;形成原电池,将化学能转化为电能,B错误;该过程发生铁的吸氧腐蚀,正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子,吸收的气体是O2和水蒸气,C错误;负极反应为Fe-2e-Fe2+,正极反应是O2+4e-+2H2O4OH-,D错误。

金属腐蚀的本质是金属发生氧化反应,所以金属防腐就是防止金属发生氧化反应的过程。原电池负极、电解池阳极均发生氧化反应,所以只要让金属作原电池的正极及电解池的阴极即可保护金属。

【知识整合】

【易错提醒】

1.误认为发生电化学腐蚀时没有化学腐蚀存在。其实不然,电化学腐蚀的速率远快于化学腐蚀的,因此金属腐蚀主要由电化学腐蚀造成,发生电化学腐蚀的同时也会发生化学腐蚀,只是经常忽略不计。

2.误认为金属保护层破坏后起不到保护作用了。其实不然,如果金属保护层的活泼性大于被保护金属的,则保护层破坏后仍能起到保护作用,但如果保护层金属的活泼性比被保护金属的弱,则此时被保护金属作负极,发生氧化反应,不但起不到保护作用,反而加快了腐蚀。

3.误认为牺牲阳极保护法是利用了电解原理对金属进行防护。其实不然,因为电化学上规定:发生氧化反应的电极是阳极。原电池的负极发生的就是氧化反应,也就是说,牺牲阳极保护法是遵循了电化学上对阳极的定义,当然,这也是一种习惯叫法。

4.误认为无论是吸氧腐蚀还是析氢腐蚀,作为负极的铁被氧化成Fe3+。其实不然,铁被氧化成Fe2+。