高中第三节 金属的腐蚀与防护学案设计

第三节　金属的腐蚀与防护

要点一　　金属的腐蚀

1．金属的腐蚀

(1)金属腐蚀的定义和分类

(2)化学腐蚀和电化学腐蚀

(3)钢铁的吸氧腐蚀和析氢腐蚀

2.电化学腐蚀实验

要点二　　金属的防护

1．改变金属材料的组成

在金属中添加其他金属或非金属制成性能优异的合金。如把铬、镍等加入普通钢中制成不锈钢产品；钛合金具有优异的抗腐蚀性和良好的生物相容性。

2．在金属表面覆盖保护层

在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与周围物质隔开。如：

(1)在钢铁表面喷涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等物质。

(2)用电镀等方法，在钢铁表面镀上一层锌、锡、铬、镍等金属。

(3)用化学方法在钢铁部件表面进行发蓝处理(生成一层致密的四氧化三铁薄膜)；利用阳极氧化处理铝制品的表面，使之形成致密的氧化膜而钝化等。

(4)采用离子注入、表面渗镀等方式在金属表面也可以形成稳定的钝化膜。

3．电化学保护法

(1)牺牲阳极法

①通常是在被保护的钢铁设备上(如锅炉的内壁、船舶的外壳等)安装若干镁合金或锌块。镁、锌比铁活泼，它们就成为原电池的负极，不断遭受腐蚀，而作为正极的钢铁设备就被保护起来(如图所示)。

②实验探究

实验1：以Fe作保护电极，Zn作辅助电极，经过酸化的3% NaCl溶液作电解质溶液，按图所示连接装置。观察电流表指针的变化，以及烧杯中两个电极附近发生的现象。过一段时间，用胶头滴管从Fe电极区域取少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察试管中溶液颜色的变化。

实验现象及解释：

注意：Fe2＋与K3[Fe(CN)6]溶液(黄色)反应生成KFe[Fe(CN)6]沉淀(带有特征蓝色)。

实验2：将1 g琼脂加入250 mL烧杯中，再加入50 mL饱和食盐水和150 mL水。搅拌、加热煮沸，使琼脂溶解。稍冷后，趁热把琼脂溶液分别倒入a、b两个培养皿中，各滴入5～6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，混合均匀。取两个2～3 cm的铁钉，用砂纸擦光，将裹有锌皮的铁钉横放入培养皿a中，将缠有铜丝的铁钉横放入培养皿b中。

实验现象及解释：

(2)外加电流法

把被保护的钢铁设备作为阴极，用惰性电极作为辅助阳极，两者均放在电解质溶液里，外接直流电源(如图所示)。

判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)电化学腐蚀比化学腐蚀普遍，吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍。(　　)

(2)钢铁电化学腐蚀的两种类型主要区别在于水膜的pH不同，引起正极反应不同。(　　)

(3)当镀锡铁制品的镀层破损时，镀层仍能对铁制品起保护作用。(　　)

(4)要保护船舶外壳，可将铜块装在船舶外壳上。(　　)

(5)生铁中含有碳，抗腐蚀能力比纯铁弱。(　　)

(6)外加电流法是将被保护金属接在直流电源的正极。(　　)

答案 (1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×

(1)金属的腐蚀中，因环境通常为微酸性或中性，金属表面一般发生吸氧腐蚀。

(2)牺牲阳极法保护金属时，被保护金属作原电池的正极，故应选择比被保护金属活泼性强的金属，才能起到保护作用。

(3)被保护的金属作原电池正极或电解池阴极，不参与电极反应，从而不被氧化。

考点一　　金属腐蚀的类型和速率比较

1．图一、图二是铁钉在不同的水溶液中被腐蚀的实验。

(1)图一实验有什么现象？解释原因。

(2)图二实验有什么现象？解释原因。

答案 (1)铁钉锈蚀，试管内液面上升；原因：Fe－2e－===Fe2＋，O2＋4e－＋2H2O===4OH－，试管内气压减小。

(2)铁钉锈蚀，试管内液面下降；原因：Fe－2e－===Fe2＋，2H＋＋2e－===H2↑，试管内气压增大。

1．金属腐蚀类型的判断方法

(1)根据是否发生原电池反应来判断

发生原电池反应引起的金属腐蚀，属于电化学腐蚀，否则属于化学腐蚀。

(2)根据金属的活动性及电解质溶液的酸性判断，位于金属活动性顺序表中氢前面的金属，在酸性较强的电解质溶液中发生析氢腐蚀，在中性或酸性较弱的电解质溶液中发生吸氧腐蚀；金属活动性顺序在氢后面的金属只可能发生吸氧腐蚀。

2．金属腐蚀速率比较

(1)在同一电解质溶液中，金属腐蚀的由快到慢的顺序是电解池的阳极＞原电池的负极＞化学腐蚀＞原电池的正极＞电解池的阴极。

(2)在不同溶液中，金属在电解质溶液中的腐蚀＞金属在非电解质溶液中的腐蚀；金属在强电解质溶液中的腐蚀＞金属在弱电解质溶液中的腐蚀。

(3)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。

【例题1】 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

思维导引：根据电解质溶液的酸、碱性，判断腐蚀类型，及其引起的试管内气压的变化。

答案　B

解析　a为中性环境，发生吸氧腐蚀，氧气被消耗，气体压强减小；b为酸性较强环境，发生析氢腐蚀，有氢气放出，气体压强增大，所以红墨水柱两边的液面变为左高右低，B项错误。

【变式1】 铁生锈是一种常见的自然现象，其主要的化学反应方程式为2Fe＋O2＋xH2O===Fe2O3·xH2O。如图是一放在水槽中的铁架，水位高度如图所示，则最容易生锈的铁架横杆是(　　)

A．①  B．②

C．③  D．④

答案　C

解析　④处横杆没有和水接触，腐蚀速率较慢；①②③处横杆均与水接触，构成原电池，但①②处O2较少，所以③处横杆被腐蚀最快。

考点二　　金属的防腐措施

2．防止金属的腐蚀是世界级难题，每年全世界钢产量的四分之一因腐蚀而损失。

(1)为降低某水库铁闸门的腐蚀速率，可以采用图甲方案，焊接在铁闸门上的固体材料R采用什么金属？

(2)图乙所示方案也可降低铁闸门的腐蚀速率，铁闸门应连接直流电源的什么极，这属于哪种防护方法？

答案 (1)图甲是牺牲阳极法保护铁闸门，R活泼性应比铁强且能稳定存在于水溶液中，通常选锌。

(2)铁闸门接电源负极，这是外加电流法。

1．金属的防护方法

2．电化学保护法的对比

【例题2】 下列关于如图所示的实验装置的判断中错误的是(　　)

A．若X为碳棒，开关K置于A处可减缓铁的腐蚀

B．若X为锌棒，开关K置于A或B处都可减缓铁的腐蚀

C．若X为锌棒，开关K置于B处时，为金属防护的牺牲阳极法

D．若X为碳棒，开关K置于B处时，铁电极上发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑

思维导引：根据X的材料和K的连接方式的不同，结合原电池原理和电解池原理进行分析。

答案　D

解析　若X为碳棒，开关K置于A处，铁作电解池的阴极，被保护，A项正确；若X为锌棒，开关K置于A处，铁作电解池的阴极，属外加电流法，若X为锌棒，开关K置于B处，铁作原电池的正极，属牺牲阳极法，B、C项正确；若X为碳棒，开关K置于B处，铁作原电池的负极，电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，D项错误。

【变式2】 下列对几种常见的金属防腐方法的描述错误的是(　　)

答案　B

解析　若保护层金属的活动性大于被保护金属的活动性，则保护层破损后，仍然起到对金属的保护作用。

1．(金属的腐蚀与防护)下列叙述错误的是(　　)

A．生铁中含有碳，抗腐蚀能力比纯铁弱

B．用锡焊接的铁质器件，焊接处易生锈

C．在铁制品上镀铜时，镀件为阳极，铜盐为电镀液

D．铁管上镶嵌锌块，铁管不易被腐蚀

答案　C

解析　A、B项，都是原电池原理，铁作负极，更易被腐蚀，正确；D项，牺牲阳极法保护铁不被腐蚀，正确。

2．(金属腐蚀的防护方法)下列金属的防护措施中，属于电化学保护法的是(　　)

A．用氧化剂使金属表面生成致密稳定的氧化物保护膜

B．在金属中加入一些铬或镍制成合金

C．在轮船的船壳水线以下部分装上锌锭

D．在金属表面喷漆

答案　C

解析　在轮船的船壳水线以下部分装上锌锭，能形成锌铁原电池，锌为负极，被腐蚀，铁被保护，C项正确。

3．(析氢腐蚀与吸氧腐蚀的判断)如图所示装置中，在U形管底部盛有CCl4，分别在U形管两端小心倒入饱和食盐水和稀硫酸，并使a、b两端液面相平，然后分别塞上插有生铁丝的塞子，密封好，放置一段时间后，下列有关叙述错误的是(　　)

A．铁丝在两处的腐蚀速率：a＜b

B．a、b两端相同的电极反应式为Fe－2e－=== Fe2＋

C．一段时间后，a端液面高于b端液面

D．生铁丝中的碳在a、b两处分别作原电池的负极和正极

答案　D

解析　酸性较强的环境中，生铁发生析氢腐蚀；在酸性较弱或中性环境中，生铁发生吸氧腐蚀。无论哪种腐蚀，Fe均为负极，电极反应均为Fe－2e－=== Fe2＋；C均为正极，电极反应分别为2H＋＋2e－=== H2↑(析氢腐蚀)、O2＋2H2O＋4e－===4OH－(吸氧腐蚀)，故一段时间后，a端液面高于b端液面。故选D项。

4．(金属腐蚀的快慢比较)四块相同的锌片分别放置在下列四个装置中(烧杯中均盛有0.1 mol·L－1 NaCl溶液)，则锌片腐蚀最快的是(　　)

答案　C

解析　在同一电解质溶液中，金属腐蚀由快到慢的顺序是电解池的阳极＞原电池的负极＞化学腐蚀＞原电池的正极＞电解池的阴极。由题可知，A项为化学腐蚀，B、C项为电化学腐蚀，根据金属活动性顺序，镁的金属性大于锌，锌金属性大于铜，故形成原电池时，B项锌为正极，C项锌为负极，D项锌片作电解池的阴极。锌片腐蚀由快到慢的顺序为C>A>B>D，故选C项。

5．(综合应用)金属腐蚀的电化学原理模拟图如图所示。

(1)请写出有关电极反应式。

①铁棒上的电极反应式：______________________________________。

②碳棒上的电极反应式：______________________________________。

(2)该图所表示的是____(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀。

(3)若将O2撤走，并将NaCl溶液改为稀硫酸，则此图可表示____(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀原理；若用牺牲阳极法来保护铁棒不被腐蚀溶解，则可将碳棒改为____棒。

解析 (1)(2)电解质是NaCl溶液，溶液呈中性，发生吸氧腐蚀，负极反应式是2Fe－4e－===2Fe2＋，正极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(3)若将O2撤走，并将NaCl溶液改为稀硫酸，此时发生析氢腐蚀；若用牺牲阳极法来保护铁棒不被腐蚀溶解，此时构成的原电池中铁棒作正极，负极应是比铁活泼的金属，因此可将碳棒改为锌棒。

答案 (1)①2Fe－4e－===2Fe2＋　②O2＋2H2O＋4e－===4OH－　(2)吸氧　(3)析氢　锌(或其他比铁活泼的金属)