高中人教版 (2019)第三节 金属的腐蚀与防护学案及答案

第三节　金属的腐蚀与防护

[核心素养发展目标]　1.科学探究与创新意识：通过实验科学探究金属腐蚀的本质及其原因，认识金属腐蚀的主要类型，能正确书写析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式。2.科学态度与社会责任：认识金属腐蚀产生的危害和影响，树立防止金属腐蚀的意识，熟知金属腐蚀常用的防护方法。

一、金属的腐蚀

1．金属的腐蚀

(1)概念：金属或合金与周围的气体或液体发生氧化还原反应而引起损耗的现象。其实质是金属原子失去电子变为阳离子，金属发生氧化反应。

(2)根据与金属接触的气体或液体不同，金属腐蚀可分为两类：

①化学腐蚀：金属与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2、SO2等)直接反应而引起的腐蚀。腐蚀的速率随温度升高而加快。

②电化学腐蚀：当不纯的金属与电解质溶液接触时会发生原电池反应，比较活泼的金属发生氧化反应而被腐蚀。

特别提醒　金属腐蚀过程中，电化学腐蚀和化学腐蚀同时发生，但绝大多数属于电化学腐蚀，且比化学腐蚀的速率大得多。

2．钢铁的电化学腐蚀

3.实验探究：电化学腐蚀

(1)

(2)

(1)无论化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属的腐蚀都是金属失电子被氧化的过程(√)

(2)因为CO2普遍存在，所以钢铁腐蚀以析氢腐蚀为主(×)

(3)铜在酸性条件也可以发生析氢腐蚀(×)

(4)纯铁不易腐蚀，生铁易腐蚀，是因为生铁中含碳能形成原电池发生电化学腐蚀(√)

(5)铁的电化学腐蚀负极反应为Fe－3e－===Fe3＋(×)

易错提醒　Fe在电化学反应中，FeFe2＋，而不直接生成Fe3＋；Fe3＋Fe2＋，而不能直接生成Fe。

1．下列关于金属腐蚀的说法正确的是(　　)

A．金属在潮湿空气中腐蚀的实质是：

M＋nH2O===M(OH)n＋H2↑

B．金属的化学腐蚀的实质是：M－ne－===Mn＋，电子直接转移给氧化剂

C．金属的化学腐蚀必须在酸性条件下进行

D．在潮湿的环境中，金属的电化学腐蚀一定是析氢腐蚀

答案　B

解析　金属腐蚀的实质是金属失去电子，在酸性较强的电解质溶液中发生析氢腐蚀放出H2，而在中性或酸性较弱的电解质溶液中发生吸氧腐蚀，析氢腐蚀和吸氧腐蚀均属于电化学腐蚀。

2．下图所示的各容器中均盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是__________。

答案　④>②>①>③

解析　当电解质溶液相同时，同一金属腐蚀的快慢是电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。本题中，铁腐蚀由快到慢的顺序为④>②>①>③。

金属腐蚀快慢的判断方法

(1)在同一电解质溶液中，金属腐蚀由快到慢的顺序为：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)同一种金属在不同介质中腐蚀由快到慢的顺序为强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。

(3)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，金属腐蚀越快。

(4)金属活泼性差别越大，活泼性强的金属腐蚀越快。

二、金属的防护

金属的防护主要从金属、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面来考虑。

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。如普通钢加入镍、铬制成不锈钢，钛合金不仅具有优异的抗腐蚀性能且具有良好的生物相容性。

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是一种普遍采用的防护方法。如，在钢铁制品表面喷油漆、涂矿物性油脂、覆盖搪瓷等；电镀锌、锡、铬、镍等，利用化学方法、离子注入法、表面渗镀等方式在金属表面形成稳定的钝化膜。

3．电化学保护法

金属在发生电化学腐蚀时，总是作为原电池负极(阳极)的金属被腐蚀，作为正极(阴极)的金属不被腐蚀，如果能使被保护的金属成为阴极，就不易被腐蚀。

(1)牺牲阳极法

原理：原电池原理

要求：被保护的金属作正极，活泼性更强的金属作负极。

应用：锅炉内壁、船舶外壳、钢铁闸门安装镁合金或锌块

实验探究一

如图装置反应一段时间后，往Fe电极区滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察实验现象。

已知Fe2＋与[Fe(CN)6]3－反应生成带有特征蓝色的KFe[Fe(CN)6]沉淀。

实验探究二：

培养皿中放入含有NaCl的琼脂，并注入5～6滴酚酞和K3[Fe(CN)6]溶液，取两个2～3 cm的铁钉，用砂纸擦光，将裹有锌皮的铁钉放入a，缠有铜丝的铁钉放入b。

(2)外加电流法

原理：电解池原理

要求：被保护的金属作为阴极，与电源的负极相连

应用：钢铁闸门，高压线铁架，地下管道连接直流电源的负极。

(1)牺牲阳极法利用的是电解池原理(×)

(2)在铁制品表面镀锌，是为了防止铁制品的腐蚀，而且镀层有损坏，仍可对铁制品起到保护作用(√)

(3)铁制品涂油脂、喷油漆是为了隔绝铁与氧气的接触，起到保护铁制品的作用(√)

(4)铁闸门可与外加电源的正极相连，起到保护作用(×)

(5)原电池反应是导致金属腐蚀的主要原因，故不能用来减缓金属的腐蚀(×)

1．下列有关金属铁的腐蚀与防护，说法正确的是(　　)

A．在钢铁表面进行发蓝处理，生成四氧化三铁薄膜保护金属

B．当镀锡铁和镀锌铁镀层破损时，后者更易被腐蚀

C．铁与电源正极连接可实现电化学保护

D．阳极氧化处理铝制品生成致密的保护膜属于电化学保护法

答案　A

解析　A项，四氧化三铁的致密保护膜可防止腐蚀，正确；B项，由于金属活动性Zn>Fe>Sn，所以镀锡铁镀层破损时，Fe作原电池的负极首先被腐蚀，而镀锌铁镀层破损时，由于Fe作正极，被腐蚀的是活动性强的Zn，Fe被保护起来，因此当镀锡铁和镀锌铁镀层破损时，前者更易被腐蚀，错误；C项，铁与电源负极连接可实现电化学保护，错误。

2．下列对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处均可减缓铁的腐蚀

C．若X为锌棒，开关K置于B处时，为牺牲阳极法

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↑

答案　D

解析　若X为碳棒，开关K置于A处，Fe为电解池的阴极，属于外加电流法，A项正确；若X为碳棒，开关K置于B处，Fe为原电池的负极，电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，D项不正确；若X为锌棒，K置于A处，Fe为电解池的阴极，属于外加电流法，K置于B处时，Fe为原电池的正极，属于牺牲阳极法，B项和C项均正确。

随堂演练　知识落实

1．下列有关金属电化学腐蚀的说法正确的是(　　)

A．铜既可以发生析氢腐蚀也可以发生吸氧腐蚀

B．铁只能发生析氢腐蚀

C．铜只能发生吸氧腐蚀

D．析氢腐蚀比吸氧腐蚀普遍

答案　C

解析　在金属活动性顺序中，铜排在氢之后，铜不能将氢气置换出来，所以不能发生析氢腐蚀，只能发生吸氧腐蚀，故A项错误，C项正确；铁既可以发生析氢腐蚀也可以发生吸氧腐蚀，故B错误；在自然界中，吸氧腐蚀比析氢腐蚀普遍，故D错误。

2．铜板上铁铆钉的吸氧腐蚀原理如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．正极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

B．此过程中还涉及反应4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3

C．此过程中Fe、Cu均被腐蚀

D．此过程中电流从Fe流向Cu

答案　B

解析　铁铆钉吸氧腐蚀的正极电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，铜作正极不被腐蚀，电子从负极通过导线流向正极。

3．(2019·福建上杭第一中学高二上10月月考)如图所示是探究铁发生腐蚀的装置图，下列说法正确的是(　　)

A．若B处液面上升，A溶液可能是酸性溶液

B．若A为NaCl溶液，B、C液面始终保持不变

C．可能产生Fe2O3·nH2O

D．腐蚀的总反应式一定是2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2

答案　C

解析　析氢腐蚀的总反应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，使B处液面下降，则A溶液不可能是酸性溶液，A项错误；若A为NaCl溶液，则发生吸氧腐蚀，B处液面上升，B项错误；发生吸氧腐蚀，2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，Fe(OH)3部分脱水，氧化产物变为Fe2O3·nH2O，C项正确；如果是析氢腐蚀，总反应为Fe＋2H＋===

Fe2＋＋H2↑，D项错误。

4．研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法错误的是(　　)

A．若d为石墨，则铁片腐蚀加快

B．若d为石墨，则石墨上电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．若d为锌块，则铁片不易被腐蚀

D．若d为锌块，则铁片上电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

答案　D

解析　A项，由于活动性Fe>石墨，所以铁、石墨及海水构成原电池，Fe为负极，失去电子被氧化变为Fe2＋进入溶液，溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原，与没有形成原电池时相比，铁片的腐蚀速率加快，正确；B项，d为石墨，由于电解质溶液为中性环境，所以发生的是吸氧腐蚀，石墨电极上氧气得到电子，发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，正确；C项，d为锌块，由于金属活动性Zn>Fe，Zn为原电池的负极，Fe为正极，首先被腐蚀的是Zn，Fe得到保护，铁片不易被腐蚀，正确；D项，d为锌块，由于电解质溶液为中性环境，发生的是吸氧腐蚀，铁片上电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，错误。

5．钢铁很容易生锈而被腐蚀，每年因腐蚀而损失的钢铁占世界钢铁年产量的四分之一。请回答下列问题：

(1)钢铁腐蚀主要是吸氧腐蚀，写出该腐蚀过程中的电极反应式：负极：______________，正极：________________________________________________________________________。

(2)为了降低某水库铁闸门的腐蚀速率，可以采用图甲所示的方案，其中焊接在铁闸门上的固体材料R可以采用________(填字母)。

A．铜  B．钠  C．锌  D．石墨

(3)图乙所示的方案也可以降低铁闸门的腐蚀速率，其中铁闸门应该连接在直流电源的________极上。

答案　(1)2Fe－4e－===2Fe2＋　O2＋2H2O＋4e－===4OH－　(2)C　(3)负

解析　(1)发生吸氧腐蚀时，负极上Fe失去电子，正极上O2得到电子。(2)铁闸门上连接比较活泼的金属时，活泼的金属作负极被氧化，Fe作正极被保护，属于牺牲阳极法。Na与水会剧烈反应，本题应该选用锌。(3)图乙所示方案属于外加电流法，需把被保护的铁闸门连接在直流电源的负极上。