高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第4节 金属的腐蚀与防护学案设计

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第4节金属的腐蚀与防护 明课程标准扣核心素养1.了解金属发生电化学腐蚀的本质，知道金属腐蚀的危害，了解防止金属腐蚀的措施。2.能利用电化学原理解释金属腐蚀现象，选择并设计防腐措施。1.证据推理与模型认知：建构电化学原理解释金属腐蚀现象的模型，并基于认知模型选择并设计防腐措施。2.科学态度与社会责任：知道防止金属腐蚀的常用方法和金属电化学腐蚀的应用，体会化学在生产、生活中的实际应用。   [情境素材1]金属腐蚀现象在生产和生活中普遍存在。生活中常见的金属腐蚀现象铜板上铁铆钉处的腐蚀原理示意图[情境探究1]1．什么是金属的腐蚀？金属腐蚀的实质是什么？提示：金属腐蚀是指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。其实质是金属失电子被氧化的过程，用化学方程式表示(M代表金属元素)为M－ne－===Mn＋。2．铆有铁铆钉的铜板暴露在潮湿空气中铁铆钉为什么特别容易生锈腐蚀？提示：铆有铁铆钉的铜板暴露在潮湿空气中铁铆钉特别容易生锈腐蚀，这是因为铜板表面凝结有一层水膜，空气中的二氧化碳、二氧化硫或沿海地区空气中的氯化钠等物质都可能溶解到水膜中形成电解质溶液。铜板和铁铆钉与电解质溶液互相接触形成原电池。3．铁钉腐蚀过程中，发生的电极反应是怎样的？提示：在腐蚀过程的原电池反应中，负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应是溶解在水中的氧气被还原，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，此时原电池反应为2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2。4．如果在水膜酸度较高的特定环境下，正极反应会发生变化吗？写出正极反应式和电池反应的离子方程式。提示：发生变化。此时正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，电池反应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。[情境素材2]某同学设计了下面2个实验：[实验1]　将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入如图所示的具支试管中。几分钟后，观察导管中水柱和铁钉的变化，如图1。[实验2]　向100 mL烧杯中加入约50 mL稀醋酸后，插入两个玻璃筒(无底)；将一个无锈铁钉和一个碳棒分别用导线与电流计连接后，再分别插入两个玻璃筒中，如图2。[情境探究2]1．图1实验导管中的水面上升，铁钉表面生锈。产生这种现象的原因是什么？提示：钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀。电极反应，负极：2Fe－4e－===2Fe2＋，正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，由于盛铁钉的具支试管中不断消耗O2而使具支试管中压强减小，从而引起水的倒吸。2．图2实验碳棒表面有气泡产生。产生这种现象的原因是什么？提示：发生了析氢腐蚀，负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑。3．据估计，每年全世界被腐蚀损耗的钢铁材料，约占全年钢产量的十分之一。那么，金属的腐蚀都有哪些类型？金属的化学腐蚀和电化学腐蚀的有什么区别？提示：金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀；区别是腐蚀过程中有没有电流产生。1．化学腐蚀与电化学腐蚀的比较类型化学腐蚀电化学腐蚀条件金属与非金属等直接接触不纯金属或合金与电解质溶液接触形成原电池电流无电流产生有微弱电流产生结果金属被氧化较活泼金属被氧化实质M－ne－===Mn＋ 关系①化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生②电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍，危害更大 2．钢铁吸氧腐蚀与析氢腐蚀的比较 区别与联系吸氧腐蚀析氢腐蚀相同点腐蚀的实质金属做原电池负极，失电子被氧化负极电极反应Fe－2e－===Fe2＋不同点 条件水膜呈很弱的酸性、中性或碱性水膜酸性较强正极电极反应O2＋2H2O＋4e－===4OH－2H＋＋2e－===H2↑总反应2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑其他反应Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈 [名师点拨](1)析氢腐蚀和吸氧腐蚀的发生条件取决于金属表面电解质溶液的酸碱性，实际情况中以吸氧腐蚀为主。(2)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时，负极均是Fe失电子生成Fe2＋，而非Fe3＋。(3)一般情况下，只有在金属活动性顺序中处于氢之前的金属才有可能发生析氢腐蚀。1．下列有关金属腐蚀的说法中正确的是(　　)A．金属腐蚀指不纯金属与接触到的电解质溶液进行化学反应而损耗的过程B．电化学腐蚀指在外加电流的作用下不纯金属发生化学反应而损耗的过程C．钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀，负极吸收氧气，产物最终转化为铁锈D．金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同，但电化学腐蚀伴有电流产生解析：选D　金属腐蚀的本质，主要是金属原子失电子被氧化，腐蚀的内因是金属的化学性质比较活泼，外因是金属与空气、水或其他腐蚀性的物质接触，腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀，所以A错误；电化学腐蚀指不纯金属与电解质溶液接触时形成原电池而损耗的过程，不需要外加电流，所以B错误；钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀，正极吸收氧气，所以C错误。2．金属腐蚀的电化学原理可用下图模拟：(1)写出有关电极反应式①铁棒：________________________________。②碳棒：__________________________。(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H2SO4溶液，则此图可表示________(填“析氢”或“吸氧”)腐蚀原理；若用牺牲阳极的阴极保护法来保护铁棒不被腐蚀溶解，则可将碳棒改为________棒。解析：根据析氢腐蚀和吸氧腐蚀发生的条件先进行判断，再写出电极反应式。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)  1．金属防护的实质金属的防护实质上就是防止金属的腐蚀，要解决的主要问题是使金属不被氧化。2．金属防护的方法(1)常用保护法①在金属表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。②用电镀的方法，在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属，如锌、锡、铬、镍等。③工业上常利用一些溶液的氧化作用，在机器零件、精密仪器、枪炮等钢铁制件的表面上形成一层致密的黑色的四氧化三铁薄膜。④把铬、镍等加入普通钢里制成不锈钢，大大地增加了钢铁对各种侵蚀的抵抗力。(2)电化学防护法电化学防护牺牲阳极保护法阴极电保护法原理原电池原理电解原理措施被保护的金属做极(极)，用一种活动性较强的金属做极(极)被保护的金属做极，惰性电极做辅助极，连上直流电源应用如锅炉内壁、船舶外壳、铁塔、铁管道装上若干锌块，可保护钢铁设备如钢闸门、输送酸性溶液的铁管道等示意图 (3)其他方法还可运用电化学方法将被保护金属与外加电源的极相连使其成为阳极，并使电压维持在可使该金属发生钝化作用的范围内，防止其发生腐蚀。金属腐蚀快慢的判断方法(1)对同一电解质溶液来说，腐蚀由快到慢：电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。(2)对同一金属来说，腐蚀由快到慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中(浓度相同)。(3)活泼性不同的两种金属，活泼性差异越大，二者形成原电池时，较活泼的金属腐蚀越快。(4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀越快。1．下列哪个装置可防止铁棒被腐蚀(　　) 解析：选B　当铁棒作为原电池的正极或作为电解池的阴极时不被腐蚀。2．下面各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是(　　)A．④＞②＞①＞③　　　　B．②＞①＞③＞④C．④＞②＞③＞①    D．③＞②＞④＞①解析：选A　铁在海水中的腐蚀属于电化学腐蚀，当铁与比它活泼性差的Sn相连时，Fe被腐蚀的速率增大(比①大)，与活泼性比其强的Zn相连时，锌做负极，被腐蚀，铁被保护，其腐蚀的速率要比①小；④为电解装置，Fe为阳极，发生氧化反应，铁腐蚀的速率最快，故铁在各装置中被腐蚀时由快到慢的顺序是④>②>①>③。  根据某品牌保暖贴的产品说明书探究其发热原理。品　　名：一次性保暖贴主要成分：铁粉、水、食盐、活性炭、蛭石、吸水性树脂产品性能：平均温度为55 ℃，最高温度为63 ℃，发热时间在12小时以上使用说明：使用时将外包装袋撕开，取出内袋，将保护衬纸揭下，贴在需要取暖或热敷部位的内衣外侧；使用完后，从衣服上撕下即可[严禁直接接触皮肤][实验1]　取A、B两袋保暖贴，A袋打开外袋取出内袋；B袋不打开外袋。放置在同样的环境中。实验现象：A袋保暖贴温度很快上升；B袋温度没有明显变化。实验结论：保暖贴发热是由于袋内物质与空气接触。[实验2]　一天后，从上述A、B两袋中各取少量袋内物质于两支试管中，分别加入适量稀盐酸。实验现象：A袋内物质部分溶解，溶液呈黄色(已知：铁锈和稀盐酸反应后溶液变黄色)；B袋内物质部分溶解，产生无色气体，溶液变成浅绿色。实验结论：A袋内物质中的铁已经转化为氧化铁(Fe2O3)；保暖贴放出的热量主要来自铁粉氧化(即生锈)的过程。[问题探讨]1．保暖贴在发热过程中，其主要成分分别起什么作用？提示：活性炭作为正极材料，铁粉作为负极材料失去电子被氧化，食盐溶于水成为离子导体，空气中的氧气得电子被还原，组成微小的原电池，发生原电池反应，放出热量。蛭石作为保温材料。2．为什么保暖贴能较持久而又稳定地提供热量？提示：保暖贴能稳定地发生原电池反应，利用原电池加快氧化反应速率，将化学能转变为热能，使用双层包装，外层由不透气的明胶层制成，内层由微孔透气膜制成，通过透气膜的透氧速率控制反应速率，故能持久稳定地提供热量。3．保暖贴使用的是双层包装。外层由不透气的明胶层制成，内层由微孔透气膜制成。为什么要这样设计？提示：外层由不透气的明胶层制成，可以方便保存，内层由微孔透气膜制成，在使用时，去掉外袋，让内袋(无纺布袋)暴露在空气里，空气中的氧气通过透气膜进入。放热的时间和温度就是通过透气膜的透氧速率进行控制的。如果透氧太快，则热量很快散失，而且还有可能烫伤皮肤；如果透氧太慢，则温度太低。4．为什么保暖贴使用后会变得较硬？提示：使用后的固体主要成分是炭粉、氯化钠固体、三氧化二铁固体以及含镁和铝的盐，因而变得较硬。1．保暖贴的发热原理利用原电池反应加快氧化反应速率，将化学能转化为热能。负极反应：Fe－2e－===Fe2＋；正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；总反应：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，2Fe(OH)3===Fe2O3·nH2O＋(3－n)H2O，最终生成铁锈(主要成分为Fe2O3·nH2O)。使用蛭石做保温材料。通过透气膜的透氧速率控制放热的温度和时间。2．根据吸氧腐蚀原理测定空气中的氧气含量，延长食品保质期如可用如图装置测定空气含氧量，样品中含有炭粉、铁粉、食盐和少量水，通过水的体积测量氧气消耗量。3．微电解技术处理工业废水微电解技术是处理高浓度有机废水的一种理想工艺，又称内电解法。它是在不通电的情况下，利用填充在废水中的微电解材料自身产生电位差对废水进行电解处理，以达到降解有机污染物的目的。当系统通水后，设备内会形成无数的微电池系统，在其作用空间构成一个电场。在处理过程中产生的新生态[H]、Fe2＋等能与废水中的许多组分发生氧化还原反应，Fe2＋进一步被氧化成Fe3＋，它们的水合物具有较强的吸附—絮凝活性，特别是在加碱调pH后生成的氢氧化亚铁和氢氧化铁胶体絮凝剂，它们的吸附能力远远高于一般药剂水解得到的氢氧化铁胶体，能大量吸附水中分散的微小颗粒、金属粒子及有机大分子。其工作原理基于电化学、氧化—还原、物理吸附以及絮凝沉淀的共同作用对废水进行处理。该法具有适用范围广、处理效果好、成本低廉、操作维护方便、不需消耗电力资源等优点。1．下列是冬季使用的某一“暖宝宝”贴的标签。以下叙述错误的是(　　)品名：一次性使用取暖片成分：铁粉、活性炭、水、木粉、食盐等用法：使用之前将其真空包装外袋撕开。取出内袋，轻轻揉搓，贴在内衣外层。注意事项：1.避免真空塑料包装袋破坏，造成产品失效。2.可持续10小时均匀放热。 A.暖宝宝发热的原理主要是利用铁生锈放热B．铁生锈后反应产物的主要成分是四氧化三铁C．暖宝宝需接触空气才会发热D．食盐能加快热敷袋中铁生锈的速度解析：选B　铁生锈时发生缓慢氧化放出热量，暖宝宝发热的原理主要是利用铁生锈放热，将化学能转化为热能，故A项说法正确；铁生锈后反应产物的主要成分是三氧化二铁，故B项说法错误；铁在空气中锈蚀，实际上是铁跟空气中的氧气和水共同作用的结果，暖宝宝需接触空气才会发热，故C项说法正确；食盐的作用是能加快热敷袋中铁生锈的速度，更快放出热量，故D项说法正确。2．如图所示装置可间接氧化工业废水中含氮离子(NH)。下列说法不正确的是(　　)A．乙是将电能转化为化学能的装置B．含氮离子氧化时的离子方程式为　3Cl2＋2NH===N2＋6Cl－＋8H＋C．若生成H2和N2的物质的量之比为3∶1，则处理后废水的pH减小D．电池工作时，甲池中的Na＋移向Mg电极解析：选D　甲中活泼金属镁做原电池的负极，石墨为正极形成原电池，乙是连接原电池的电解池，电解酸性工业废水时，电解池是将电能转化为化学能的装置，A正确；酸性条件下含氮离子氧化时转化为氮气，反应的离子方程式为3Cl2＋2NH===N2＋6Cl－＋8H＋，B正确；若生成H2和N2的物质的量之比为3∶1，根据电极反应6H＋＋6e－===3H2↑、6Cl－－6e－===3Cl2↑、3Cl2＋2NH===N2＋6Cl－＋8H＋，则处理后废水中的H＋浓度增大，pH减小，C正确；电池工作时，甲池是原电池，原电池中阳离子(Na＋)移向正极石墨电极，D不正确。[分级训练·课课过关]______________________________________________ ______1．下列有关金属电化学腐蚀的说法中正确的是(　　)A．铜既可以发生析氢腐蚀又可以发生吸氧腐蚀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解析：选C　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又可以发生吸氧腐蚀，故B项错误；在自然界中，吸氧腐蚀比析氢腐蚀普遍，故D项错误。2．将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中，下列有关说法正确的是(　　)A．阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋B．金属M的活动性比Fe的活动性弱C．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快解析：选C　该装置中阴极发生还原反应，A项错误；金属M被氧化，即金属活动性：M>Fe，B项错误；钢铁设施为原电池的正极，因表面积累大量电子而被保护，C项正确；海水中含有大量的NaCl等电解质，而河水中电解质较少，故钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的慢，D项错误。3.研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。下列有关说法正确的是(　　)A．d为石墨，铁片腐蚀减慢B．d为石墨，石墨上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．d为锌块，铁片易被腐蚀D．d为锌块，铁片上的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑解析：选B　若电极d为石墨，腐蚀时形成原电池，铁片做负极，则铁片腐蚀加快，A错误；若电极d为石墨，形成原电池时，铁片做负极，海水呈弱碱性，发生铁的吸氧腐蚀，则石墨上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B正确；若电极d为锌块，形成原电池时，锌块做负极，铁片做正极而受到保护，C错误；若电极d为锌块，形成原电池时，铁片做正极，海水呈弱碱性，发生吸氧腐蚀，则铁片上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。4.埋在地下的钢管道可以用如图所示的方法进行保护。下列说法正确的是(　　)A．该方法利用了电解池原理B．该方法称为外加电流保护法C．在此装置中钢管道做正极D．镁块上发生的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－解析：选C　由图可知，钢管道防腐采取的措施是将钢管道与镁块相连，则该方法称为牺牲阳极法，是利用原电池原理，A、B均错误；Mg的活泼性强于Fe，该装置中钢管道做正极，潮湿的土壤呈碱性，则电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C正确；镁块做负极，失电子被氧化生成Mg2＋，电极反应式为Mg＋2OH－－2e－===Mg(OH)2，D错误。5.如图所示，水槽中的试管内有一枚铁钉，放置数天观察现象。(1)铁钉逐渐生锈，铁钉的腐蚀属于_______腐蚀(填“化学”或“电化学”)。(2)若试管内液面上升，则原溶液呈____________，发生__________腐蚀(填“析氢”或“吸氧”)，电极反应式：负极为__________________________，正极为____________。(3)若试管内液面下降，则原溶液呈__________，发生________腐蚀(填“析氢”或“吸氧”)，电极反应式：负极为____________________，正极为_________________________。(4)若水槽中液体甲为水，液体乙为海水，则铁钉在____(填“甲”或“乙”)溶液中腐蚀的速率快。解析：(1)铁钉是铁合金，主要由铁和碳组成，接触电解质溶液，可构成原电池，此时发生的腐蚀属于电化学腐蚀。(2)试管内液面上升，说明试管内压强减小，气体被吸收，发生的是吸氧腐蚀，据此可写出电极反应式。(3)试管内液面下降，说明试管内压强增大，有气体生成，发生的是析氢腐蚀，据此可写出电极反应式。(4)对于同一金属来说，在电解质溶液中腐蚀的速率大于在水中腐蚀的速率。答案：(1)电化学　(2)碱性、弱酸性或中性　吸氧Fe－2e－===Fe2＋　O2＋2H2O＋4e－===4OH－(3)较强的酸性　析氢　Fe－2e－===Fe2＋2H＋＋2e－===H2↑　(4)乙