人教版 (2019)选择性必修1第三节 金属的腐蚀与防护导学案及答案

这是一份人教版 (2019)选择性必修1第三节 金属的腐蚀与防护导学案及答案，共12页。学案主要包含了学习目标，自主预习，参考答案，效果检测，合作探究，实验探究，核心归纳，典型例题等内容，欢迎下载使用。
1.通过实验探究了解金属腐蚀的种类,知道金属发生电化学腐蚀的原因,培养动手操作能力和根据所学知识解决实际问题的能力。
2.通过了解金属发生腐蚀的原因及现代的防腐措施,认识金属腐蚀的危害,知道防止金属腐蚀的方法,感受化学对人类生产和生活的影响。
【自主预习】
一、金属的腐蚀
1.概念:金属或合金与周围的气体或液体发生 反应而引起损耗的现象。其实质是金属原子失去电子变为 ,金属发生 。
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 而引起的腐蚀。腐蚀的速率随温度升高而增大。
(2)电化学腐蚀:当不纯的金属与电解质溶液接触时会发生 反应,比较活泼的金属发生氧化反应而被腐蚀。
3.钢铁的电化学腐蚀
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,该金属就不易被腐蚀。
(1)牺牲阳极法
原理: 原理。
要求:被保护的金属作 极,活泼性更强的金属作 极。
应用:锅炉内壁、船舶外壳、钢铁闸门安装镁合金或锌块。
(2)外加电流法
原理:电解池原理。
要求:被保护的金属作为 极,与电源的 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。
【参考答案】一、1.氧化还原 阳离子 氧化反应 2.反应
原电池 3.强 弱 中 2H++2e-H2↑ O2+4e-+2H2O4OH- Fe+2H+Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2
二、3.(1)原电池 正 负 (2)阴 负
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)金属钠腐蚀的实质是金属失去电子而转化为化合态。( )
(2)铜既能发生析氢腐蚀,又能发生吸氧腐蚀。( )
(3)在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质,能够减缓金属的腐蚀。( )
(4)发生化学能转变为电能的腐蚀时,较活泼的金属总是作正极而被腐蚀。( )
(5)用电镀的方法,在钢铁制品表面镀上一层不易被腐蚀的金属,如锌、锡、铬、镍等,能够减缓金属的腐蚀。( )
(6)工业上常利用一些溶液的氧化作用,在机器零件、精密仪器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。( )
(7)把铬、镍等加入普通钢里制成不锈钢,就大大地增加了钢铁对各种侵蚀的抵抗力。( )
(8)给铁件通入直流电,把铁件与电池负极相连接以防止铁被腐蚀。( )
【答案】(1) √ (2)× (3) √ (4)× (5)√ (6) √
(7) √ (8) √
2.生铁在干燥的空气中不易被腐蚀,但在潮湿的空气中却很快被腐蚀,为什么?为什么生铁比纯铁更易被腐蚀?
【答案】在潮湿的空气里,铁表面会形成一层水膜,空气中的CO2、SO2、H2S等溶解到水膜中形成了电解质溶液,它与生铁中的铁和少量的碳构成无数微小的原电池,发生电化学腐蚀。因为生铁中含有杂质碳。
3.铁的腐蚀以哪种类型为主?为什么?
【答案】因为钢铁通常所处的外部环境干燥程度较低,氧气的存在又比较广泛,且原电池反应比一般的氧化还原反应速率大,所以钢铁主要是发生电化学腐蚀,其次为化学腐蚀,又因为钢铁表面一般不会遇到酸性较强的溶液,故吸氧腐蚀是钢铁腐蚀的主要形式。
4.金属电化学防护的方法有哪些?哪一个效果更好?
【答案】牺牲阳极法(原电池原理);外加电流法(电解池原理)。外加电流法的保护效果大于牺牲阳极法。
【合作探究】
任务1：金属的电化学腐蚀
情境导入 在生活中,金属腐蚀的现象非常普遍,像金属制成的日用品、生产工具、机器部件、海轮的船壳等,如保养不好,都会腐蚀,从而造成大量金属的损耗。至于因设备腐蚀损坏而引起的停工减产、产品质量下降、污染环境、危害人体健康,甚至造成严重事故的损失,那就更无法估计了。据统计,全球每一分钟就有1吨钢腐蚀成铁锈,全球每年因钢铁腐蚀的经济损失约1万亿美元。因此,了解金属腐蚀的原因,掌握防护的方法,具有十分重要的意义。想一想:金属腐蚀的概念是什么?金属腐蚀有哪些基本的类型?
【实验探究】
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,观察导管中水柱的变化,解释引起这种变化的原因。
2.取两支试管,分别放入两颗锌粒和等体积、等浓度的稀盐酸,观察现象。然后,向其中一支试管中滴加1~2滴硫酸铜溶液,再观察现象。解释产生不同现象的原因。
【答案】1.上升 吸氧
2.① 原电池 电化学
【核心归纳】
1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
2.钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀的“三同三不同”
(1)析氢腐蚀与吸氧腐蚀的“三同”
①负极相同:均为Fe,电极反应为Fe-2e-Fe2+。
②正极材料相同:均为碳。
③最终产物相同:最终都形成铁锈,主要成分为Fe2O3·nH2O。
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀的“三不同”
①条件不同:酸性较强时发生析氢腐蚀,否则为吸氧腐蚀。
②正极反应不同:2H++2e-H2↑(析氢腐蚀)
O2+4e-+2H2O4OH-(吸氧腐蚀)
③电池总反应不同:
Fe+2H+Fe2++H2↑(析氢腐蚀)
2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2(吸氧腐蚀)
【典型例题】
【例1】钢铁腐蚀中,下列说法正确的是( )。
A.碳表面发生氧化反应
B.钢铁被腐蚀的最终产物为FeO
C.生活中钢铁制品的腐蚀以图①所示为主
D.图②中,正极反应为O2+4e-+2H2O4OH-
【答案】D
【解析】结合图示可知①为析氢腐蚀,②吸氧腐蚀,两种腐蚀中Fe均作负极发生氧化反应,碳均作正极发生还原反应,A项错误;钢铁被腐蚀后最终转化为铁锈,其主要成分是Fe2O3·xH2O,B项错误;生活中钢铁制品主要以图②的吸氧腐蚀为主,C项错误;图②中正极上O2被还原,转化为OH-,D项正确。
【例2】化学小组研究金属的电化学腐蚀,实验如下:
下列说法不正确的是( )。
A.实验Ⅰ中铁钉周边出现红色
B.实验Ⅰ中负极的电极反应:Fe-2e-Fe2+
C.实验Ⅱ中正极的电极反应:O2+4e-+2H2O4OH-
D.对比实验Ⅰ、Ⅱ可知,生活中镀锌铁板比镀铜铁板在镀层破损后更耐腐蚀
【答案】B
【解析】A项,实验Ⅰ中锌作负极,铁作正极,铁钉极上氧气得到电子发生还原反应生成氢氧根离子,溶液显碱性,铁钉周边出现红色,正确;B项,实验Ⅰ中锌作负极,负极的电极反应为Zn-2e-Zn2+,错误;C项,实验Ⅱ中铜不活泼,铜作正极,正极的电极反应:O2+4e-+2H2O4OH-,正确;D项,对比实验Ⅰ、Ⅱ可知,锌能保护铁,而铜铁形成原电池会加速铁锈蚀,故生活中镀锌铁板比镀铜铁板在镀层破损后更耐腐蚀,正确。
任务2金属腐蚀的防护
情境导入 人们在生产、生活中采取了多种防止金属腐蚀的措施,如对自行车采取的防护措施如图所示。
问题生成
1.图中自行车采取了哪些防护措施?简述其原理。
【答案】(1)在金属表面覆盖保护层:涂机油、镀铬、镀锌、烤漆、烤蓝等;这些措施使钢铁与空气、水隔绝,以达到防止腐蚀的目的。
(2)制成合金:不锈钢;通过改善金属的内部结构,达到防止腐蚀的目的。
2.在铁的表面镀上一层其他金属是常见的防止铁生锈的方法,常见的有镀锡(马口铁)和镀锌(白铁皮)。不同金属镀层对金属的保护作用一样吗?当金属镀层损坏时,镀层金属还能对铁起到保护作用吗?
【答案】当金属镀层完好时,保护作用一样。当金属镀层损坏时,镀层金属与铁会形成原电池,马口铁中铁作负极反应物发生氧化反应,使腐蚀加重,不能起到保护作用;白铁皮中铁作正极材料受到保护,能起到保护作用。
3.电化学防护的实质是什么?
【答案】电化学防护的实质是把被保护的金属作原电池的正极或电解池的阴极,不参与电极反应,从而不被氧化。
【实验探究】
1.实验探究
(1)以铁作保护电极,以锌作辅助电极,以经过酸化的3%NaCl溶液作电解质溶液,按图连接装置。过一段时间,用胶头滴管从铁电极区域取少量溶液于试管中,再滴加2滴K3[Fe(CN)6]溶液。完成下表:
(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两个培养皿中,各滴入5~6滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液,混合均匀。取两个2~3 cm的铁钉,用砂纸磨亮。将裹有锌皮的铁钉放入上述的一个培养皿中,如图(a);将缠有铜丝的铁钉放入另一个培养皿中,如图(b)。观察并解释实验现象。
【答案】(1)气泡 2H++2e-H2↑ Zn-2e-Zn2+ Fe2+
(2)铁钉 铜丝 铁钉 Zn-2e-Zn2+ Fe-2e-Fe2+ Zn Fe Fe Cu
2.为了降低水库铁闸门被腐蚀的速率,常在铁闸门上镶嵌一种金属,如图,则镶嵌的金属R可选择何种材料?这种防护措施叫什么?简述其原理。
【答案】R可选择锌块等比铁活动性强的金属;牺牲阳极法;利用原电池原理,形成原电池时,被保护的金属作正极材料(阴极),不反应受到保护,活泼金属作负极材料(阳极),发生氧化反应而损耗。
3.将水库铁闸门与直流电源相连也能防止其被腐蚀,则铁闸门应连接直流电源的哪个电极?这种防护方法叫什么?利用了什么原理?
【答案】铁闸门连接直流电源的负极;外加电流法;电解池原理。
4.如何快速检验Fe2+?
【答案】Fe2+与K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液反应生成特征蓝色沉淀KFe[Fe(CN)6]。
【核心归纳】
金属腐蚀快慢的判断
1.影响金属腐蚀快慢的因素
(1)与构成微电池的材料有关。两极材料的活动性差别越大,氧化还原反应的速率越快,活泼金属被腐蚀的速率就越快。
(2)与金属所接触的电解质强弱有关。活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀,在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。对于同一种电解质溶液,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。
2.判断原则
(1)对同一种金属来说,腐蚀的快慢:强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。
(2)活泼性不同的金属,活泼性差别越大,腐蚀越快。
(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。
(4)在不同条件下金属腐蚀的快慢比较:电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀(原电池原理的防护>电解原理的防护)。
【典型例题】
【例3】我国有多条高压直流电线路的瓷绝缘子出现铁帽腐蚀现象,在铁帽上加锌环能有效防止铁帽的腐蚀,防护原理如图所示。下列说法错误的是( )。
A.通电时,锌环是阳极,发生氧化反应
B.通电时,阴极上的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.断电时,锌环上的电极反应式为Zn2++2e-Zn
D.断电时,仍能防止铁帽被腐蚀
【答案】C
【解析】锌环与电源的正极相连,为阳极,A项正确;断电时,Zn比铁活泼,作负极,电极反应式为Zn-2e-Zn2+,C项错误。
【例4】某兴趣小组为验证牺牲阳极法,进行实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。
下列说法不正确的是( )。
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
【答案】D
【解析】A项,对比②③,②Fe附近的溶液中加入K3[Fe(CN)6] 无明显变化,说明②Fe附近的溶液中不含Fe2+,③Fe附近的溶液中加入K3[Fe(CN)6]产生蓝色沉淀,说明③Fe附近的溶液中含Fe2+,②中Fe被保护,A项正确;①加入K3[Fe(CN)6] 在Fe表面产生蓝色沉淀,Fe表面产生了Fe2+,对比①②的异同,①可能是K3[Fe(CN)6]将Fe氧化成Fe2+,B项正确;对比①②,①加入K3[Fe(CN)6]在Fe表面产生蓝色沉淀,①也能检验出Fe2+,不能用①的方法验证Zn保护Fe,C项正确;由实验可知K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化成Fe2+,将Zn换成Cu不能用①的方法证明Fe比Cu活泼,D项错误。
【随堂检测】
课堂基础
1.下列有关金属的腐蚀与防护说法不正确的是( )。
A.装置①中铁钉发生吸氧腐蚀,水倒吸进入导气管中
B.装置②中钢闸门连接电源的负极可减小其腐蚀速率
C.装置③可用于深埋在潮湿的中性土壤中钢管的防腐
D.装置④利用牺牲阳极法来防止钢铁输水管的腐蚀
【答案】C
【解析】A项,铁钉在中性氯化钠溶液中发生吸氧腐蚀,氧气被消耗,试管内压强减小,水倒吸入导气管中,正确;B项,钢闸门连接电源负极作阴极,可防止钢闸门失电子被腐蚀,减小其腐蚀速率,正确;C项,铁比铜活泼,金属铜连接钢管,钢管作负极,会加速其腐蚀,错误;D项,镁与钢铁输水管连接形成原电池,镁比铁活泼,镁作负极,钢铁输水管作正极,正极被保护,该方法为牺牲阳极法,正确。
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.正极反应为2H++2e-H2↑
B.此过程中还涉及反应:4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(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】铁铆钉发生吸氧腐蚀的正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,铜作正极不被腐蚀,电流从正极流向负极。
3.“雪龙”2号从上海启航,执行中国第39次南极科考任务。下列有关科考船的说法正确的是( )。
A.外壳镶嵌一些铅块可提高科考船的抗腐蚀能力
B.停靠期间可将电源正极与船体相连保护船体
C.利用牺牲阳极法保护船体时,正极反应为O2+4e-+2H2O4OH-
D.只能采用电化学保护法提高科考船船体抗腐蚀能力
【答案】C
【解析】铁比铅活泼,构成原电池时,船壳作负极加快腐蚀,不能减慢船体的腐蚀,A项错误;船体与电源正极相连,作阳极,加快船体的腐蚀,B项错误;利用牺牲阳极法保护船体时,船体作正极被保护,正极上氧气得电子生成氢氧根离子,正极反应为O2+4e-+2H2O4OH-,C项正确;还可以利用在船体表面涂上保护层等方法,提高其抗腐蚀能力,D项错误。
对接高考
4.(2022·广东卷,11)为检验牺牲阳极法对钢铁防腐的效果,将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3%NaCl溶液中。一段时间后,取溶液分别实验,能说明铁片没有被腐蚀的是( )。
A.加入AgNO3溶液产生沉淀
B.加入淀粉碘化钾溶液无蓝色出现
C.加入KSCN溶液无红色出现
D.加入K3[Fe(CN)6]溶液无蓝色沉淀生成
【答案】D
【解析】镀层有破损的镀锌铁片被腐蚀,则将其放入酸化的3% NaCl溶液中,会构成原电池,由于锌比铁活泼,锌作原电池的负极,而铁片作正极,在溶液中Zn破损的面积会变大。氯化钠溶液中始终存在氯离子,所以加入硝酸银溶液后,不管铁片是否被腐蚀,均会出现白色沉淀,A项不符合题意;淀粉碘化钾溶液可检测氧化性物质,但不论铁片是否被腐蚀,均无氧化性物质可与碘化钾发生反应,B项不符合题意;KSCN溶液可检测铁离子的存在,加入KSCN溶液后,无红色出现,只能证明没有Fe3+生成,不能证明没有Fe2+,C项不符合题意;K3[Fe(CN)6]是用于检测Fe2+的试剂,若铁片没有被腐蚀,则溶液中不会生成亚铁离子,则加入K3[Fe(CN)6]溶液就不会出现蓝色沉淀,D项符合题意。
5.(2020·江苏卷,11)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。在题图所示的情境中,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
【答案】C
【解析】A项,阴极的钢铁设施实际作原电池的正极,正极金属被保护不失电子,错误;B项,阳极金属M实际为原电池装置的负极,电子流出,原电池中负极金属比正极活泼,因此M的活动性比Fe的活动性强,错误;C项,金属M失电子,电子经导线流入钢铁设备,从而使钢铁设施表面积累大量电子,自身金属不再失电子从而被保护,正确;D项,海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度,离子浓度越大,溶液的导电性越强,因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快,错误。
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
图形描述
条件
水膜酸性较
水膜酸性很 或呈 性
负极
Fe-2e-Fe2+
正极
总反应
后续反应
最终生成铁锈(主要成分为Fe2O3·xH2O),反应为4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O
联系
通常两种腐蚀同时存在,但后者更普遍
实验操作
实验现象
实验解释
导管中液面 ,铁钉表面有铁锈生成
装置中铁、碳和饱和食盐水构成原电池,铁钉发生 腐蚀
实验操作
实验现象
实验解释
(填“①”或“②”)试管中产生气泡的速率快
Zn与CuSO4反应生成Cu,Zn、Cu和稀盐酸构成 ,形成 腐蚀,速率更快
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
发生条件
金属与接触到的物质直接反应
不纯金属或合金与接触到的电解质溶液发生原电池反应
共同点
M-ne-Mn+
是否构成原电池
无原电池构成
由无数微小原电池构成
实质
金属被腐蚀
较活泼金属被腐蚀
有无电流
无电流产生
有电流产生
联系
两者往往同时发生,电化学腐蚀更普遍,危害更大,且电化学腐蚀比化学腐蚀更快
序号
实验Ⅰ
实验Ⅱ
实验
现象
铁钉周边出现 色,
锌片周边未见明显变化
铁钉周边出现蓝色,
铜片周边略显红色
实验装置
实验现象
电极反应
电流表
指针偏转
—
Fe电极
有 产生;试管中溶液未生成蓝色沉淀

Zn电极
锌棒溶解变细

实验结论
溶液中不含 ,铁作正极未被腐蚀
实验装置
实验现象
周围变红
周围变红
未见蓝色沉淀
周围生成蓝色沉淀
电极反应
,
O2+4e-+2H2O 4OH-
,
O2+4e-+2H2O 4OH-
结论
被腐蚀, 被保护
被腐蚀, 被保护
①
②
在Fe表面生成蓝色沉淀
试管内无明显变化
③
试管内生成蓝色沉淀