苏教版 (2019)选择性必修1第三单元 金属的腐蚀与防护教学课件ppt

这是一份苏教版 (2019)选择性必修1第三单元 金属的腐蚀与防护教学课件ppt，共32页。PPT课件主要包含了课前导入，钢铁的腐蚀，化学腐蚀，电化学腐蚀，铁腐蚀实验，铁吸氧腐蚀原理，铁析氢腐蚀原理，铁生锈现象的探讨，金属的电化学防护，防止金属锈蚀的方法等内容，欢迎下载使用。
生活中，我们经常看到铁制品生锈，铜制品表面产生铜绿，一些美观的金属制品使用一段时间后表面失去光泽……这些都属于金属腐蚀现象。金属腐蚀是一种化学变化，金属从单质转变为化合态。地球上的金属绝大多数以化合态存在于矿石中，人类从自然界采掘获得矿石，又耗费能量将其还原成金属，加工成各种部件，但自然环境下的化学作用又使金属转化为化合态而被腐蚀。金属腐蚀现象普遍存在。
在生产和生活中，金属腐蚀所带来的损失非常严重。金属生产设备的腐蚀损坏会导致工厂停产，金属腐蚀还会使钢结构桥梁、建筑物等损坏甚至坍塌，地下金属管道会因腐蚀而泄漏，金属船体会因腐蚀而损坏，许多场所的金属腐蚀还会造成火灾、爆炸等严重后果。 据报道，全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约占各国国内生产总值（GDP）的2%~4%，我国2014年因金属腐蚀所造成的年损失总和约2万亿人民币，是当年台风、地震、干旱、洪水等各种自然灾害造成损失总和的4~6 倍。因此，了解金属腐蚀的原因，寻求防止金属腐蚀的方法和措施，具有十分重要的意义。
金属腐蚀是指金属或合金与周围环境中的物质发生化学反应而腐蚀损耗的现象。金属的腐蚀可分为化学腐蚀与电化学腐蚀两种。化学腐蚀是指金属与其他物质直接接触发生氧化还原反应而引起的腐蚀。这类腐蚀不普遍、只有在特殊条件下发生，例如，化工厂里的氯气与铁反应生成氯化亚铁:3Cl2+2Fe=2FeCl3。它通常分为钢铁的高温氧化、钢的脱碳与氢脆等化学腐蚀原理比较简单，属于一般的氧化还原反应。
电化学腐蚀是指不纯的金属或合金发生原电池反应，使较活泼的金属失去电子被氧化而引起的腐蚀。钢铁在潮湿的空气中生锈就是最典型的电化学腐蚀。在日常生活中，电化学腐蚀现象比化学腐蚀现象严重得多。根据环境的不同，钢铁的电化学腐蚀又可以分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀。
向铁粉中加入少量炭粉，混合均匀后，撒入内壁分别用氯化钠溶液和稀醋酸润湿过的两支具支试管（分别标记为 a、b）中，按下图组装好仪器。几分钟后，打开止水夹，观察、比较导管中水柱（在水中滴加几滴红墨水）的变化和试管中的现象，思考下列问题：1. 向铁粉中加入炭粉的作用是什么？2. 两个实验的现象有何差异？产生差异的可能原因是什么？
1.向铁粉中加入炭粉的作用主要是构成原电池。铁粉为负极，炭粉为正极，在电解质溶液存在的情况下发生电化学反应，加快反应速率。2.实验现象差异：试管 a（用氯化钠溶液润湿）：导管中的水柱上升高度较小，试管中可能有少量铁锈生成，反应相对较缓慢。试管 b（用稀醋酸润湿）：导管中的水柱上升高度较大，试管中反应较为剧烈，可能有大量铁锈生成且有气泡产生。产生差异的可能原因：对于试管 a，氯化钠溶液为中性电解质溶液，铁发生吸氧腐蚀，反应速率相对较慢，所以导管中水柱上升高度较小。吸氧腐蚀消耗氧气，使具支试管内压强减小，从而引起水柱上升。对于试管 b，稀醋酸为酸性溶液，此时铁发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀，反应速率较快，产生氢气使具支试管内压强增大，同时吸氧腐蚀也会消耗氧气使压强减小，但总体上由于反应剧烈，导管中的水柱上升高度较大。而且酸性条件下铁锈生成速度也会加快，所以会观察到大量铁锈生成。
通常情况下，在潮湿的空气中，钢铁表面凝结了一层溶解有氧气的水膜，它与钢铁中的碳和铁形成了原电池。这些微小的原电池遍布钢铁的表面。在这些原电池中，铁是负极，碳是正极，在两电极分别发生氧化反应、还原反应而导致钢铁腐蚀。由于上述电化学腐蚀过程中吸收氧气，因此称为吸氧腐蚀。
铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀的电极反应式及电池总反应式如下：
负极：2Fe－4e－=2Fe2＋ （氧化反应）
正极：O2 ＋ 2H2O ＋4e－=4OH－ （还原反应）
电池反应：2Fe ＋ O2 ＋ 2H2O=2Fe(OH)2
Fe(OH)2进一步被O2氧化生成Fe(OH)3，Fe(OH)3脱去一部分水生成Fe2O3·nH2O，它就是铁锈的主要成分。
4Fe(OH)2 ＋ O2 ＋ 2H2O=4Fe(OH)3
如果钢铁表面水膜的酸性较强，此时正极就会析出氢气发生析氢腐蚀。其电极反应式如下：
负极：Fe－2e－=Fe2＋ （氧化反应）
正极：2H＋＋2e－=H2↑ （还原反应）
电池反应：Fe ＋ 2H＋=Fe2＋＋ H2↑
随着氢气的析出，水膜的pH上升，Fe2＋与OH－结合生成Fe(OH)2，Fe(OH)2继续与空气中的O2作用，生成Fe(OH)3，进而形成铁锈。
铁生锈除了必须有空气及水的参与之外，还受其他一些因素的影响。请解释下列有关铁生锈现象的原因。1. 相对于在内河行驶的轮船来说，海轮更容易被腐蚀。2. 1910年遗留在南极的食品罐头盒，其表面至今很少有铁锈出现。3. 用于固定铜板的铁螺丝容易生锈。4. 当化工厂排出的废气为酸性时，工厂附近的铁制品容易生锈。
1.海水中含有大量的盐，相对于内河，海水中电解质浓度更大。铁在海水中形成原电池时，离子浓度大使得导电性增强，从而加快了铁的腐蚀速度。所以海轮比内河轮船更容易被腐蚀。2.南极地区气候寒冷干燥，水的含量极少，而铁生锈需要空气和水的共同参与。在南极这种干燥的环境下，缺少水这个关键因素，所以食品罐头盒表面至今很少有铁锈出现。3.铁和铜接触时，由于铁比铜活泼，在潮湿的空气中会形成原电池，铁作为负极失去电子被氧化，从而容易生锈。4.当化工厂排出的废气为酸性时，会使周围空气中含有酸性物质，这些酸性物质溶解在空气中的水中，使得环境中的水呈酸性。在这种酸性环境下，铁发生析氢腐蚀的速度加快，所以工厂附近的铁制品容易生锈。
金属与接触到的干燥气体或非电解质液体等直接发生化学反应而引起的腐蚀。
不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化的腐蚀。
金属与氧化剂直接接触，通常在高温、干燥环境下容易发生。
需要存在电解质溶液和不同金属或金属不同部位的电势差，在潮湿环境中更易发生。
金属原子与氧化剂直接发生化学反应。
形成原电池，活泼金属作为负极失去电子发生氧化反应。
一般情况下腐蚀速度相对较慢，除非在高温、高压等特殊条件下可能会加快。
由于形成原电池，反应速率通常比化学腐蚀快得多。
铁在高温下与氯气反应生成氯化铁；铜在加热条件下与氧气反应生成氧化铜。
铁在潮湿的空气中生锈；船舶在海水中的腐蚀。
日常生产和生活中，人们采取了多种防止金属腐蚀的措施。请通过实地调查、参观走访、查阅资料等方式，了解生产、生活中常用的防止金属腐蚀的方法，分析这些方法能防止金属腐蚀的原理，并将你获取的信息与同学讨论后填入下表。
防止金属锈蚀最常用的方法是在金属的表面覆盖保护层如在钢铁表面涂油或油漆：油和油漆可以在钢铁表面形成一层连续的、相对致密的保护膜。这层膜能够阻止空气中的氧气和水蒸气与钢铁表面接触。覆盖塑料：塑料材料可以紧密地贴合在钢铁表面，形成物理屏障。像一些家电产品的外壳内部的金属结构，通过覆盖塑料来防止生锈。塑料能够有效阻挡外界的空气和水分，因为塑料分子之间的作用力使得其结构相对稳定，不会像金属那样容易被氧化。同时，塑料材料还可以根据需要制成不同的形状和厚度，以提供更好的防护效果。镀不活泼金属：当在活泼金属（如钢铁）表面镀上不活泼金属（如铬、镍等）时，首先形成的是一层物理保护层。这层金属镀层覆盖在活泼金属表面，就像给金属穿上了一层 “防护服”，阻止了外界的空气和水直接接触到被保护的金属
由于金属常常发生电化学腐蚀，而电化学腐蚀的原因是在金属表面形成原电池。因此，除了采用在金属表面覆盖保护层外，我们还可以利用原电池原理来保护金属，防止金属腐蚀。金属在发生电化学腐蚀的过程中，总是作为原电池负极（阳极）的金属被氧化（失去电子）而腐蚀，作为原电池正极（阴极）的金属不被腐蚀。因此，使被保护金属作为正极，是有效地防止被保护金属腐蚀的方法之一。
在铁的表面镀上一层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），当马口铁和白铁皮上的金属镀层损坏时，镀层金属和铁在潮湿的空气中会形成原电池。试分析上述两种原电池中，哪一种情况下铁不容易被腐蚀？为什么？
镀锌（白铁皮）情况下铁不容易被腐蚀原电池原理分析：对于镀锌铁（白铁皮），锌比铁活泼。当镀层损坏后，在潮湿的空气中，锌和铁形成原电池，锌作为原电池的负极，铁作为正极。根据原电池反应原理，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。锌失去电子被氧化，反应式为Zn－2e－=Zn2＋，而铁作为正极，其表面会发生吸氧腐蚀（因为是在潮湿空气中），氧气得到电子，反应式为O2 ＋ 2H2O ＋4e－=4OH－。在这个过程中，铁实际上是被保护的，因为锌在不断地被氧化消耗，直到锌全部被腐蚀完，铁才会开始被腐蚀。这种保护方法称为牺牲阳极的阴极保护法，锌是 “牺牲阳极”，铁是 “被保护的阴极”。
对比镀锡（马口铁）情况：对于镀锡铁（马口铁），铁比锡活泼。当镀层损坏后，在潮湿的空气中，铁和锡形成原电池，铁作为负极，锡作为正极。铁失去电子被氧化，反应式为Fe－2e－=Fe2＋ ，锡作为正极会发生吸氧腐蚀（在潮湿空气中），反应式为O2 ＋ 2H2O ＋4e－=4OH－。在这种情况下，铁作为负极会不断地被氧化腐蚀，而锡不能像锌保护铁那样保护铁。所以镀锡铁在镀层损坏后，铁更容易被腐蚀。
利用原电池原理保护金属的一种方法是牺牲阳极的阴极保护法。该方法是将被保护金属与比其更活泼的金属连接在一起，更活泼的金属（如镁、锌等）作阳极（负极），在不断被腐蚀后定期更换，而作为阴极（正极）的金属就不易被腐蚀而得到保护。此法常用于保护海轮外壳及石油管道等。
牺牲阳极的阴极保护法适用场景
小型金属结构例如小型船舶、水上浮标等。这些设备规模较小，牺牲阳极的阴极保护法安装简单、成本较低。只需要将合适的牺牲阳极（如锌块）固定在金属结构表面即可。对于小型船舶来说，在船壳上安装锌块，就能利用锌比铁活泼的特性，在海水环境中使锌优先被腐蚀，从而保护船壳的钢铁部分不受腐蚀。分散的金属设施像港湾设施、近海的石油平台等。这些设施分布较为分散，使用外加电流的阴极保护法可能会面临电源布线困难等问题。而牺牲阳极的阴极保护法不需要外部电源，通过在各个金属部件上安装牺牲阳极，就能有效地防止金属腐蚀。对保护电流要求不高的设备一些热交换器、小型储水罐等。这些设备通常处于腐蚀性环境（如含有腐蚀性离子的水溶液）中，但所需的保护电流较小。采用牺牲阳极的阴极保护法，通过选择合适的牺牲阳极材料和数量，就可以满足其防腐需求。
另外，还可以采用外加电流的阴极保护法防止金属腐蚀。例如，将被保护的钢铁设备作为阴极，另加惰性电极作为阳极，两者都处在电解质溶液（如海水）中，接上外加直流电源。通电后，电子流向被保护的钢铁设备，在钢铁表面积累了大量的负电荷，从而抑制钢铁失去电子，阻止钢铁被腐蚀。外加电流的阴极保护法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。除了用电化学方法防止金属腐蚀外，也可以采用改变金属组成或结构的方法。例如在金属中添加其他元素制成耐蚀合金等。
外加电流的阴极保护法适用场景
大型的、长距离的金属结构长输油管道是典型的应用场景。这些管道往往绵延数百公里甚至更长，穿越不同的地质和环境条件。由于管道很长，需要较大的保护电流来防止腐蚀。外加电流的阴极保护法可以通过设置合适的电源和辅助阳极，沿管道分布，为整个管道提供稳定的保护电流。例如，在沙漠地区的输油管道，通过在管道沿线安装石墨辅助阳极和大功率直流电源，将管道连接到电源负极，使管道成为阴极，从而有效防止管道在复杂的土壤环境中被腐蚀。处于高电阻环境的金属结构比如深埋于地下的金属结构。在土壤电阻率较高的地区，牺牲阳极的阴极保护法可能无法提供足够的保护电流，因为牺牲阳极与被保护金属之间的电位差在高电阻环境下产生的电流较小。而外加电流的阴极保护法可以通过调节电源电压来克服高电阻，使足够的保护电流到达被保护金属。
 金属腐蚀原理的合理利用
金属腐蚀每年给社会带来巨大的经济损失，为减少其危害，我们可以依据金属腐蚀的原理，寻找出更合适的方法防止金属腐蚀。如，将铝片浸入浓硫酸或浓硝酸时，铝片表面就会产生一层致密的氧化铝膜，从而阻止铝进一步被氧化，达到保护铝的效果。因此，可以用铝罐车运输冷的浓硝酸和浓硫酸。铁在 NaOH和NaNO2的混合溶液中发蓝、发黑，使铁表面形成一层致密的氧化膜，也可防止铁腐蚀。其实，合理利用金属腐蚀的原理也可以为人类的生产、生活服务，例如，印刷电路的制作、电化学刻蚀、等离子刻蚀技术等都是金属腐蚀原理在生产技术中的应用。又如，生活中常用的“暖贴”正是利用吸氧腐蚀的原理制造的。事物的变化都有两面性，我们必须学会辩证地分析事物，在避免不利因素的同时，应用其合理的成分为人类服务。
(1)铜在酸性较强的溶液中均可发生析氢腐蚀。 (　　)(2)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+。 (　　)(3)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。 (　　)(4)镀铜铁制品镀层受损后,铁制品比镀铜前更容易生锈。 (　　)(5)外加电流法是将被保护金属接在直流电源的正极。 (　　)(6)在船体外嵌入锌块,可以减缓船体的腐蚀,属于牺牲阴极法。 (　　)
2.将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后,置于如图所示装置中,进行铁的电化学腐蚀实验。下列有关该实验的说法正确的是(　　)A.铁被氧化的电极反应式为Fe-3e-=Fe3+B.铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能C.活性炭的存在会加速铁的腐蚀D.以水代替NaCl溶液,铁不能发生吸氧腐蚀
3.如图所示水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天观察：
(1)铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于________腐蚀。(2)若试管内液面上升，则溶液呈 性，发生_____腐蚀，电极反应式：负极： _____________________， 正极：____________________________。
(3)若试管内液面下降，则原溶液呈___________性，发生______腐蚀。电极反应式：负极：__________________， 正极：___________________。
2Fe－4e－=2Fe2＋
O2＋2H2O＋4e－=4OH－　
Fe－2e－=Fe2＋
2H＋＋2e－=H2↑
4.相同材质的铁在图中四种情况下最不易被腐蚀的是 (　 )