人教版 (新课标)选修4 化学反应原理第四节 金属的电化学腐蚀与防护教学设计

 [课标要求]

1．了解金属腐蚀及其危害。

2．了解金属电化学腐蚀的原因及反应原理。

3．了解金属防护的方法，特别是电化学防护的方法。

1．钢铁在酸性环境中主要发生析氢腐蚀，放出氢气。

2．钢铁在中性或弱酸性环境中主要发生吸氧腐蚀，最终生成铁锈的主要成分是Fe2O3·nH2O。

3．钢铁吸氧腐蚀的正极反应式：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

4．金属电化学防护的方法有牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。

1．金属腐蚀

(1)概念：金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。

(2)本质：金属本身失去电子变成阳离子的过程(发生氧化反应)：M－ne－===Mn＋。

2．化学腐蚀和电化学腐蚀

3．钢铁的电化学腐蚀

(1)实质。

(2)析氢腐蚀和吸氧腐蚀。

　　[特别提醒]　钢铁在自然界中的腐蚀主要发生的是吸氧腐蚀。

[实验1]　将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入下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。

[问题思考]

1．图1实验导管中水柱和铁钉有什么变化？产生这种现象的原因是什么？

提示：导管中的水面上升，铁钉表面生锈；产生这种现象的原因是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实验碳棒表面有什么现象？产生这种现象的原因是什么？

提示：碳棒表面有气泡产生；原因是发生了析氢腐蚀，电极反应，负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑。

3．化学腐蚀与电化学腐蚀的相同点和不同点是什么？

提示：相同点都是造成金属被氧化腐蚀。不同点是化学腐蚀是金属和氧化剂直接发生氧化还原反应，无电流产生；电化学腐蚀是发生原电池反应，有电流产生。

金属化学腐蚀与电化学腐蚀的比较

[特别提醒]　

(1)析氢腐蚀和吸氧腐蚀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排在氢之前的金属才有可能发生析氢腐蚀。

1．如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有pH＝5的雨水和生铁片。

观察到开始时导管内液面下降，一段时间后导管内液面回升，略高于小试管液面。以下有关解释合理的是(　　)

A．生铁片中的碳是原电池的阳极，发生还原反应

B．雨水酸性较强，生铁片仅发生析氢腐蚀

C．红墨水回升时，碳极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．具支试管中溶液pH逐渐减小

解析：选C　生铁中的铁、碳及电解质溶液构成原电池，铁是负极，铁失去电子发生氧化反应，碳是正极，正极上发生还原反应。开始时，因酸性较强发生析氢腐蚀，一段时间后导管内液面回升且略高于小试管液面，说明具支试管中气体压强减小，即此时发生吸氧腐蚀，反应式是2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故溶液的pH增大，A、B、D错误；C正确。

2．铜板上铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示，下列有关说法中，不正确的是(　　)

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．此过程中铜不被腐蚀

D．此过程中电子从Fe移向Cu

解析：选A　图中所示吸氧腐蚀中，铁作负极，铜作正极，溶解了O2的水膜作电解质溶液，正极电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，A错误；负极电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，Fe2＋和正极产生的OH－结合生成Fe(OH)2，Fe(OH)2不稳定，容易被空气中的O2氧化生成Fe(OH)3，化学方程式为4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3，B正确；形成的原电池中铜作正极，负极失电子容易被腐蚀，正极不发生反应，所以铜不被腐蚀，C正确；腐蚀过程中，外电路上电子从负极铁流向正极铜，D正确。

3.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4Fe＋3O2＋xH2O===2Fe2O3·xH2O。如图为一放在水槽中的铁架，水位高度如图。最容易生锈的铁架横杆是(　　)

A．①　　　　　　　　 B．②

C．③  D．④

解析：选C　此处铁生锈属于吸氧腐蚀。④处没有和电解质溶液接触，不能构成原电池，锈蚀速率较慢；①②③处已与电解质溶液接触，但①②处含O2较少，所以③处腐蚀最快。

1．金属的防护

2．金属的电化学防护

(1)牺牲阳极的阴极保护法：利用原电池原理，让被保护金属作正极，另找一种活泼性较强的金属作负极。

如图所示：

(2)外加电流的阴极保护法：利用电解池原理，把被保护的钢铁设备作为阴极，用惰性电极作为辅助阳极，在电解质溶液里，接外加直流电源。

如图所示：

3．牺牲阳极的阴极保护法的实验探究

实验步骤：按图所示连接好装置，观察电压表和Fe电极上的现象，向Fe电极区滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察烧杯内溶液颜色有无变化。

1．下列防止金属腐蚀的做法不可行的是(　　)

A．在某些工具的机械转动部位刷油漆以防生锈

B．衣架和电线外面包上一层塑料层以防生锈

C．在钢材制造的大型船舶上装上一定数量的锌块

D．自行车的钢圈和车铃上镀上一层铬，既耐腐蚀又美观耐磨

解析：选A　在某些工具的机械转动部位刷油漆，能隔绝空气和水，但转动部位的漆易脱落，应该涂油，故A错误；衣架和电线外面包上一层塑料层，能隔绝空气和水，所以能防生锈，故B正确；在钢材制造的大型船舶上装上一定数量的锌块，Fe、Zn和海水构成原电池，Zn易失电子作负极，Fe作正极，所以Fe被保护，故C正确；自行车的钢圈和车铃上镀上一层铬，能隔绝空气和水，且铬不易发生腐蚀，所以能防止铁生锈，故D正确。

2．下列有关金属的保护方法的说法中正确的是(　　)

A．常使用的快餐杯表面有一层搪瓷，搪瓷层破损后仍能起到防止铁生锈的作用

B．白铁(镀锌铁)镀层破损后，铁皮的腐蚀速率很慢

C．轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，这是利用了牺牲阴极的阳极保护法

D．钢铁制造的暖气管道外常涂有一些沥青，这是钢铁的电化学保护法

解析：选B　搪瓷层破损后，铁与潮湿空气接触而易发生腐蚀，A错误；白铁(镀锌铁)的镀层破损后，Zn作原电池负极，而Fe作正极被保护，B正确；轮船的船壳水线以下装有锌块是利用了牺牲阳极的阴极保护法，C错误；在钢铁制造的管道外涂有一些沥青，属于在金属表面覆盖防护层的方法，而不属于电化学保护法，D错误。

3．如图是金属牺牲阳极的阴极保护法的实验装置，有关说法正确的是(　　)

A．该装置为电解池

B．本实验牺牲了金属Fe来保护金属Zn

C．若加入K3[Fe(CN)6]溶液后，Fe电极附近不会产生特征的蓝色沉淀

D．远洋货轮上镶嵌的金属Zn长时间没有什么变化，不需要更换

解析：选C　牺牲阳极的阴极保护法遵循原电池原理，装置属于原电池，故A错误；锌的活泼性比铁强，锌作负极，被腐蚀，本实验牺牲了金属Zn来保护金属Fe，故B错误；锌被腐蚀，铁没有被腐蚀，加入K3[Fe(CN)6]溶液后，Fe电极附近不会产生特征的蓝色沉淀，故C正确；远洋货轮上镶嵌的金属Zn会被腐蚀，需要定期更换，故D错误。